在線分析樣氣處理的原位處理法

分類：解決方案日期：2009-09-01 09:54:01 來源：廠商

金義忠鄧發榮劉偉

（重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶，400041 ）

摘要為克服傳統直接抽取法樣氣處理系統的缺點和局限，原位安裝法是項值得肯定的技術進步。但是工程應用實踐證明，它仍然存在維護周期短，維護困難和維護成本高的明顯不足。本文探討的原位處理法走的是“中庸”技術路線，試圖保持兩者的優勢，同時又克服兩者的不足，也就是同時把制造成本和維護成本都降下來。依靠技術創新，我們正在接近這個理想目標。

關鍵詞在線分析樣氣處理系統直接抽取法原位安裝法原位處理法少維護維護成本

1 在線分析對樣氣處理系統的要求

“樣氣處理系統技術是在線分析系統的核心和關鍵技術”。^[1] 在線氣體分析之所以成為普遍的現實，是因為已有比較成熟的樣氣處理系統技術，能將樣氣處理成接近標準氣般的高品質，以滿足在線分析器的苛刻要求。

老一輩國際儀器儀表工程技術專家朱良漪教授早在1997年首屆過程分析儀器應用及發展國際論壇的主旨報告“過程分析儀器的發展”中，曾精辟總結“制約過程分析儀器發展的癥結是：1、過程分析的取樣與預處理，2、成分信息的獲得與共生信息的干擾和噪聲的處理，3、長期使用的可靠性。”^[2] 他在2007年第二屆在線分析儀器應用及發展國際論壇的主旨報告“21世紀的前沿技術‘分析技術’與‘自動化’的系統集成”中，再次精辟總結在線分析工程技術的“難點和閃點：取樣系統、可靠性、少維護、軟件技術。”^[3]

在線分析系統工程應用的成功，也就是在線分析器的應用成功，絕對依賴樣氣處理系統的少維護和可靠性。

2 直接抽取法樣氣處理系統的回顧

技術上比較成熟的直接抽取法樣氣處理系統在我國大約已有20年以上的歷史。樣氣需要直接抽取，≤0.015MPa的樣氣壓力，特別是爐窯負壓型，以采用抽氣泵抽取樣氣為標志。樣氣經取樣系統（含反吹裝置）取樣后，還要加熱保溫傳輸至位于控制室的分析儀器柜，再進行降溫、降壓、除塵、除濕、冷凝液排放，流量調節與顯示、氣路切換、報警控制等一系列針對性很強的樣氣處理。

直接抽取法的優點是技術上比較成熟，樣氣處理很到位，基本上能夠達到接近標準氣般的高品質，能夠滿足在線分析器的苛刻要求，保障在線分析系統工程應用的成功。

直接抽取法的缺點也顯而易見：技術設計復雜，制造成本高，安裝和使用維護都有諸多困難，新產生的一些“共生信息”會降低檢測準確度，例如CEMS系統采用電子冷凝器，SO₂會從冷凝水中流失掉3～5%，僅此一項SO₂的檢測信號就新增一項 3～5% 的負向誤差。樣氣傳輸管路可能長達20m甚至30m以上，保障滯后時間小于60s有時也比較困難。

3 審視原位安裝法

原位安裝法大概隨激光氣體分析器同時誕生，雖然時間不大長，因其獨特優勢很能吸引業界關注，志在做大做強的聚光科技（杭州）有限公司是應用原位安裝法的先驅。

原位安裝法（即現場安裝法）實際上并不存在樣氣處理系統。不管是相對安裝的發射單元和吸收單元，或是用法蘭安裝方法將測量氣室直接插入工藝管道（如煙囪）中，傳統概念的樣氣處理系統都是不存在的，直插式整體氧化鋯氧分析器也當屬此列。原位安裝法的優點似乎不言自明：省去了全套樣氣處理系統，制造成本大大降低，使用也簡單了，供需雙方都樂于接受這個良好的“愿景”。

工程應用的優劣與成敗最終最公正的裁判仍然是時間和實踐。原位安裝法在在線分析專業領域，面對長期（長期：指數年以上的穩定工作時間）連續使用的現實，處于高水份、高粉塵、強腐蝕、高污染、負壓力的樣氣條件。測量氣室在煙囪內被污染只是個不太長的時間問題，任何良好的愿望都改變不了。工程實踐表明：大約1～2個月就需要維護和處理測量氣室，在此處理之前，分析器的飄移和準確性也是很難令人完全放心的。維護帶安裝法蘭的測量氣室并不容易：位置在煙囪高位，測量氣室組合件很長很大很重，一兩個人還很難對付。由此產生的問題并不小，也并不樂觀：原位安裝法的維護周期短，維護難度大，維護成本高。多次艱難的維護之后，說不定就是棄之不用，后果似乎也很嚴重。有的連年虧損，專業作CEMS系統的環保公司竟然把虧損責任算在“維護”頭上。

原位安裝法面臨革新和完善技術的艱巨任務，另尋它法也該冷靜的想一想了。

4 原位處理法探討

4.1 原位處理法新概念

超越原有技術的局限，就是技術進步。

在線分析系統的推廣應用，降低制造成本是主流方向之一。直接抽取法依靠復雜的匹配和組合設計，以及自動化技術，既能滿足在線分析的要求，維護量也并不很大，是可以接受的，大幅度降度成本卻很困難，除非是“山寨版的”粗制濫造，絕對難和原位安裝法比拼。原位安裝法（即現場安裝法）如一些直插式分析器，雖然成本降得很到位，但維護周期短，維護量大，維護困難，維護成本很高，還可能威脅到可靠性和檢測準確度，這種違背在線分析系統工程應用宗旨的現實表現就值得認真反思了。

“中庸”之道是中國傳統文化的一大特點，在線分析的取樣技術可借助“中庸”的文化概念，并轉變為技術概念，順應工程應用的客觀需要，提出“原位處理法”（即原位抽取法）。它不同于直接抽取法，因為樣氣不向遠處控制室的分析儀器柜傳輸，并不在樣氣處理系統后級進行復雜的處理；它也不同于經典的原位安裝法，因為分析器的測量氣室不在易受嚴重污染威脅的煙囪內。

原位處理法的分析器（包括測量氣室）安裝在工藝管道（如煙囪）外的現場，樣氣從煙囪抽取后并不送走，就在現場進行加熱的高效過濾除塵處理，借助加熱反吹技術以保障連續取樣不堵塞，把維護量真正降下來；樣氣不再進行其他處理，如冷凝除水等，樣氣直接送入加熱保溫的測量氣室“高溫”檢測，把制造成本也真正降了下來。也就是說既保留了兩者的優點，又克服了兩者的不足之處。

4.2 原位處理法已有先例

英國仕富梅公司的790M、790T型氧化鋯氧分析器，可看作是原位處理法的先例。該氧分析器為整體式結構，氧化鋯傳感器所在的取樣探頭和分析器控制部分連接成整體，控制部分也耐高溫。分析器有個簡化的取樣探頭，插入煙囪的探頭管前端有個不太大的陶瓷過濾器，過濾精度是3μm，可看作是內過濾器取樣探頭。探頭的爐墻外部分內置氧化鋯傳感器，一個微型氣動采樣泵將樣氣抽出并先流經傳感器，混合廢氣再返回煙道。壓縮空氣對內過濾器實施反吹，以保障連續取樣不堵塞。

仕富梅公司該型氧分析器的“原位處理法”技術特征很鮮明，結構設計也小巧周到，應該是成功的設計。但是過濾器的過濾精度較低（3μm），比分析器要求樣氣含粉塵＜0.3μm

＜100mg/m有較大差距。另外反吹氣路管道直徑小，阻力較大，反吹掃過濾器的實際效果也會打折扣。如果把使用和維護周期放長些觀察分析，樣氣的含塵量和氧化鋯傳感器的免除污染和少維護，還是令人有些擔心的。

另外，如果過濾器所處樣氣環境低于100℃的低溫狀態，可能難以保障過濾器不堵塞。

4.3 原位處理法取樣探頭

重慶凌卡分析儀器有限公司新研發的LKP106型整體式取樣探頭，就是這種典型的原位處理法取樣探頭，專為CEMS系統的紫外差分光譜SO₂、NO_X檢測儀配套。

106型取樣探頭安裝在煙囪高位的SO₂、NO_X檢測儀的上方，法蘭式安裝，直通式探頭管插入煙囪內30cm，前開口端有護管以提高粉塵等污染物的物理分離效果，位于爐墻外的加熱過濾器過濾粉塵，程控脈沖反吹掃保障過濾器連續取樣不堵塞，壓縮空氣儲氣罐和耐高溫電磁閥組也在探頭保護箱內，所以稱為整體式取樣探頭。從探頭出來的干凈樣氣直接送入加熱保溫的測量氣室進行“高溫”檢測，小型氣動采樣泵位于測量氣室之后，混合后的廢氣排向安全位置。

本探頭的設計目標是維護周期爭取達到一年。如此信心來源于凌卡公司今年新研發的獨家專有基礎核心技術：具有納米疏水特性的SiC超微孔高效過濾器，過濾精度（僅此一級）達到0.3μm 、99%；φ42xφ18x130mm規格的氣流阻力，出人意料地小致120 Pa（樣氣流量1 L/min）；徹底的疏水特性，令人驚異：過濾器在水中浸泡24h后，立即通氣試驗，不但使用正常，氣流阻力還沒有任何變化。由于疏水、疏油的“油水雙疏”納米特性，能抗污染，加強了反吹掃防堵塞的效果，燒重油項目煤焦油污染的擔心將減輕許多。另外加熱反吹掃防堵塞技術是已經成功使用20多年的非常成熟的技術。取樣探頭的自限溫加熱器也提高了安全性和分析系統的可靠性。