样气处理系统技术新论

摘 要 以在线分析系统形式将在线分析器应用于过程和环保中的气体连续检测分析，当今已成为在线分析工程技术的绝对主流，其中一个关键环节是用样气处理系统将样气不失真地处理和输送给在线分析器，极为困难的是提供给分析器的样气品质要与校准分析器所用标准气体的品质相近，这一严格的不可让步的要求曾经难倒了无数技术精英。由此可以总结出一个能给本专业巨大启发和鼓舞的结论：样气处理系统技术是在线分析工程技术的核心和关键技术。本文使你有机会较深入地了解资深专家针对这一技术难题的技术见解。 关键词 样气处理系统 在线分析工程技术 在线分析器 在线分析系统 样气处理部件 1 21世纪前沿技术的视野 过程气体分析器工程应用系统（以下简称在线分析系统，曾经叫作过程分析成套系统）在石油、化工、建材、冶金、制药、食品、能源、节能、环保、资源开发等行业得到广泛应用，为实现工艺优化控制、先进过程控制，安全监控、节能减排、提高生产效率和产能，质量控制，推进技改等方面作出了巨大贡献。其重要性以及在线分析系统（含分析小屋）的供货形式已经被工程界广泛接受和高度肯定。去年大型工程项目分析设备的总投入首次超过热工设备的总投入，就是一个十分有说服力的证明。 2007年11月，分析器学会在北京召开“21世纪前沿技术——在线分析器的应用和发展国际论坛”。这再清楚不过地表明：在线分析系统是21世纪的前沿技术，样气处理系统技术作为在线分析系统的核心和关键技术，在技术观上定义成“21世纪的前沿技术”是肯定站得住脚的。 以21世纪前沿技术的视野，非常有必要对样气处理部件进行深度开发的创新设计，对样气处理系统进行有理论基础和实践根据的技术创新，对样气处理系统技术（设计技术＋工程应用技术）进行综合性的技术探索研究和推广应用。 这就是重庆凌卡分析器有限公司有远见的产业方向和倾力开展的科技工作。 2 样气处理系统技术的新定义 样气处理系统技术还真有些陌生，姑且将其分解成样气处理系统和样气处理技术，一个是硬件，另一个是软件。 样气处理系统：Sampe Handing Syetems 样气处理技术：Sampe Handing Engineering 样气处理系统的新定义：通过针对在线分析器工程现场应用条件和样气条件的专业化、规范化设计，所实现的样气处理部件与在线分析器之间的合理匹配与完善组合，这种能胜任在线分析器严格要求的体系性样气处理部件的总和，可称为样气处理系统。 样气处理技术的新定义：样气处理系统的专业性设计技术和专业性工程应用及维护技术相结合的综合性技术，可称为样气处理技术。 样气处理系统过去长期习惯称为“取样预处理装置”，极简单的一个 “预” 字将其在在线分析系统中的技术地位定格在附庸的低层。这种不恰当的技术歧视严重阻碍了它的健康发展。GB/T 19768-2005《在线分析器器样气处理系统性能表示》的国家标准才可能为其真正正名，因为可以合理引申出“样气处理系统”，但业界却似乎故意视而不见，照样说“取样预处理装置”、将样气处理部件叫做“功能部件”。 样气处理系统在在线分析工程中的独立性。系统性、严密性怎么肯定都不为过，现在是它承担强力促进在线分析工程技术发展责任的时侯了，也定会得到高速的健康发展。 3 样气处理部件的体系性简介 3.1 取样探头（即采样探头） 取样探头是样气处理系统中最为重要和关键的样气处理部件，它能实现对过程工业工艺气体样气的采样，是在不改变过程工业气体典型化学组分特征，即保持样气真实性的前提下来完成对样气流的分离。 3.1.1 取样探头可简化成一根不太粗的不锈钢管，也可能是一套十分复杂、造价昂贵的大型成套设备，例如工程中被肯定和成为主流技术的“干法高温取样探头”。 取样探头完全是根据应用目的来设计或选择。 任何取样探头的取样管都应无例外地伸入到工艺管道或工艺容器中去，插入深度按规范的要求是工艺管道直径的30～70％。探头管进样口的形状和倾斜安装的角度应该有利于样气污染物（如粉尘）的初步物理分离（即惰性分离）。其目的是使样气保持真实性并减轻其后级样气处理的难度。 3.1.2 用于工业炉窑负压取样的取样探头大多采用“外”过滤器设计，能有效过滤粉尘，这一技术领域最能体现专业技术水平的高低和专业性的真假： ● 粉尘的高精度过滤：目前国际先进水平是≥0.3um 99%。而一些专业公司仍然停留在2～3um的早期保守水平。 ● 过滤器的反吹技术：再优秀的过滤器用于高粉尘浓度取样都 有可能发生堵塞的危险，无一例外地要采用反吹技术。采用流体工程学精心设计的高温探头在2000g/m3的高粉尘下长期使用也不会堵塞。而一些专业公司的反吹气路和样气输送管路共用一段气路管道的技术方案是完全不正确的。 ● 过滤器的加热反吹：过滤器电加热的目的，认为是防止在过滤器上出现冷凝而发生堵塞的看法是不正确的，至少不全面。主要还是0.6MPa的反吹压力在反吹口释放压力时，因Joule-Thompson （焦尔－汤普生）热衰减效应而使反吹气降温，为克服这一新难题，加热反吹是唯一的技术选择，恒温180℃左右的反吹才使本技术难题得到无反弹的彻底解决。 ● 取样探头的维护：PLC程控脉冲内外反吹扫是很成熟的技术，使取样探头能接近于免维护地长期连续运行。 3.1.3 应用取样探头的各在线分析系统制造商，几乎都采用自己设计的取样探头，令人遗憾的是，一些自称专业性的制造商或集成商并没有真正掌握干法取样探头深层技术的原理。 重庆凌卡分析器器有限公司将推出多款技术成熟的取样探头，包括专有技术取样探头。 3.2 样气输送管线 3.2.1 样气输送管线由配管和列管组成： ● 配管是以其内径来分级，并通过螺纹、法兰接头来连接组成配管系统。所谓级别是指耐压和内径两方面。 配管系统以螺纹最为常见，例如：4分水管是指内径为4/8〞（1/2〞）的管子：内径约Ø12.7，外径却是Ø21，因为G1/2〞管螺纹的大径尺寸为20.955。 用螺纹可以密封的是圆锥外螺R和圆锥内螺纹Rc,也是以英寸表示规格。 锥管螺纹NPT和管螺G都要求使用密封剂，才能保证密封性。 配管系统应留有足够的安装和维护操作空间。 ● 列管是按其外径来分级，一般为6m多长，普通列管的尺寸为Ø1.5～Ø12。 ● 样气输送最常用的形式：列管最常用Ø6×1的不锈钢管，与配管系统的连接最常用双卡套螺母组件连接，多次重复拆装仍能保持优良的密封性能。 ● 配管和列管的材质应根据样气的组分及样气条件来严格选择。 3.2.2 样气输送管线的伴热 为使样气输送过程中不发生冷凝，确保样气的真实性，大多要采取伴热措施，化工用蒸汽伴热的不少，其它行业更适合电伴热，典型的要求是伴热120℃左右。 许多应用可采用高温窄型自控温电伴热带，能使样气保持135±5℃。更严格的地方则应采用整体电伴热管，只是成本过高，很难普遍采用。 3.2.3 样气输出管线对分析系统反应速度的制约 样气传输管线不要超过20m，但有些工程现场做不到。出于业内的一致看法，分析系统的总滞后时间T10≤60s。 这里必须纠正一种错误的判断：认为管子粗反应速度更快，压力高反应速度更快。在特定样气流量不变的前提下，用Ø10×1的直管要实现≤60s是根本不可能的，因为它比用Ø6×1的直管的滞后时间T10要慢4倍。输送0.4MPa压力的样气比输送0.1MPa压力的样气也要慢约4倍。 如果面对高纯微量样气的输送，而直管的质量等级又很低，滞后时间过长会导致过程检测分析的失败。此时要用溶剂清洗列管并采取伴热措施，美国公司曾有过将滞后时间由17min纠正缩短到30s的经典实例（反应速度提高34倍）。 3.3 特殊过滤器 3.3.1 特殊过滤器是指除探头过滤之外的各种过滤器，以滤除样气中的颗粒物和液雾等。颗粒物来自样气中的粉尘、工艺催化剂或列管、配管施工中的污染物等。在线分析器对样气的起码要求是≥2um的粉尘 ≤200ug/m3，当然是越低越好。 3.3.2 过滤介质（即过滤元件） 从材质讲有SiC多孔陶瓷，不锈钢粉末冶金，各种纤维过滤膜等。 过滤元件以公称通径（um）评估其通过能力和过滤精度。 不锈钢的过滤精度水平是≥0.5um，多孔陶瓷的过滤精度水平是≥0.3um，纤维过滤膜则≥0.1um，甚至＜0.1um。 业界公认0.2um公称通径是“微滤”的标准，＜0.1um应属“超滤”或纳米的界定范畴了。 3.3.3 过滤器的大致分类 ● 用于在线分析器保护用的微型过滤器精度应优于0.5才有意义。直接置于机箱内或安装机箱后壁上。 ● 样气处理系统前置过滤器，如旋风自洁过滤器和旋风凝结过滤器，旋风离心惯性分离对3～5um以上较大粒度的粉尘和液滴可分离90％，还是比较有效的，更适用于有旁路分流的正压样气处理系统。 ● 样气处理系统后级高精度过滤器，现在能达到≥0.05um 99％的过滤精度。 几十微米的粗过滤器也有，常见于液体样品的过滤。 3.4 样气冷凝器 3.4.1 样气冷凝器用得很普遍，几乎是凡样气处理系统都必用。其目的是分离气相和液相，保护分析器不受液相物质的损坏，并保证分析器的分析准确度。 样气中的颗粒污染物被有效分离后才能进行这种冷却，否则会发生堵塞过滤器等部件的危险。 3.4.2 常用的样气冷凝器 ● 压缩机式电子冷凝器，压缩机的强大制冷能力使入口样气温度＜140℃，而出口样气温度为2±0.5℃，价格高是采用最大的制约，另外体积也很大。 ● 半导体致冷电子冷凝器，单路的入口样气温度只能达到＜40℃，因价格较低、体积也较小，所以用得也很普遍。 ● 涡流致冷（兰克管）冷凝器：入口样气温度＜45℃，使用0.3MPa压缩空气，可使样气<