氢气在线分析仪

氢气在线分析仪是工业过程气体成分分析的关键设备，用于连续、实时测量工艺气流中氢气的浓度。它的稳定性和准确性直接关系到生产安全、产品质量和流程效率。

一、核心应用场景

氢气在线分析仪广泛应用于以下领域：

1. 石油化工与炼油：

◦ 加氢工艺：监控加氢精制、加氢裂化等反应器进出口的循环氢纯度，优化反应、节能降耗、确保安全。

◦ 重整装置：监测重整氢的纯度（通常很高，~90-95%）。

2. 合成氨与甲醇生产：

◦ 监控合成塔进口气中的氢氮比，这是优化氨产量关键的控制参数。

◦ 监测 purge gas（放空气）中的氢气含量，以便回收利用。

3. 半导体与多晶硅行业：

◦ 监测高纯氢气作为还原气和保护气的纯度，确保产品质量。

4. 热处理与浮法玻璃生产：

◦ 监控保护气氛（氮氢混合气）中的氢气浓度，防止产品在高温下被氧化。

5. 新能源（氢能）：

◦ 制氢：监测电解水（AEL, PEM）或化石燃料制氢出口的氢气纯度。

◦ 储运与加注：监测氢气燃料的纯度等级（如是否符合ISO 14687:2019标准）。

二、主要测量原理与技术

不同的工艺条件（背景气、浓度范围、压力、温度）需要选用不同原理的分析仪。以下是主流技术：

原理 英文 适用浓度范围 特点 适用背景气

热导式 TCD 0-100% 结构简单、耐用、性价比高、维护量小 背景气热导率与氢差异大（如N₂, Ar, CO₂）

电化学式 Electrochemical 0-数千ppm 灵敏度高、专测微量氢 空气、惰性气体（测漏）

气相色谱 GC 宽范围 可同时分析多组分（H₂, O₂, N₂, CH₄等）、精度高 复杂混合气

激光光谱 TDLAS 宽范围 响应极快、无需采样、抗干扰能力强 特定复杂工况（如氨裂解气）

如何选择？

• 测量高纯度氢气（如90%~100%），热导式（TCD） 是常用、经济的选择。

• 需要同时测量H₂和1-2个其他组分（如O₂、CO₂），气相色谱（GC） 更合适。

• 测量微量氢气（如空气中的泄漏检测），选择电化学传感器。

• 要求原位、响应极快，可考虑激光光谱技术。

三、系统构成：不仅仅是分析仪本身

一个完整的在线分析系统包括三大部分：

1. 采样与预处理系统：

◦ 重要性：70%以上的故障都发生于此。它的任务是将具有代表性、洁净、且符合分析仪操作条件（压力、温度、流量）的样品气送至分析仪。

◦ 关键部件：采样探头、过滤器、减压阀、伴热管线（防止冷凝）、冷凝器/除湿器、流量计、抽气泵等。

◦ 对于氢气：常需要精细过滤以去除油雾和颗粒物；可能需要稳压稳流装置。

2. 分析仪主机：

◦ 包含传感器、气路、电路板、显示单元等核心部件。

3. 数据输出与集成：

◦ 提供4-20mA模拟信号、RS485/Modbus等数字信号，上传至DCS、PLC等控制系统，用于实时显示、记录和控制。

四、选型指南：如何正确选择？

1. 工艺条件：

◦ 测量范围：微量、常量还是高纯度？

◦ 背景气体成分：背景气是什么？（N₂, Ar, 空气, 烃类气体？）

◦ 样品压力与温度：是正压还是负压？温度多高？

◦ 防爆要求：安装区域是否是防爆区（Ex d, Ex ib等）？

2. 性能要求：

◦ 精度与重复性：需要多高的准确度？

◦ 响应时间：系统对浓度变化的反应速度要求多快？（包括预处理和分析仪本身的响应）

3. 维护与操作：

◦ 校准频率：需要多久用标准气标定一次？

◦ 维护便利性：备件是否容易获取？维护是否复杂？

五、常见挑战与故障处理思路

1. 测量值不准/漂移：

◦ 首要原因：预处理问题。检查过滤器是否堵塞、冷凝器是否工作、流量是否稳定、是否有泄漏（空气进入会稀释样品）。

◦ 其次：分析仪需要重新校准。标准气是否合格、过期？

◦ 后：传感器老化或污染（如TCD热导池污染）。

2. 无流量/流量低：

◦ 检查采样泵是否工作、整个气路（尤其是过滤器）是否堵塞、是否有泄漏。

3. 响应迟缓：

◦ 检查采样管线是否过长，预处理系统是否存在“死体积”，或过滤器、管路壁有吸附效应。

核心建议：遇到问题时，先排查采样和预处理系统，再怀疑分析仪主机本身。

选择和使用氢气在线分析仪是一个系统工程，必须充分理解工艺需求，并高度重视采样预处理环节。TCD热导分析仪因其卓越的可靠性、稳定性和经济性，依然是测量中高浓度氢气的行业标准选择。对于复杂的应用，气相色谱（GC） 则提供了多组分分析的强大能力。