【知識】氣體分析系統中的氣體預處理系統知識匯總

1   樣氣處理系統在在線分析系統中的地位

      樣品處理系統如果只限于在線氣體分析系統領域，就該稱為樣氣處理系統｛sample  (gas) handing system｝。

      在在線分析工程技術行業內，本文所述的樣氣處理系統，過去卻一直叫取樣預處理系統、或預處理系統、樣氣預處理系統、取樣及預處理單元等。由于長期帶著“預”字，好像只是在線分析器微不足道的附庸部分，遠未受到應有的重視，這種毫無理性的“技術歧視”，嚴重阻礙了它的健康發展。

      GB/T 19768—2005《在線分析器試樣處理系統性能表示》的國家標準，其實更早的JB/T 6854—1993的機械部標準，早就取消了預處理系統之前的“預”字，從中必然引申出最重要的核心技術概念和名詞術語：樣氣處理系統和樣氣處理部件。請注意，技術概念及其規范使用也是技術。令人遺憾的是，長期以來并未得到專業人士的起碼關注和認可，照樣說“取樣預處理裝置”，將樣氣處理部件叫做“功能部件”。

      本文著力闡述的樣氣處理系統技術，在在線分析工程應用中自身有相對“獨立性”、嚴密性、體系性、以及比較嚴格的規范性，怎么肯定都不為過。PLC可編程序控制器的自控功能及其軟件就是一個證明。德國H&B公司的60S型干法高溫取樣探頭系統在中國市場單獨銷售有數十套之多，曾經的最高售價是135萬元，算是另一個頗具說服力的證明。

      為了推進在線分析工程技術的發展，我們應該信仰和堅持一種全新的“顛覆性”技術觀念：在線分析面對諸多十分艱巨復雜的技術難題，“樣氣處理系統技術是在線分析系統的核心和關鍵技術”，我們期待樣氣處理系統技術從此走上全面提升和健康發展的軌道。

2   在線分析器工程應用對樣氣處理系統技術的依賴和苛刻要求

     2.1     1985年以前，國內各分析儀器專業廠的在線分析器，幾乎全是以單機銷售的形式投放市場，而當時德國H&B公司的在線分析器卻大約有三分之二是以在線分析系統（包括分析小屋）的形式投放市場，那時我國的樣氣處理系統有個“預”字并不冤。

      川分以紅外等三項技術引進為契機，同時從H&B公司延申引進了在線分析系統的工程應用技術，并兩次培訓系統設計和工程應用的專業人才，使川分無意中充當了一次在線分析器工程應用先驅的角色，設計水平、應用水平、生產規模都有長足進步。

2.2     在線分析器工程應用的癥結和最佳途徑

      在線分析器的長期連續、適時的檢測分析，必然需要連續取樣和嚴格的樣氣處理技術，要求樣氣不失真和快速傳輸，樣氣進入分析器時，要求達到近于標準氣的高品質，例如粉塵含量 ＜0.3um＜10ug/m3，可惜這一不可讓步的控制標準，國內外的一些知名專業廠都未能達到。在線分析系統長期連續運行的可靠性和安全性，以及近于免維護的易維護性，這種對工程應用的完整性保障，完全依賴于樣氣處理系統技術規范的專業化、針對性設計。

      根據每項在線分析系統的現場應用條件和取樣條件，要采用規范的專業化，針對性設計的專用型在線分析系統，由具有長期工程實踐經驗的專業制造商生產這些高品質的在線分析系統，并承擔全過程技術服務。這種專用型的在線分析系統必然有也必須有作為核心和關鍵技術的樣氣處理系統。

      對于完善的在線氣體分析，起決定作用的是使樣氣處理系統與千差萬別的生產工藝條件和環境應用條件匹配得當、組合完善，能連續穩定、準確可靠、近于免維護地協調運行。在線分析器對樣氣處理系統的這種絕對依賴，也就是對整個系統和工藝過程的絕對相關性，在線分析器正在（或已經）被在線分析系統突破和超越，使在線分析器以在線分析系統形式走向工程應用成為在線分析工程技術發展的必然趨勢，無論國內還是國外都已經是不可逆轉的技術發展主流。

3    樣氣處理系統技術的最新定義

    樣氣處理系統技術，從技術邏輯分析，應該由樣氣處理系統和樣氣處理技術組成，前者是硬件技術，后者是軟件技術。

    樣氣處理系統技術：sample  (gas )  handing  engineering

    樣氣處理系統：sample  (gas)  handing  sistem

    樣氣處理部件：sample  (gae )  handing  component

    樣氣處理：sampl  (gas)  handing

    在線分析工程技術：on-line  analysis  engineering

    樣氣處理系統的最新定義：通過針對在線分析器工程應用條件和樣氣條件的規范的專業化設計，所實現的樣氣處理部件與在線分析器之間的合理匹配、完善組合，而且能連續穩定、準備可靠、近于免維護地協調運行，能勝任一臺或多臺在線分析器工程應用嚴格要求的完整體系性樣氣處理部件的總和。簡言之，樣氣處理系統能將分析器與取樣點、排放點以及公共設施很妥善地連接起來。

     樣氣處理系統技術的最新定義：樣氣處理系統規范的專業化、針對性設計技術和專業性工程應用及維護技術緊密結合的高度綜合性技術，它也應理解成包括硬件技術和軟件技術。

     在線分析工程技術的新定義：在線分析器和樣氣處理系統技術集成為在線分析系統，并成功實現在線分析工程應用的全部硬件技術、軟件技術以及專業技術概念等緊密結合的高度綜合性技術。

4   復雜的樣氣條件和干法樣氣處理技術

4.1  復雜的樣氣條件是在線氣體分析面對的最大困難：

    高溫（最高1400℃）或低溫、高粉塵（最高≤2000g/m3）、高水分（最高 12000ppm以上）或液霧、高壓（最高大于50MPa）或負壓、腐蝕性和爆炸性危險等；

    較高的自動化程度，少維護甚至近于免維護的應用要求；

防塵及防水、防腐蝕、防爆炸等方面極為苛刻的防護及安全要求；

較快的反應速度，系統總滯后時間一般要求＜60s ；

保證必要的檢測準確度等。

以上高難度的應用要求被朱老高度概括為“取樣系統、可靠性、少維護、軟件技術”。

4.2  干法樣氣處理技術的必要性

      干法樣氣處理技術有利于有效保持樣氣的真實性，即樣氣不失真，進而確實保證必要的檢測準確度。

      干法樣氣處理技術能使樣氣干燥、潔凈，即經過高效率的“除塵”和“除水”，達到近于標準氣的高品質，同時使可能發生的腐蝕性也大為降低。所有這些都有利于保證在線分析器連續穩定、準確可靠、少維護地協調運行，并延長其使用壽命，見過某石化企業使用超過20年的紅外分析器，也見過連續使用15年以上的樣氣處理系統。工程實踐表明：在線分析系統在工程應用中達到15年的壽命同期不但非常必要而且也可能。

      干法樣氣處理技術已成為絕對的主流技術。當然濕法樣氣處理技術也并未被完全淘汰，如焦爐煤氣O2分析系統，以濕法對付焦油更為有效。

5   樣氣處理系統技術的體系性特征

      在線分析系統如果去掉在線分析器和某些應用保障條件部分、公共工程部分，就是樣氣處理系統，體系性地簡述樣氣處理系統如下：

5.1  采樣探頭  

     通常稱為取樣探頭，是樣氣處理系統最重要和最關鍵的樣氣處理部件，根據不同工業生產過程差別甚大的的取樣條件，就一定有不同的針對性極強的采樣探頭，最常用的是低于650℃ 的中溫通用型采樣探頭。采樣探頭還應包括壓縮空氣加熱（180℃）反吹單元及其程控反吹技術。反吹單元的設計一定要符合流體力學的要求，這是保障反吹效果非常關鍵的設計技術。

     采樣探頭能實現對工業生產過程工藝樣氣的連續采樣，是在不改變工藝氣體典型化學組分特征，即保持樣氣真實性的前提下完成樣氣從工藝氣流中的分離。

     采樣探頭從實用出發來認識，應該稱為采樣探頭系統更為準確。采樣時技術性地實現物理分離非常重要。

5.2  樣氣輸送管線

     通常采用Φ6×1不銹鋼管，為避免發生冷凝，常采用伴熱保溫技術（≥120℃），伴熱方式以自控溫電伴熱帶較為經濟實用。如果采用大于Φ6×1的傳輸管道，會使系統在技術上很必要的反應速度超過規范的要求，即達不到＜60s的要求。認為管道粗或壓力高就能反應速度快，是個違背理論根據的很粗心低級錯誤。

5.3  過濾器 

     過濾器就其用途來說，以下三類較有代表性：

一是探頭過濾器，在取樣點就地過濾粉塵，避免在其后產生粉塵沉淀和堵塞的危險，目前的先進水平是0.3uｍ 99％。

二是后級高精度膜式過濾器，以保護分析器為主要目的，目前的先進水平是0.05uｍ 99％。

三是分析器內部的微型過濾器，以在線分析器的自保護為目的，它并不屬于樣氣處理系統，一般做得比較小巧。

5.4  樣氣冷凝器  

     使樣氣冷凝至低露點（例如+2℃左右），以干燥樣氣為目的。

壓縮機式樣氣冷凝器：能使樣氣由140℃冷至+2℃露點，效果最好，但成本也較高；

半導體制冷樣氣冷凝器，入口樣氣溫度一般只能允許45℃；

渦流致冷樣氣冷凝器，能使樣氣溫度降低25℃以上，最大的優勢是使用壓縮空氣，屬本安防爆類型；

使用水源的樣氣冷卻器（即熱交換器）也有不少應用。結構簡單的樣氣冷卻管可作為是有益的補充手段。

5.5  采樣泵

     通常稱為抽氣泵，樣氣壓力為負壓或微正壓時，也能借助采樣泵的抽吸驅動，為分析器提供規定的樣氣流量，隔膜式抽氣泵用得較多。另外，常用蠕動泵來排放冷凝液，既不受抽氣泵抽及負壓的限制，也能在與樣氣主氣路隔離的狀態下連續排放冷凝液。

5.6  氣液分離器  

     氣液分離常是十分棘手的技術難題

旋風自潔式分離器  對分離＞5μｍ粉塵和液霧較為有效，可能相當于70μｍ粒度以上粉塵的重力分離；

凝結式分離器適用于對付更小粒度的微小液霧，旋風凝結分離過濾器在正壓型分析系統中大有用武之地。

特定項目專用型（如乙烯裂解）的氣液分離是技術含量很高的綜合技術；

5.7  樣氣流量測量及控制

     樣氣流量一般用球形轉子流量計，流量控制用針形閥調節，在線分析器要求的流量一般是30-60l/h。切換和關斷氣路要采用各種閥件，以五通切換閥最被看重。

5.8  樣氣壓力測量與調節

      高壓樣氣的減壓、穩壓與調節是項困難任務，各種閥的原理及規格的選擇也很有專業性。

      高壓樣氣在取樣點根部閥處就地減壓很有必要，以避免降低反應速度，有利于保障后級樣氣處理器部分的安全。

5.9  部件材料的正確選用

     以O型密封圈選材為例：連續使用溫度的高低依次為，氟橡膠包覆聚四氟乙烯（260℃）、氟橡膠（180℃）、硅橡膠（200℃）、丁晴橡膠（100℃）。以上不但是長期使用溫度的順序，也是耐化學物質影響以及抗老化，使用壽命長短的順序。非金屬類型的O型密封卷最高使用溫度是327℃，是杜幫公司的全氟彈性O形密封圈Kalrez，其200多元的單價令人止步。

5.10  設備外殼及防護

     一般采用的機柜稱為儀表盤，組裝后稱為分析（儀器）柜；

     人可以進入的機柜稱為分析小屋；

     機柜對粉塵、水的防護等級以IPXX表示；

     機柜對可燃性氣體和蒸汽的防爆等級。如 dⅡCT4  dⅡBT6等。

5.11  機柜的氣候調節

     機柜的氣候調節可分為降溫、加熱、換氣等三個大的方面。

5.12  自控單元

     樣氣處理系統的連續、穩定、近于免維護的運行，以及各種報警，都離不開PLC可編程序控制器為核心的自控單元。

5.13  標準物質即標準氣

      是在線分析器的計量標準，現在已采用99.999%的高純氮作為零點氣。

     和其他專業顯著不同，標準氣并不是想象的那樣“標準”，常量標準氣的準確度＜0.5%，而微量標準氣的準確度只能達到2%。

5.14  快速回路設計

    提高分析系統的反應速度。

5.15  尾氣和冷凝液的安全排放。

5.16  數據處理及遠程傳輸。

5.17  工程現場安裝的施工設計。