樣品處理系統(tǒng)技術(shù) 在線分析器 在線分析系統(tǒng) 樣品處理部件

1 樣氣處理系統(tǒng)在在線分析系統(tǒng)中的地位
樣品處理系統(tǒng)如果只限于過程氣體分析系統(tǒng)領(lǐng)域，就該稱為樣氣處理系統(tǒng)。
在在線分析工程技術(shù)行業(yè)內(nèi)，本文所述的樣氣處理系統(tǒng)，過去卻一直叫取樣預(yù)處理系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、樣氣預(yù)處理系統(tǒng)、取樣及預(yù)處理單元等。由于長(zhǎng)期帶著“預(yù)”字，好像只是在線分析器的附加部分，并未受到應(yīng)有的重視。
GB/T 19768—2005《在線分析器試樣處理系統(tǒng)性能表示》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)JB/T 6854—1993的機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)，早就在處理系統(tǒng)之前取消了“預(yù)”字，從中必然引申出；樣氣處理系統(tǒng)和樣氣處理部件的技術(shù)概念和專業(yè)術(shù)語(yǔ)。令人遺憾的是，長(zhǎng)期以來(lái)并未得到本行業(yè)人士的關(guān)注和認(rèn)可。
本文著力闡述的樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)，自身有相對(duì)獨(dú)立性、嚴(yán)密性、系統(tǒng)性，PLC可編程序控制器的自控功能及其軟件就是一個(gè)證明。德國(guó)H&B公司的60S型干法高溫取樣探頭在中國(guó)市場(chǎng)單獨(dú)銷售有數(shù)十套之多，zui高售價(jià)135萬(wàn)元，算是另一個(gè)頗具說(shuō)服力的證明。
為了推進(jìn)在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，我們應(yīng)有一種新的技術(shù)觀念：在線分析面對(duì)諸多十分艱巨復(fù)雜的技術(shù)難題，樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)是在線分析系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)，期待樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)從此走上全面提升和發(fā)展的軌道。

2 在線分析器工程應(yīng)用對(duì)樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的依賴和要求
2.1 1986年以前，國(guó)內(nèi)各分析器器專業(yè)廠的在線分析器器幾乎全是以單機(jī)銷售的形式投放市場(chǎng)，而德國(guó)H&B公司的在線分析器卻大約有三分之二是以在線分析系統(tǒng)（包括分析小屋）的形式投放市場(chǎng)，那時(shí)樣氣處理系統(tǒng)有個(gè)“預(yù)”字并不冤。
以川分的紅外等三項(xiàng)技術(shù)引進(jìn)為契機(jī)，同時(shí)從H&B公司引進(jìn)了在線分析系統(tǒng)技術(shù)，并兩次培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用人才，使川儀無(wú)意中充當(dāng)了一次在線分析器工程應(yīng)用的角色，設(shè)計(jì)水平、應(yīng)用水平、生產(chǎn)規(guī)模都有長(zhǎng)足進(jìn)步。

在線分析器工程應(yīng)用的癥結(jié)和*途徑
在線分析器的長(zhǎng)期連續(xù)、適時(shí)的檢測(cè)分析，必然要求連續(xù)取樣和嚴(yán)格的樣氣處理技術(shù)，要求樣氣真實(shí)和傳輸快速，樣氣進(jìn)入分析器時(shí)，要求達(dá)到近于標(biāo)準(zhǔn)氣的品質(zhì)。在線分析系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的可靠性和安全性，以及近于免維護(hù)的易維護(hù)性，都*依賴樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的針對(duì)性設(shè)計(jì)。
根據(jù)每項(xiàng)在線分析系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件和取樣條件，要采用專業(yè)化、規(guī)范化，針對(duì)性設(shè)計(jì)的型在線分析系統(tǒng)，由具有長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)制造商生產(chǎn)這些高品質(zhì)在線分析系統(tǒng)，并承擔(dān)全過程技術(shù)服務(wù)。
對(duì)于完善的過程氣體分析，起決定作用的是使樣氣處理系統(tǒng)與千差萬(wàn)別的生產(chǎn)工藝條件和環(huán)境應(yīng)用條件匹配得當(dāng)、組合完善。在線分析器對(duì)樣氣處理系統(tǒng)的這種依賴，使在線分析器以在線分析系統(tǒng)形式供貨既是在線分析工程技術(shù)發(fā)展的必然，也在業(yè)界各方人士的情理之中。

3 復(fù)雜的樣氣條件和干法樣氣處理技術(shù)
3.1 復(fù)雜的樣氣條件是過程氣體分析面對(duì)的zui大困難：
高溫或低溫、高粉塵、高水分或液霧、高壓負(fù)壓、腐蝕性和爆炸性危險(xiǎn)；
較高的自動(dòng)化程度，少維護(hù)甚至近于免維護(hù)的應(yīng)用要求；
防塵及防水、防腐蝕、防爆炸等方面苛刻的防護(hù)及安全要求；
較快的反應(yīng)速度，滯后時(shí)間一般要求＜60s ；
保證必要的檢測(cè)準(zhǔn)確度等。
3.2 干法樣氣處理技術(shù)的必要性
干法樣氣處理技術(shù)有利于有效保持樣氣的真實(shí)性，進(jìn)而保證必要的檢測(cè)準(zhǔn)確度。
干法樣氣處理技術(shù)能使樣氣干燥、潔凈，達(dá)到近于標(biāo)準(zhǔn)氣的品質(zhì)，可能發(fā)生的腐蝕性也大為降低。所有這些都有利于保證在線分析器連續(xù)、穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，我見過某石化企業(yè)使用超過20年的紅外分析器。
干法樣氣處理技術(shù)已成為的主流技術(shù)。當(dāng)然濕法樣氣處理技術(shù)也并未*淘汰，如焦?fàn)t煤氣O2分析系統(tǒng)，濕法對(duì)付焦油更為有效。

4 樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的體系性特征
在線分析系統(tǒng)如果去掉在線分析器和某些應(yīng)用保障條件部分，就是樣氣處理系統(tǒng)，體系性地簡(jiǎn)述樣氣處理系統(tǒng)如下：
4.1 采樣探頭 通常稱為取樣探頭，是樣氣處理系統(tǒng)zui重要的樣氣處理部件，根據(jù)不同的取樣條件，就一定有不同的針對(duì)性*的探頭，zui常用的是低于650℃的中溫通用型探頭。取樣探頭還應(yīng)包括壓縮空氣加熱（180℃）反吹單元及其程控反吹技術(shù)。
4.2 樣氣輸送管線 通常多采用Φ6×1不銹鋼管，為避免發(fā)生冷凝，常采用伴熱保溫技術(shù)（120℃），伴熱方式以自控溫電伴熱帶較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
4.3 過濾器 過濾器就其用途來(lái)說(shuō)，以下三類較有代表性：一是探頭過濾器，在取樣點(diǎn)就地過濾粉塵，避免在其后產(chǎn)生粉塵沉淀和堵塞的危險(xiǎn)，目前的*水平是0.3μｍ 99％。二是后級(jí)高精度膜式過濾器，以保護(hù)分析器為主要目的，目前的*水平是0.05μｍ 99％。三是分析器內(nèi)部的微型過濾器，以在線分析器的自保護(hù)為目的，并不屬于樣氣處理系統(tǒng)。
4.4 樣氣冷凝器 使樣氣冷凝至低露點(diǎn)、以干燥樣氣為目的。
壓縮機(jī)式樣氣冷凝器能使樣氣由140℃冷至2℃露點(diǎn)，效果，成本zui高；
半導(dǎo)體制冷樣氣冷凝器，入口樣氣溫度一般只能是45℃；
渦流致冷樣氣冷凝器，能使樣氣溫度降低20℃以上，zui大的優(yōu)勢(shì)是使用壓縮空氣，本安防爆；
使用水源的樣氣冷卻器（即交換器）也有很多應(yīng)用。
4.5 采樣泵 通常稱為抽氣泵，樣氣壓力為負(fù)壓或微正壓時(shí)，也能為分析器提供規(guī)定的樣氣流量，隔膜式抽氣泵用得較多。另外，常用蠕動(dòng)泵來(lái)排放冷凝液。
4.6 氣液分離器 氣液分離常是十分棘手的技術(shù)難題
旋風(fēng)自潔式分離器 對(duì)分離＞5μｍ粉塵和液霧較為有效，相當(dāng)于70μｍ粒度以上的重力分離；
凝結(jié)式分離器能對(duì)付更小粒度的微小液霧；
特定項(xiàng)目型（如乙烯裂解）的氣液分離是技術(shù)含量很高的綜合技術(shù)；
zui簡(jiǎn)單的氣液分離器僅是圓筒中加上一根管子；
現(xiàn)在已有采用聚合膜方式過濾液霧的研究。
4.7 樣氣流量測(cè)量及控制
樣氣流量一般用球形轉(zhuǎn)子流量計(jì)，流量控制用針形閥調(diào)節(jié)。切換和關(guān)斷氣路要采用各種閥件，以“五通切換閥”zui被看重。
4.8 樣氣壓力測(cè)量與調(diào)節(jié)
高壓的減壓、穩(wěn)壓與調(diào)節(jié)是項(xiàng)困難任務(wù)，各種閥的原理及規(guī)格的選擇也很有專業(yè)性。
高壓力樣氣在取樣點(diǎn)根部閥處就地減壓很有必要，以避免降低反應(yīng)速度。
4.9 部件材料的正確選用
以O(shè)型密封圈選材為例：連續(xù)使用溫度的高低依次為，氟橡膠包覆聚四氟乙烯、氟橡膠、硅橡膠、丁晴橡膠。
4.10 設(shè)備外殼及防護(hù)
一般采用的機(jī)柜稱為儀表盤，組裝后稱為分析（儀器）柜；
人可以進(jìn)入的機(jī)柜稱為分析小屋；
機(jī)柜對(duì)粉塵、水的防護(hù)等級(jí)以IPXX表示；
機(jī)柜對(duì)可燃性氣體和蒸氣的防爆等級(jí)。如 dⅡCT6。
4.11 機(jī)柜的氣候調(diào)節(jié)
機(jī)柜的氣候調(diào)節(jié)可分為降溫、加熱、換氣等三個(gè)大的方面。
4.12 自控單元
樣氣處理系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定、近于免維護(hù)的運(yùn)行，以及各種報(bào)警，都離不開PLC可編程序控制器為核心的自控單元。
4.13 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 即標(biāo)準(zhǔn)氣，是在線分析器的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已采用99.999%的高純氮作為零點(diǎn)氣。
4.14 快速回路設(shè)計(jì)，提高分析系統(tǒng)的反應(yīng)速度。
4.15 尾氣和冷凝液的安全排放。
4.16 數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程傳輸。
4.17 工程現(xiàn)場(chǎng)安裝的施工設(shè)計(jì)。

5 用于水泥窯尾的干法高溫取樣探頭系統(tǒng)
5.1 爐窯負(fù)壓型樣氣處理系統(tǒng) 負(fù)壓或微正壓樣氣，只要壓力不大于0.01MPa，往往都必須采用某種原理的抽氣泵這一標(biāo)志性部件，才能滿足樣氣流量的規(guī)范要求。（個(gè)別爐窯負(fù)壓型在線分析系統(tǒng)也需要防爆，例如焦?fàn)t煤氣。）
5.2 水泥窯尾的正常取樣條件
樣氣溫度＜1300℃
樣氣粉塵氣量＜2000g/m3
5.3 干法高溫探頭的關(guān)鍵技術(shù)特性
高精度粉塵過濾技術(shù) 0.3μｍ 99%，氣流阻力＜6mmH2O
適用樣氣溫度 ≤1300℃ ；
控溫封閉循環(huán)水冷卻 （出水溫度＜85℃）；
過濾器加熱180℃，內(nèi)外程控反吹掃；
反吹周期，可按需要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定或修改；
探頭長(zhǎng)度 3m ；
全面的自動(dòng)控制和安全報(bào)警技術(shù)；
現(xiàn)場(chǎng)安裝、投運(yùn)技術(shù)。
5.4 LKP 101S 型干法高溫探頭系統(tǒng)（圖）







 

LKP 101S 型干法高溫取樣探頭系統(tǒng)

5.5 干法高溫取樣探頭實(shí)際上是一套綜合技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)、成套設(shè)備或成套裝置，稱為高溫探頭系統(tǒng)名副其實(shí)。它是在線分析系統(tǒng)的技術(shù)制高點(diǎn)之一。

6 防爆分析小屋
6.1 化工、石化領(lǐng)域的樣氣基本都是正壓力，并有嚴(yán)格的防爆要求，就該采用正壓防爆型樣氣處理系統(tǒng)，當(dāng)然在線分析器也要嚴(yán)格選擇隔爆型的，樣氣處理部件也要采用防爆型的。
6.2 防爆分析小屋。防爆級(jí)別dⅡCT4
• 規(guī)格：2.7m高，長(zhǎng)和寬可在訂貨時(shí)選擇。
• 結(jié)構(gòu)：鋼板結(jié)構(gòu)，厚度50mm 充填阻燃絕熱離心真空保溫棉；
外墻為拋光磨砂不銹鋼板，內(nèi)墻是鍍鋅噴塑鋼板，頂部為304SS；
外開門，防爆視窗、緊急逃生鎖；
內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氣瓶和載氣瓶以及固定架；
整體排點(diǎn)接地保護(hù)；
“地”為人字鋼板，δ=5；
全封閉安全集管排放系統(tǒng)，帶阻火器的安全放空罩。
• 電器設(shè)備：防爆空調(diào)器（1.5P）、防爆排風(fēng)扇、防爆照明燈、防爆電源接線箱、防爆信號(hào)接線箱、防爆防腐蝕開關(guān)、防爆報(bào)警燈、防爆型CO報(bào)警器等。
• 技術(shù)特點(diǎn)：專業(yè)、規(guī)范的全封閉結(jié)構(gòu)防爆系統(tǒng)。
6.3 防爆分析小屋是在線分析系統(tǒng)的另一個(gè)技術(shù)制高點(diǎn)。

7 樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
7.1 樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力
在線分析器，特別是國(guó)外公司的在線分析器近幾年出現(xiàn)高速發(fā)展與進(jìn)步，如：19″標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的六組分在線分析器。由于節(jié)能、環(huán)保、資源和*的國(guó)家長(zhǎng)期產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，使國(guó)內(nèi)在線分析系統(tǒng)顯現(xiàn)高速增長(zhǎng)的、開放的市場(chǎng)特征。這成為樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的兩種主要?jiǎng)恿Α?br />7.2 樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的某些趨勢(shì)
• 持續(xù)改進(jìn)的理念非常適合于樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展：例如成都倍誠(chéng)分析技術(shù)研究所的渦流致冷樣氣冷凝器已經(jīng)改進(jìn)了第五代，該公司的防爆分析小屋可代表該領(lǐng)域的*水平。
• 沖擊樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的制高點(diǎn)：川分的干法高溫探頭連續(xù)幾年占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)近80%的份額。
• 小型化是技術(shù)發(fā)展總的內(nèi)在規(guī)律之一：美國(guó)世偉洛克公司研發(fā)出如同糖葫蘆串態(tài)勢(shì)的“集成”式新型樣氣處理系統(tǒng)，總體積非常小，價(jià)格高昂，技術(shù)適應(yīng)性也較窄，尚不具備推廣條件。英國(guó)士富梅公司的氧化鋯反吹氣路為Φ2的焊接三通氣路，氧化鋯傳感器比大手指頭還小。
• 樣氣處理系統(tǒng)*技術(shù)的大面積提高尚需時(shí)日：如探頭過濾器和后級(jí)過濾器雖然已經(jīng)達(dá)到0.3μｍ 99%和0.05μｍ 99%（單級(jí)）的*水平，而另一些公司，包括一些參與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的國(guó)外公司卻分別停留在2μｍ和0.5μｍ左右的原有保守水平。
• 樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)出現(xiàn)走向深入的苗頭：
組合式樣氣處理部件（如水洗分離器）；
樣氣處理部件（如水冷卻分離器）；
自潔式免維護(hù)樣氣處理部件（如旋風(fēng)自潔式過濾器）；
安全性高的樣氣處理部件（如可拆式化工取樣探頭）；
新原理的樣氣處理部件（如自吹洗綜合過濾器）；
不使用樣氣電子冷凝器和蠕動(dòng)泵的本安型樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)已在研發(fā)之中；
開始出現(xiàn)專業(yè)化的樣氣處理部件研發(fā)公司和營(yíng)銷。

8 新型樣氣處理部件實(shí)用新型（技術(shù)）解析 （發(fā)明人 金義忠等）
自吹洗綜合過濾器
• 目前的各種過濾器均針對(duì)粉塵，對(duì)液霧不但無(wú)能為力，還常會(huì)堵塞或損壞過濾薄膜，從而造成膜式過濾器失效。有的廠家不得已，采用了水份報(bào)警型膜式過濾器。
• 有一種具有納米特性的聚合薄膜材料有非常*的性能，
過濾精度 0.3μｍ 可達(dá)99.9999%
0.05μｍ 也能達(dá)到99%
油霧過濾率 0.0001% （水霧過濾率也該是這一技術(shù)數(shù)據(jù)）
疏水特性（如荷葉對(duì)于水） 聚合膜即便被水泡濕了也不會(huì)影響其透氣性。
氣流阻力 ≤7mmH2O（60L/h下，Ф50膜片）
有較好的抗張強(qiáng)度，不容易損壞。
• 新型自吹洗綜合過濾器
既能過濾0.05μｍ的粉塵99% ，也能過濾0.05μｍ的液霧99% ，
過濾出的粉塵和液霧可自清潔，然后由旁路流排出，維護(hù)量大為降低。

9 對(duì)樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的期待
9.1 樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展單靠分析器的發(fā)展和市場(chǎng)的擴(kuò)張來(lái)推動(dòng)是不夠的。在線分析工程技術(shù)理論的創(chuàng)新和樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)本身技術(shù)的創(chuàng)新也是樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。
9.2 通過本次前沿技術(shù)論壇，我們期待樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展能有一個(gè)堅(jiān)持“持續(xù)改進(jìn)、持續(xù)創(chuàng)新”理念的全新的發(fā)展方向。