過(guò)程分析器樣品處理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
摘 要：以21世紀(jì)前沿技術(shù)的視野來(lái)審視過(guò)程分析器的樣品處理系統(tǒng)技術(shù)，樣品處理系統(tǒng)技術(shù)是過(guò)程分析儀器工程應(yīng)用系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱過(guò)程分析系統(tǒng)）的核心和關(guān)鍵技術(shù)，確立這一技術(shù)觀念意義深遠(yuǎn)，將對(duì)過(guò)程分析系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，產(chǎn)生極大的激勵(lì)和促進(jìn)作用。本文對(duì)樣氣處理系統(tǒng)的體系、樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的針對(duì)性設(shè)計(jì)，工業(yè)爐窯、化工領(lǐng)域過(guò)程分析系統(tǒng)的工程應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)綜述，肯定了當(dāng)前研發(fā)樣品處理系統(tǒng)技術(shù)的最新努力及最新進(jìn)展。
關(guān)鍵詞：樣品處理系統(tǒng)技術(shù) 過(guò)程分析儀 過(guò)程分析系統(tǒng) 樣品處理部件
1 樣氣處理系統(tǒng)在過(guò)程分析系統(tǒng)中的地位
樣品處理系統(tǒng)如果只限于過(guò)程氣體分析系統(tǒng)領(lǐng)域，就該稱為樣氣處理系統(tǒng)。
在過(guò)程分析工程技術(shù)行業(yè)內(nèi)，本文所述的樣氣處理系統(tǒng)，過(guò)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，好像只是過(guò)程分析儀的附加部分，并未受到應(yīng)有的重視。
GB/T 19768—2005《過(guò)程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，最高售價(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)過(guò)程分析系統(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：過(guò)程分析面對(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)是過(guò)程分析系統(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 過(guò)程分析儀工程應(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)各分析儀器專業(yè)廠的過(guò)程分析儀器幾乎全是以單機(jī)銷售的形式投放市場(chǎng)，而德國(guó)H&B公司的過(guò)程分析器卻大約有三分之二是以過(guò)程分析系統(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。
以川儀的紅外等三項(xiàng)技術(shù)引進(jìn)為契機(jī)，同時(shí)從H&B公司引進(jìn)了過(guò)程分析系統(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)了一次過(guò)程分析儀工程應(yīng)用先驅(qū)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。
2.2 過(guò)程分析器工程應(yīng)用的癥結(jié)和最佳途徑
過(guò)程分析器的長(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)。過(guò)程分析系統(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，都完全依賴樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的針對(duì)性設(shè)計(jì)。
根據(jù)每項(xiàng)過(guò)程分析系統(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)的專用型過(guò)程分析系統(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)過(guò)程分析系統(tǒng)，并承擔(dān)全過(guò)程技術(shù)服務(wù)。
對(duì)于完善的過(guò)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。過(guò)程分析器對(duì)樣氣處理系統(tǒng)的這種絕對(duì)依賴，使過(guò)程分析器以過(guò)程分析系統(tǒng)形式供貨既是過(guò)程分析工程技術(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(guò)程氣體分析面對(duì)的最大困難：
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 ；
保證必要的檢查準(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過(guò)程分析器連續(xù)、穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，我見(jiàn)過(guò)某石化企業(yè)使用超過(guò)25年的紅外分析器。
干法樣氣處理技術(shù)已成為絕對(duì)的主流技術(shù)。當(dāng)然濕法樣氣處理技術(shù)也并未完全淘汰，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)的體系性特征
過(guò)程分析系統(tǒng)如果去掉過(guò)程分析儀和某些應(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)最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)性極強(qiáng)的探頭，最常用的是低于650℃的中溫探頭。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，常采用拌熱保溫技術(shù)（120℃），拌熱方式以自控溫電拌熱帶較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
4.3 過(guò)濾器 過(guò)濾器就其用途來(lái)說(shuō)，以下三類較有代表性：一是探頭過(guò)濾器，在取樣點(diǎn)就地過(guò)濾粉塵，避免在其后產(chǎn)生粉塵沉淀和堵塞的危險(xiǎn)，目前的先進(jìn)水平是0.3μｍ，已達(dá)到“微濾”的標(biāo)準(zhǔn)。二是后級(jí)高精度膜式過(guò)濾器，以保護(hù)分析器為主要目的，目前的先進(jìn)水平是0.1μｍ。三是分析器內(nèi)部的微型過(guò)濾器，以過(guò)程分析器的自保護(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)，效果最好，成本最高；
半導(dǎo)體制冷樣氣冷凝器，入口樣氣溫度一般只能是40℃；
渦流致冷樣氣冷凝器，能使樣氣溫度降低30℃以上，最大的優(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)目專用型（如乙烯裂解）的氣液分離是技術(shù)含量很高的綜合技術(shù)；
最簡(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(guò)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”最被看重。
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。
14.13 樣氣尾氣和冷凝液的集管式安全排放
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)壓型過(guò)程分析系統(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＜1400℃
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(guò)濾技術(shù) 0.3μｍ 99%；
適用樣氣溫度 ≤1400℃ ；
控溫封閉循環(huán)水冷卻 （出水溫度＜85℃）；
恒溫180±3℃加熱過(guò)濾器，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 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)。它是過(guò)程分析系統(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)然過(guò)程分析器也要嚴(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 防爆分析小屋是過(guò)程分析系統(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
過(guò)程分析儀，特別是國(guó)外公司的過(guò)程分析儀近幾年出現(xiàn)高速發(fā)展與進(jìn)步，如：19″標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的六組分過(guò)程分析器。由于節(jié)能、環(huán)保、資源和高新技術(shù)的國(guó)家長(zhǎng)期產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，使國(guó)內(nèi)過(guò)程分析系統(tǒng)顯現(xiàn)高速膨脹的、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?/p>
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)域的國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。
· 沖擊樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的制高點(diǎn)：川儀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。還有其他公司也在開展高溫探頭的研發(fā)。
· 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)，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，重慶特瑞爾分析儀器有限公司推出以專利技術(shù)支撐的精小型樣氣處理部件。
· 樣氣處理系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的大面積提高尚需時(shí)日：如探頭過(guò)濾器和后級(jí)過(guò)濾器已經(jīng)達(dá)到0.3μｍ 99%和0.1μｍ 99%（單級(jí)）的先進(jìn)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）；
高效樣氣處理部件（如高效率水冷卻分離器）；
自潔式免維護(hù)樣氣處理部件（如旋風(fēng)自潔式過(guò)濾器）；
安全性高的樣氣處理部件（如可拆式安全維護(hù)化工取樣探頭）；
新原理的樣氣處理部件（如高精度自潔式粉塵、液霧聚合膜過(guò)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)已在開展研究；
開始出現(xiàn)專業(yè)化的樣氣處理部件開發(fā)公司和營(yíng)銷網(wǎng)站。
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