在线分析样气处理的原位处理法

《分析仪器》2009年第5期 “在线分析工程技术”栏目

　在线分析样气处理的原位处理法

金义忠  邓发荣  刘 伟

（重庆凌卡分析仪器有限公司，重庆，400041 ）

摘  要  为克服传统直接抽取法样气处理系统的缺点和局限，原位安装法是项值得肯定的技术进步。但是工程应用实践证明，它仍然存在维护周期短，维护困难和维护成本高的明显不足。本文探讨的原位处理法走的是“中庸”技术路线，试图保持两者的优势，同时又克服两者的不足，也就是同时把制造成本和维护成本都降下来。依靠技术创新，我们正在接近这个理想目标。

    关键词  在线分析 样气处理系统  直接抽取法 原位安装法 原位处理法 少维护 维护成本

1  在线分析对样气处理系统的要求

     “样气处理系统技术是在线分析系统的核心和关键技术”。^[1]  在线气体分析之所以成为普遍的现实，是因为已有比较成熟的样气处理系统技术，能将样气处理成接近标准气般的高品质，以满足在线分析器的苛刻要求。

      老一辈仪器仪表工程技术专家朱良漪教授早在1997年首届过程分析仪器应用及发展论坛的主旨报告“过程分析仪器的发展”中，曾精辟总结“制约过程分析仪器发展的症结是：1、过程分析的取样与预处理，2、成分信息的获得与共生信息的干扰和噪声的处理，3、长期使用的可靠性。”^[2]  他在2007年第二届在线分析仪器应用及发展论坛的主旨报告“21世纪的前沿技术‘分析技术’与‘自动化’的系统集成”中，再次精辟总结在线分析工程技术的“难点和闪点：取样系统、可靠性、少维护、软件技术。”^[3]

      在线分析系统工程应用的成功，也就是在线分析器的应用成功，依赖样气处理系统的少维护和可靠性。

2  直接抽取法样气处理系统的回顾

   技术上比较成熟的直接抽取法样气处理系统在我国大约已有20年以上的历史。样气需要直接抽取，≤0.015MPa的样气压力，特别是炉窑负压型，以采用抽气泵抽取样气为标志。样气经取样系统（含反吹装置）取样后，还要加热保温传输至位于控制室的分析仪器柜，再进行降温、降压、除尘、除湿、冷凝液排放，流量调节与显示、气路切换、报警控制等一系列针对性很强的样气处理。

   直接抽取法的优点是技术上比较成熟，样气处理很到位，基本上能够达到接近标准气般的高品质，能够满足在线分析器的苛刻要求，保障在线分析系统工程应用的成功。

   直接抽取法的缺点也显而易见：技术设计复杂，制造成本高，安装和使用维护都有诸多困难，新产生的一些“共生信息”会降低检测准确度，例如CEMS系统采用电子冷凝器，SO2 会从冷凝水中流失掉3～5%，*一项SO2的检测信号就新增一项 3～5% 的负向误差。样气传输管路可能长达20m甚至30m以上，保障滞后时间小于60s有时也比较困难。

3  审视原位安装法

   原位安装法大概随激光气体分析器同时诞生，虽然时间不大长，因其*优势很能吸引业界关注，志在做大做强的聚光科技（杭州）有限公司是应用原位安装法的。

   原位安装法（即现场安装法）实际上并不存在样气处理系统。不管是相对安装的发射单元和吸收单元，或是用法兰安装方法将测量气室直接插入工艺管道（如烟囱）中，传统概念的样气处理系统都是不存在的，直插式整体氧化锆氧分析器也当属此列。原位安装法的优点似乎不言自明：省去了全套样气处理系统，制造成本大大降低，使用也简单了，供需双方都乐于接受这个良好的“愿景”。

   工程应用的优劣与成败zui终zui公正的裁判仍然是时间和实践。原位安装法在在线分析专业领域，面对长期（长期：指数年以上的稳定工作时间）连续使用的现实，处于高水份、高粉尘、强腐蚀、高污染、负压力的样气条件。测量气室在烟囱内被污染只是个不太长的时间问题，任何良好的愿望都改变不了。工程实践表明：大约1～2个月就需要维护和处理测量气室，在此处理之前，分析器的飘移和准确性也是很难令人*放心的。维护带安装法兰的测量气室并不容易：位置在烟囱高位，测量气室组合件很长很大很重，一两个人还很难对付。由此产生的问题并不小，也并不乐观：原位安装法的维护周期短，维护难度大，维护成本高。多次艰难的维护之后，说不定就是弃之不用，后果似乎也很严重。有的连年亏损，专业作CEMS系统的环保公司竟然把亏损责任算在“维护”头上。

   原位安装法面临革新和完善技术的艰巨任务，另寻它法也该冷静的想一想了。

4  原位处理法探讨

4.1 原位处理法新概念

   超越原有技术的局限，就是技术进步。

   在线分析系统的推广应用，降低制造成本是主流方向之一。直接抽取法依靠复杂的匹配和组合设计，以及自动化技术，既能满足在线分析的要求，维护量也并不很大，是可以接受的，大幅度降度成本却很困难，除非是“山寨版的”粗制滥造，难和原位安装法比拼。原位安装法（即现场安装法）如一些直插式分析器，虽然成本降得很到位，但维护周期短，维护量大，维护困难，维护成本很高，还可能威胁到可靠性和检测准确度，这种违背在线分析系统工程应用宗旨的现实表现就值得认真反思了。

   “中庸”之道是中国传统文化的一大特点，在线分析的取样技术可借助“中庸”的文化概念，并转变为技术概念，顺应工程应用的客观需要，提出“原位处理法”（即原位抽取法）。它不同于直接抽取法，因为样气不向远处控制室的分析仪器柜传输，并不在样气处理系统后级进行复杂的处理；它也不同于经典的原位安装法，因为分析器的测量气室不在易受严重污染威胁的烟囱内。

   原位处理法的分析器（包括测量气室）安装在工艺管道（如烟囱）外的现场，样气从烟囱抽取后并不送走，就在现场进行加热的过滤除尘处理，借助加热反吹技术以保障连续取样不堵塞，把维护量真正降下来；样气不再进行其他处理，如冷凝除水等，样气直接送入加热保温的测量气室“高温”检测，把制造成本也真正降了下来。也就是说既保留了两者的优点，又克服了两者的不足之处。

4.2 原位处理法已有先例

   英国仕富梅公司的790M、790T型氧化锆氧分析器，可看作是原位处理法的先例。该氧分析器为整体式结构，氧化锆传感器所在的取样探头和分析器控制部分连接成整体，控制部分也耐高温。分析器有个简化的取样探头，插入烟囱的探头管前端有个不太大的陶瓷过滤器，过滤精度是3μm，可看作是内过滤器取样探头。探头的炉墙外部分内置氧化锆传感器，一个微型气动采样泵将样气抽出并先流经传感器，混合废气再返回烟道。压缩空气对内过滤器实施反吹，以保障连续取样不堵塞。

   仕富梅公司该型氧分析器的“原位处理法”技术特征很鲜明，结构设计也小巧周到，应该是成功的设计。但是过滤器的过滤精度较低（3μm），比分析器要求样气含粉尘＜0.3μm

 ＜100mg/m有较大差距。另外反吹气路管道直径小，阻力较大，反吹扫过滤器的实际效果也会打折扣。如果把使用和维护周期放长些观察分析，样气的含尘量和氧化锆传感器的免除污染和少维护，还是令人有些担心的。

   另外，如果过滤器所处样气环境低于100℃的低温状态，可能难以保障过滤器不堵塞。

4.3 原位处理法取样探头

   重庆凌卡分析仪器有限公司新研发的LKP106型整体式取样探头，就是这种典型的原位处理法取样探头，专为CEMS系统的紫外差分光谱SO2、NOX 检测仪配套。

   106型取样探头安装在烟囱高位的SO2、NOX 检测仪的上方，法兰式安装，直通式探头管插入烟囱内30cm，前开口端有护管以提高粉尘等污染物的物理分离效果，位于炉墙外的加热过滤器过滤粉尘，程控脉冲反吹扫保障过滤器连续取样不堵塞，压缩空气储气罐和耐高温电磁阀组也在探头保护箱内，所以称为整体式取样探头。从探头出来的干净样气直接送入加热保温的测量气室进行“高温”检测，小型气动采样泵位于测量气室之后，混合后的废气排向安全位置。

   本探头的设计目标是维护周期争取达到一年。如此信心来源于凌卡公司今年新研发的*专有基础核心技术：具有纳米疏水特性的SiC超微孔过滤器，过滤精度（*一级）达到0.3μm 、99%；φ42xφ18x130mm规格的气流阻力，出人意料地小致120 Pa（样气流量1 L/min）；*的疏水特性，令人惊异：过滤器在水中浸泡24h后，立即通气试验，不但使用正常，气流阻力还没有任何变化。由于疏水、疏油的“油水双疏”纳米特性，能抗污染，加强了反吹扫防堵塞的效果，烧重油项目煤焦油污染的担心将减轻许多。另外加热反吹扫防堵塞技术是已经成功使用20多年的非常成熟的技术。取样探头的自限温加热器也提高了安全性和分析系统的可靠性。

   LKP-106型原位处理法整体取样探头已进入工程应用考核。

5  结束语

     原位处理法是2009年新提出来的技术概念，“看上去很美”，到底工程应用的实际效果如何，只能由工程应用得出令人信服的结论。我们应该始终不渝地坚持“有效改进，持续创新”的技术理念，就不会在现实的严重困难面前无所作为。

参考文献

1、   金义忠，在线分析仪器样品处理系统技术的应用及发展，第二届在线分析仪器应用及发展论坛 论文集，2007：210-216

2、   朱良漪，过程分析仪器的发展，首届过程分析仪器应用及发展论坛 论文集，

1997：17-23

3、   朱良漪，21世纪的前沿技术“分析技术”与“自动化”的系统集成，第二届在线分析仪器应用及发展论坛 论文集， 2007：4-6