在線分析樣氣處理的原位處理法

金義忠 鄧發(fā)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(tǒng)直接抽取法樣氣處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)和局限，原位安裝法是項(xiàng)值得肯定的技術(shù)進(jìn)步。但是工程應(yīng)用實(shí)踐證明，它仍然存在維護(hù)周期短，維護(hù)困難和維護(hù)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(shù)路線，試圖保持兩者的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又克服兩者的不足，也就是同時(shí)把制造成本和維護(hù)成本都降下來(lái)。依靠技術(shù)創(chuàng)新，我們正在接近這個(gè)理想目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 在線分析 樣氣處理系統(tǒng) 直接抽取法 原位安裝法 原位處理法 少維護(hù) 維護(hù)成本

1 在線分析對(duì)樣氣處理系統(tǒng)的要求

“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)”。^[1] 在線氣體分析之所以成為普遍的現(xiàn)實(shí)，是因?yàn)橐延斜容^成熟的樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)，能將樣氣處理成接近標(biāo)準(zhǔn)氣般的高品質(zhì)，以滿足在線分析器的苛刻要求。

老一輩國(guó)際儀器儀表工程技術(shù)專家朱良漪教授早在1997年首屆過(guò)程分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇的主旨報(bào)告“過(guò)程分析儀器的發(fā)展”中，曾精辟總結(jié)“制約過(guò)程分析儀器發(fā)展的癥結(jié)是：1、過(guò)程分析的取樣與預(yù)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(zhǎng)期使用的可靠性。”^[2] 他在2007年第二屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇的主旨報(bào)告“21世紀(jì)的前沿技術(shù)‘分析技術(shù)’與‘自動(dòng)化’的系統(tǒng)集成”中，再次精辟總結(jié)在線分析工程技術(shù)的“難點(diǎn)和閃點(diǎn)：取樣系統(tǒng)、可靠性、少維護(hù)、軟件技術(shù)。”^[3]

在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用的成功，也就是在線分析器的應(yīng)用成功，絕對(duì)依賴樣氣處理系統(tǒng)的少維護(hù)和可靠性。

2 直接抽取法樣氣處理系統(tǒng)的回顧

技術(shù)上比較成熟的直接抽取法樣氣處理系統(tǒng)在我國(guó)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(fù)壓型，以采用抽氣泵抽取樣氣為標(biāo)志。樣氣經(jīng)取樣系統(tǒng)（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(jìn)行降溫、降壓、除塵、除濕、冷凝液排放，流量調(diào)節(jié)與顯示、氣路切換、報(bào)警控制等一系列針對(duì)性很強(qiáng)的樣氣處理。

直接抽取法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)上比較成熟，樣氣處理很到位，基本上能夠達(dá)到接近標(biāo)準(zhǔn)氣般的高品質(zhì)，能夠滿足在線分析器的苛刻要求，保障在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用的成功。

直接抽取法的缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：技術(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造成本高，安裝和使用維護(hù)都有諸多困難，新產(chǎn)生的一些“共生信息”會(huì)降低檢測(cè)準(zhǔn)確度，例如CEMS系統(tǒng)采用電子冷凝器，SO₂ 會(huì)從冷凝水中流失掉3～5%，僅此一項(xiàng)SO₂的檢測(cè)信號(hào)就新增一項(xiàng) 3～5% 的負(fù)向誤差。樣氣傳輸管路可能長(zhǎng)達(dá)20m甚至30m以上，保障滯后時(shí)間小于60s有時(shí)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(shí)誕生，雖然時(shí)間不大長(zhǎng)，因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)很能吸引業(yè)界關(guān)注，志在做大做強(qiáng)的聚光科技（杭州）有限公司是應(yīng)用原位安裝法的先驅(qū)。

原位安裝法（即現(xiàn)場(chǎng)安裝法）實(shí)際上并不存在樣氣處理系統(tǒng)。不管是相對(duì)安裝的發(fā)射單元和吸收單元，或是用法蘭安裝方法將測(cè)量氣室直接插入工藝管道（如煙囪）中，傳統(tǒng)概念的樣氣處理系統(tǒng)都是不存在的，直插式整體氧化鋯氧分析器也當(dāng)屬此列。原位安裝法的優(yōu)點(diǎn)似乎不言自明：省去了全套樣氣處理系統(tǒng)，制造成本大大降低，使用也簡(jiǎn)單了，供需雙方都樂(lè)于接受這個(gè)良好的“愿景”。

工程應(yīng)用的優(yōu)劣與成敗最終最公正的裁判仍然是時(shí)間和實(shí)踐。原位安裝法在在線分析專業(yè)領(lǐng)域，面對(duì)長(zhǎng)期（長(zhǎng)期：指數(shù)年以上的穩(wěn)定工作時(shí)間）連續(xù)使用的現(xiàn)實(shí)，處于高水份、高粉塵、強(qiáng)腐蝕、高污染、負(fù)壓力的樣氣條件。測(cè)量氣室在煙囪內(nèi)被污染只是個(gè)不太長(zhǎng)的時(shí)間問(wèn)題，任何良好的愿望都改變不了。工程實(shí)踐表明：大約1～2個(gè)月就需要維護(hù)和處理測(cè)量氣室，在此處理之前，分析器的飄移和準(zhǔn)確性也是很難令人完全放心的。維護(hù)帶安裝法蘭的測(cè)量氣室并不容易：位置在煙囪高位，測(cè)量氣室組合件很長(zhǎng)很大很重，一兩個(gè)人還很難對(duì)付。由此產(chǎn)生的問(wèn)題并不小，也并不樂(lè)觀：原位安裝法的維護(hù)周期短，維護(hù)難度大，維護(hù)成本高。多次艱難的維護(hù)之后，說(shuō)不定就是棄之不用，后果似乎也很?chē)?yán)重。有的連年虧損，專業(yè)作CEMS系統(tǒng)的環(huán)保公司竟然把虧損責(zé)任算在“維護(hù)”頭上。

原位安裝法面臨革新和完善技術(shù)的艱巨任務(wù)，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(shù)的局限，就是技術(shù)進(jìn)步。

在線分析系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，降低制造成本是主流方向之一。直接抽取法依靠復(fù)雜的匹配和組合設(shè)計(jì)，以及自動(dòng)化技術(shù)，既能滿足在線分析的要求，維護(hù)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(duì)難和原位安裝法比拼。原位安裝法（即現(xiàn)場(chǎng)安裝法）如一些直插式分析器，雖然成本降得很到位，但維護(hù)周期短，維護(hù)量大，維護(hù)困難，維護(hù)成本很高，還可能威脅到可靠性和檢測(cè)準(zhǔn)確度，這種違背在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用宗旨的現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)就值得認(rèn)真反思了。

“中庸”之道是中國(guó)傳統(tǒng)文化的一大特點(diǎn)，在線分析的取樣技術(shù)可借助“中庸”的文化概念，并轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)概念，順應(yīng)工程應(yīng)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?yàn)闃託獠幌蜻h(yuǎn)處控制室的分析儀器柜傳輸，并不在樣氣處理系統(tǒng)后級(jí)進(jìn)行復(fù)雜的處理；它也不同于經(jīng)典的原位安裝法，因?yàn)榉治銎鞯臏y(cè)量氣室不在易受?chē)?yán)重污染威脅的煙囪內(nèi)。

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

4.2 原位處理法已有先例

英國(guó)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(jié)構(gòu)，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(gè)簡(jiǎn)化的取樣探頭，插入煙囪的探頭管前端有個(gè)不太大的陶瓷過(guò)濾器，過(guò)濾精度是3μm，可看作是內(nèi)過(guò)濾器取樣探頭。探頭的爐墻外部分內(nèi)置氧化鋯傳感器，一個(gè)微型氣動(dòng)采樣泵將樣氣抽出并先流經(jīng)傳感器，混合廢氣再返回?zé)煹馈嚎s空氣對(duì)內(nèi)過(guò)濾器實(shí)施反吹，以保障連續(xù)取樣不堵塞。

仕富梅公司該型氧分析器的“原位處理法”技術(shù)特征很鮮明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也小巧周到，應(yīng)該是成功的設(shè)計(jì)。但是過(guò)濾器的過(guò)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(guò)濾器的實(shí)際效果也會(huì)打折扣。如果把使用和維護(hù)周期放長(zhǎng)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(hù)，還是令人有些擔(dān)心的。

另外，如果過(guò)濾器所處樣氣環(huán)境低于100℃的低溫狀態(tài)，可能難以保障過(guò)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(fā)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(tǒng)的紫外差分光譜SO₂、NO_X 檢測(cè)儀配套。

106型取樣探頭安裝在煙囪高位的SO₂、NO_X 檢測(cè)儀的上方，法蘭式安裝，直通式探頭管插入煙囪內(nèi)30cm，前開(kāi)口端有護(hù)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(guò)濾器過(guò)濾粉塵，程控脈沖反吹掃保障過(guò)濾器連續(xù)取樣不堵塞，壓縮空氣儲(chǔ)氣罐和耐高溫電磁閥組也在探頭保護(hù)箱內(nèi)，所以稱為整體式取樣探頭。從探頭出來(lái)的干凈樣氣直接送入加熱保溫的測(cè)量氣室進(jìn)行“高溫”檢測(cè)，小型氣動(dòng)采樣泵位于測(cè)量氣室之后，混合后的廢氣排向安全位置。

本探頭的設(shè)計(jì)目標(biāo)是維護(hù)周期爭(zhēng)取達(dá)到一年。如此信心來(lái)源于凌卡公司今年新研發(fā)的獨(dú)家專有基礎(chǔ)核心技術(shù)：具有納米疏水特性的SiC超微孔高效過(guò)濾器，過(guò)濾精度（僅此一級(jí)）達(dá)到0.3μm 、99%；φ42xφ18x130mm規(guī)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(guò)濾器在水中浸泡24h后，立即通氣試驗(yàn)，不但使用正常，氣流阻力還沒(méi)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(qiáng)了反吹掃防堵塞的效果，燒重油項(xiàng)目煤焦油污染的擔(dān)心將減輕許多。另外加熱反吹掃防堵塞技術(shù)是已經(jīng)成功使用20多年的非常成熟的技術(shù)。取樣探頭的自限溫加熱器也提高了安全性和分析系統(tǒng)的可靠性。

LKP-106型原位處理法整體取樣探頭已進(jìn)入工程應(yīng)用考核。

5 結(jié)束語(yǔ)

原位處理法是2009年新提出來(lái)的技術(shù)概念，“看上去很美”，到底工程應(yīng)用的實(shí)際效果如何，只能由工程應(yīng)用得出令人信服的結(jié)論。我們應(yīng)該始終不渝地堅(jiān)持“有效改進(jìn)，持續(xù)創(chuàng)新”的技術(shù)理念，就不會(huì)在現(xiàn)實(shí)的嚴(yán)重困難面前無(wú)所作為。

參考文獻(xiàn)

1、 金義忠，在線分析儀器樣品處理系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，第二屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇 論文集，2007：210-216

2、 朱良漪，過(guò)程分析儀器的發(fā)展，首屆過(guò)程分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇 論文集，1997：17-23

3、 朱良漪，21世紀(jì)的前沿技術(shù)“分析技術(shù)”與“自動(dòng)化”的系統(tǒng)集成，第二屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇 論文集， 2007：4-6