1 样气处理系统在在线分析系统中的地位
样品处理系统如果只限于在线气体分析系统领域,就该称为样气处理系统{sample (gas) handing system}。
在在线分析工程技术行业内,本文所述的样气处理系统,过去却一直叫取样预处理系统、或预处理系统、样气预处理系统、取样及预处理单元等。由于长期带着“预”字,好像只是在线分析器微不足道的附庸部分,远未受到应有的重视,这种毫无理性的“技术歧视”,严重阻碍了它的健康发展。
GB/T 19768—2005《在线分析器试样处理系统性能表示》的国家标准,其实更早的JB/T 6854—1993的机械部标准,早就取消了预处理系统之前的“预”字,从中必然引申出最重要的核心技术概念和名词术语:样气处理系统和样气处理部件。请注意,技术概念及其规范使用也是技术。令人遗憾的是,长期以来并未得到专业人士的起码关注和认可,照样说“取样预处理装置”,将样气处理部件叫做“功能部件”。
本文着力阐述的样气处理系统技术,在在线分析工程应用中自身有相对“独立性”、严密性、体系性、以及比较严格的规范性,怎么肯定都不为过。PLC可编程序控制器的自控功能及其软件就是一个证明。德国H&B公司的60S型干法高温取样探头系统在中国市场单独销售有数十套之多,曾经的最高售价是135万元,算是另一个颇具说服力的证明。
为了推进在线分析工程技术的发展,我们应该信仰和坚持一种全新的“颠覆性”技术观念:在线分析面对诸多十分艰巨复杂的技术难题,“样气处理系统技术是在线分析系统的核心和关键技术”,我们期待样气处理系统技术从此走上全面提升和健康发展的轨道。
2 在线分析器工程应用对样气处理系统技术的依赖和苛刻要求
2.1 1985年以前,国内各分析仪器专业厂的在线分析器,几乎全是以单机销售的形式投放市场,而 当时德国H&B公司的在线分析器却大约有三分之二是以在线分析系统(包括分析小屋)的形式投放市场,那时我国的样气处理系统有个“预”字并不冤。
川分以红外等三项技术引进为契机,同时从H&B公司延申引进了在线分析系统的工程应用技术,并两次培训系统设计和工程应用的专业人才,使川分无意中充当了一次在线分析器工程应用先驱的角色,设计水平、应用水平、生产规模都有长足进步。
2.2 在线分析器工程应用的症结和最佳途径
在线分析器的长期连续、适时的检测分析,必然需要连续取样和严格的样气处理技术,要求样气不失真和快速传输,样气进入分析器时,要求达到近于标准气的高品质,例如粉尘含量 <0.3um<10ug/m3,可惜这一不可让步的控制标准,国内外的一些知名专业厂都未能达到。在线分析系统长期连续运行的可靠性和安全性,以及近于免维护的易维护性,这种对工程应用的完整性保障,完全依赖于样气处理系统技术规范的专业化、针对性设计。
根据每项在线分析系统的现场应用条件和取样条件,要采用规范的专业化,针对性设计的专用型在线分析系统,由具有长期工程实践经验的专业制造商生产这些高品质的在线分析系统,并承担全过程技术服务。这种专用型的在线分析系统必然有也必须有作为核心和关键技术的样气处理系统。
对于完善的在线气体分析,起决定作用的是使样气处理系统与千差万别的生产工艺条件和环境应用条件匹配得当、组合完善,能连续稳定、准确可靠、近于免维护地协调运行。在线分析器对样气处理系统的这种绝对依赖,也就是对整个系统和工艺过程的绝对相关性,在线分析器正在(或已经)被在线分析系统突破和超越,使在线分析器以在线分析系统形式走向工程应用成为在线分析工程技术发展的必然趋势,无论国内还是国外都已经是不可逆转的技术发展主流。
3 样气处理系统技术的最新定义
样气处理系统技术,从技术逻辑分析,应该由样气处理系统和样气处理技术组成,前者是硬件技术,后者是软件技术。
样气处理系统技术:sample (gas ) handing engineering
样气处理系统:sample (gas) handing sistem
样气处理部件:sample (gae ) handing component
样气处理:sampl (gas) handing
在线分析工程技术:on-line analysis engineering
样气处理系统的最新定义:通过针对在线分析器工程应用条件和样气条件的规范的专业化设计,所实现的样气处理部件与在线分析器之间的合理匹配、完善组合,而且能连续稳定、准备可靠、近于免维护地协调运行,能胜任一台或多台在线分析器工程应用严格要求的完整体系性样气处理部件的总和。简言之,样气处理系统能将分析器与取样点、排放点以及公共设施很妥善地连接起来。
样气处理系统技术的最新定义:样气处理系统规范的专业化、针对性设计技术和专业性工程应用及维护技术紧密结合的高度综合性技术,它也应理解成包括硬件技术和软件技术。
在线分析工程技术的新定义:在线分析器和样气处理系统技术集成为在线分析系统,并成功实现在线分析工程应用的全部硬件技术、软件技术以及专业技术概念等紧密结合的高度综合性技术。
4 复杂的样气条件和干法样气处理技术
4.1 复杂的样气条件是在线气体分析面对的最大困难:
高温(最高
较高的自动化程度,少维护甚至近于免维护的应用要求;
防尘及防水、防腐蚀、防爆炸等方面极为苛刻的防护及安全要求;
较快的反应速度,系统总滞后时间一般要求<60s ;
保证必要的检测准确度等。
以上高难度的应用要求被朱老高度概括为“取样系统、可靠性、少维护、软件技术”。
4.2 干法样气处理技术的必要性
干法样气处理技术有利于有效保持样气的真实性,即样气不失真,进而确实保证必要的检测准确度。
干法样气处理技术能使样气干燥、洁净,即经过高效率的“除尘”和“除水”,达到近于标准气的高品质,同时使可能发生的腐蚀性也大为降低。所有这些都有利于保证在线分析器连续稳定、准确可靠、少维护地协调运行,并延长其使用寿命,我见过某石化企业使用超过20年的红外分析器,也见过连续使用15年以上的样气处理系统。工程实践表明:在线分析系统在工程应用中达到15年的寿命同期不但非常必要而且也可能。
干法样气处理技术已成为绝对的主流技术。当然湿法样气处理技术也并未被完全淘汰,如焦炉煤气O2分析系统,以湿法对付焦油更为有效。
5 样气处理系统技术的体系性特征
在线分析系统如果去掉在线分析器和某些应用保障条件部分、公共工程部分,就是样气处理系统,体系性地简述样气处理系统如下:
5.1 采样探头
通常称为取样探头,是样气处理系统最重要和最关键的样气处理部件,根据不同工业生产过程差别甚大的的取样条件,就一定有不同的针对性极强的采样探头,最常用的是低于
采样探头能实现对工业生产过程工艺样气的连续采样,是在不改变工艺气体典型化学组分特征,即保持样气真实性的前提下完成样气从工艺气流中的分离。
采样探头从实用出发来认识,应该称为采样探头系统更为准确。采样时技术性地实现物理分离非常重要。
5.2 样气输送管线
通常采用Φ6×1不锈钢管,为避免发生冷凝,常采用伴热保温技术(≥
5.3 过滤器
过滤器就其用途来说,以下三类较有代表性:一是探头过滤器,在取样点就地过滤粉尘,避免在其后产生粉尘沉淀和堵塞的危险,目前的先进水平是0.3um 99%。二是后级高精度膜式过滤器,以保护分析器为主要目的,目前的先进水平是0.05um 99%。三是分析器内部的微型过滤器,以在线分析器的自保护为目的,它并不属于样气处理系统,一般做得比较小巧。
5.4 样气冷凝器
使样气冷凝至低露点(例如+
压缩机式样气冷凝器能使样气由
半导体制冷样气冷凝器,入口样气温度一般只能允许
涡流致冷样气冷凝器,能使样气温度降低
使用水源的样气冷却器(即热交换器)也有不少应用。结构简单的样气冷却管可作为是有益的补充手段。
5.5 采样泵
通常称为抽气泵,样气压力为负压或微正压时,也能借助采样泵的抽吸驱动,为分析器提供规定的样气流量,隔膜式抽气泵用得较多。另外,常用蠕动泵来排放冷凝液,既不受抽气泵抽及负压的限制,也能在与样气主气路隔离的状态下连续排放冷凝液。
5.6 气液分离器
气液分离常是十分棘手的技术难题
旋风自洁式分离器 对分离>5μm粉尘和液雾较为有效,可能相当于70μm粒度以上粉尘的重力分离;
凝结式分离器适用于对付更小粒度的微小液雾,旋风凝结分离过滤器在正压型分析系统中大有用武之地。
特定项目专用型(如乙烯裂解)的气液分离是技术含量很高的综合技术;
最简单的气液分离器仅是圆筒中加上一根管子;
采用具有纳米特性的先进膜元件过滤液雾的研究,使治理“除水”顽症有了突破性进展,重庆凌卡分析仪器有限公司已有“高效自吹洗综合过滤器”的实用新型专利产品投放市场。
5.7 样气流量测量及控制
样气流量一般用球形转子流量计,流量控制用针形阀调节,在线分析器要求的流量一般是30
5.8 样气压力测量与调节
高压样气的减压、稳压与调节是项困难任务,各种阀的原理及规格的选择也很有专业性。
高压样气在取样点根部阀处就地减压很有必要,以避免降低反应速度,有利于保障后级样气处理器部分的安全。
5.9 部件材料的正确选用
以O型密封圈选材为例:连续使用温度的高低依次为,氟橡胶包覆聚四氟乙烯(
5.10 设备外壳及防护
一般采用的机柜称为仪表盘,组装后称为分析(仪器)柜;
人可以进入的机柜称为分析小屋;
机柜对粉尘、水的防护等级以IPXX表示;
机柜对可燃性气体和蒸汽的防爆等级。如 dⅡCT4 dⅡBT6等。
5.11 机柜的气候调节
机柜的气候调节可分为降温、加热、换气等三个大的方面。
5.12 自控单元
样气处理系统的连续、稳定、近于免维护的运行,以及各种报警,都离不开PLC可编程序控制器为核心的自控单元。
5.13 标准物质即标准气,是在线分析器的计量标准,现在已采用99.999%的高纯氮作为零点气。
和其他专业显著不同,标准气并不是想象的那样“标准”,常量标准气的准确度<0.5%,而微量标准气的准确度只能达到2%。
5.14 快速回路设计
提高分析系统的反应速度。
5.15 尾气和冷凝液的安全排放。
5.16 数据处理及远程传输。
5.17 工程现场安装的施工设计。
6 水泥窑尾的干法高温取样探头系统
6.1 炉窑负压型样气处理系统
取样点压力是负压或微正压,只要压力不大于0.01MPa,往往都必须采用某种原理的抽气泵这一标志性样气处理部件,才能满足样气流量的规范要求,一般在30—
6.2 水泥窑尾的正常取样条件
以下两点对样气处理系统来说过于苛刻,但没有任何让步的可能:
样气温度 <
样气粉尘含量 <
6.3 干法高温探头的关键技术特性
高精度粉尘过滤技术 0.3um 99% , 气流阻力<6mmH2O;
适用样气温度 <
控温封闭循环水冷却 (出水温度<
过滤器加热
反吹周期,可按需要在现场设定或修改,最短时15min都有可能:
探头长度一般为
全面的自动控制和安全报警技术;
现场安装、投运技术。
6.4 LKP 101S 型干法高温探头系统(原理图)
6.5 干法高温取样探头系统
干法高温取样探头实际上是一套综合技术的复杂系统或成套设备或成套装置,称为高温探头系统才名符其实。它是在线分析系统的技术制高点之一。
7 防爆分析小屋
7.1 化工、石化领域使用的在线分析系统
化工类分析系统的样气基本都是正压力,并有严格的防爆要求,就该采用正压防爆型样气处理系统,当然在线分析器也要严格选择隔爆型的,样气处理部件也要采用防爆型的,分析机柜也要正确选用结构防爆型的。
7.2 防爆分析小屋
防爆级别dⅡCT4或dⅡBT6 。
· 多台分析器的防爆型在线分析系统,一般要采用防爆分析小屋。
· 规格:
· 结构:钢板结构,厚度
外墙为抛光磨砂不锈钢板,内墙是镀锌喷塑钢板(可选不锈钢),顶部为304SS;
外开门,防爆视窗、紧急逃生锁;
内置标准气瓶和载气瓶以及固定架;
整体排点接地保护;
地板为人字钢板,t=
全封闭安全集管排放系统,带阻火器的安全放空罩。
· 电器设备:防爆空调器(1.5P或其它规格)、防爆排风扇、防爆照明灯、防爆电源接线箱、防爆信号接线箱、防爆防腐蚀开关、防爆报警灯、防爆型CO报警器等。
· 技术特点:专业、规范的全封闭结构防爆系统。
· 采用防爆分析小屋的防爆型分析系统也是在线分析系统的技术制高点之一。
8 样气处理系统技术的发展趋势分析
8.1 样气处理系统技术发展的趋势
· “有效改进、持续创新”的理念非常适合于样气处理系统技术的发展,因为它利用信息的机制很开放,纠正错误的机制很灵活。例如成都倍诚分析技术开发公司的涡流致冷样气冷凝器已经改进了五次,到了第五代。这种持续改进经有了某种持续创新的特征。
· 冲击样气处理系统技术的制高点:国产的干法高温探头系统已连续多年主导国内市场。样气处理系统技术的另一制高点是防爆分析小屋,成都倍诚公司的AH(P)型防爆分析小屋当属国内领先水平。
· 小型化是技术发展总的内在规律之一:美国世伟洛克公司研发出如同糖葫芦串态势的“集成”式新型样气处理系统,总体积非常小,价格高昂,技术适应性也较窄,尚不具备推广条件。英国士富梅公司的氧化锆反吹气路为Φ2的焊接三通气路,氧化锆传感器比人的大手指头还小。
· 样气处理系统先进技术的大面积提高及推广应用尚需时日:如探头过滤器和后级过滤器虽然已经达到0.3um 99%和0.05um 99%(单级)的先进水平,而另一些公司,包括一些参与国内市场竞争的国外公司,却分别停留在2μm和0.5μm左右甚至更低档的原有保守水平。
· 系列化样气处理部件的研发也是在线分析系统的技术制高点之一,重庆凌卡公司创新研发开路正在冲击这一制高点。
8.2 样气处理系统技术创新研发的最新进展
· 组合式样气处理部件(如水洗分离器);
· 高效样气处理部件(如高效水冷却分离器);
· 自洁式免维护样气处理部件(高效自洁式综合过滤器,如旋风自洁式过滤器)。
· 安全性高的样气处理部件(如可拆式化工取样探头);
· 新原理的样气处理部件(如重庆凌卡公司高效自洁式综合过滤器的实用新型专利);
· 不使用样气电子冷凝器和蠕动泵等电驱动部件的本安型样气处理系统技术的研发(重庆凌卡公司已取得国家发明专利的受理通知书);
· 开始出现专业化的样气处理部件公司,不过其水平和规模都尚难满足工程应用的实际需要。
9 新型样气处理部件解析 (专利发明人重庆凌卡分析仪器有限公司金义忠等)
9.1 高效自吹洗综合过滤器
1〉 目前的各种过滤器均针对粉尘,对液雾不但无能为力,还常会因侵湿而发生堵塞,甚至损坏过滤薄膜,从而造成膜式过滤器失效。水份报警型膜式过滤器,就是迫不得已的被动选择。
2〉 具有纳米特性的先进膜元件有非常独特的性能,
过滤精度 ≥0.3um 可达99.99%以上
≥0.05um 也能达到99%
油雾过滤率 0.01% 以下(即99.99%以上不能通过)(水雾过滤率也该是这一技术数据)
如荷叶对于水般的疏水特性 聚合膜片根本不会被水浸湿,偶然遇水不会影响透气性。
聚合过滤膜的“除水”演示:600ml矿泉水细流缓慢冲淋该膜片后,膜片完好无损、无浸湿,只沾附些许残留细小水珠。因过滤器有自吹洗功能,这些细小水珠并无大碍。)
气流阻力 ≤7mmH2O (
有较好的抗张强度,不容易损坏。
3〉 新型高效自吹洗综合过滤器
既能过滤≥0.05μm的粉尘99% ,也能过滤≥0.05μm的液雾99% 。
过滤出的粉尘和液雾被自吹洗从而实现自清洁,然后由旁路流排出,维护量大为降低。还能使系统的反应速度加快。需要更换膜片时,不必拆开管路或其它部件,即所谓“在线维护”。
4〉 在线分析仪器样气 “除尘”的规范要求
高档在线分析器对样气的苛刻要求是 ≤0.3um, ≤10ug/m3。
如果要坚持新近提出的“在线分析系统要有15年寿命周期”的工程设计新观念,对样气“除尘”,即粉尘的过滤还会提出更严格的要求,例如可能是<0.2um,甚至再提高至<0.1um。
联合国世界卫生组织的空气粉尘污染控制标准是0.3~0.5 um、20ug/m3。因此可以作出如下技术判断:样气“除尘”的合格标准应该是优于0.3um 10ug/m3。精度达到0.05um 99%的高效综合过滤器有能力成为在线分析器可信赖的“保护神”。重庆凌卡公司申请实用新型专利的“高效自吹洗综合过滤器”,已经批量生产投放市场。
9.2 本安型样气处理系统
1〉 本安型样气处理系统的基本技术概念
组成样气处理系的所有部件都不使用220V AC交流电源作为驱动力,也就是说取样探头、冷凝器、抽气泵以及切换气路的阀件、排放样气冷凝水的全部部件都不使用22V AC电源。再加上样气处理系统气路密封性的精心设计,以及细心选择配材,这样的样气处理系从技术概念上来评审,可认为就是本质安全的。
2〉 重庆凌卡公司对本安型样气处理系统技术的原理及工程应用问题进行了较长时间的开发研究,已取得了国家发明专利的受理通知书。
10 样气处理系统技术的发展正进入新的发展时期
10.1 21世纪前沿技术国际论坛
就在这次论坛,提出了三个重要的核心技术观念:最重要的是朱良漪提出的“分析技术与自动化的系统集成是21世纪前沿技术”的学术思想。在线分析仪器专业委员会黄步余主任委员提出的“在线分析系统需要15年寿命周期”的工程设计新理念。其次是金义忠提出的“样气处理系统技术是在线分析系统的核心和关键技术”的专业技术新概念。
10.2 样气处理系统技术高速发展的强劲动力
样气处理系统和在线分析系统相伴而生,如影随形,两者高度关联,又相互促进。
1〉 开放的、持续稳定增长市场的强劲牵引
1995年,当在线分析系统第一个国家级新产品诞生的时候,全国总产值大约才4000万元左右。
2007年估计超过12亿元,2007年的同比增长率可能在40% 以上, 2008年主流厂家根据已经实现的上半年度高速发展势头判断,相对2007年的同比增长超过100%都有可能。
2〉 国家长期产业政策和科技政策的强劲牵引
“提高生产效率、节约能源和资源,防止、减少并积极治理污染,开辟可持续发展的新能源和新物质,保障人类和地球的健康” 〔3〕,这完全符合国家坚定不移地长期产业导向,2008年加强了贯彻和引导的力度,由此将铸就和诞生“永远的朝阳产业”。
3〉 中国对人类和地球健康的庄严承诺
我国政府去年在印尼巴厘岛国际会议的“京都议定书”上签了字,向国际社会庄严承诺节能减排、防治污染、保护环境等方面的全球性责任。
这一国际背景能很好解释今年在线分析仪器及在线分析系统销售特别火爆,政策支持力度特别大的本质原因。在线分析工程技术的社会发展环境的重大转折,来源于“保障人类和地球健康”的迫切需要。
4〉 在线分析工程技术应用及发展的强劲推动
在线分析器、在线分析系统的技术进步,必须推动样气处理系统技术向前发展,随着我国科技进步的加速,样气处理部件以及系统研发的技术基础已经得到很大加强,研发积极性有很大提高,科技研发型的重庆凌卡分析仪器有限公司还处于初创期,今年初就申请国家发明专利和实用新型专利各一项,对样气处理系统技术的“除尘”、“除水”顽症提供了有突破性特征的全新解决方案。
10.3 样气处理系统技术正进入新的发展时期
1〉 样气处理系统技术与国外先进水平的主要差距
· 样气处理部件、样气处理技术的理论研究几乎是空白;
· 无“有规模和技术优势”的样气处理部件专业制造商(如德国M&C公司);
· 样气处理部件的技术水平和质量(个别品种除外)普遍不高;
· 样气处理部件很难构成比较完整有效的体系。
2〉 样气处理系统技术在第一个发展周期中的总体表现
从1992年1月 至2007年11月,是在线分析工程技术发展的第一个周期,当然也是样气处理系统技术发展的第一个周期,总体表现令人欣慰,主要指生产规模的扩大,专业队伍的扩大。但理论研究几乎是空白,质量严重滞后于需求,竞标价格战及无序竞争,导致配置技术水平和供货质量有所倒退,样气处理系统技术发展的技术基础依然薄弱,这些都严重阻碍了样气处理系统的技术发展和质量的提高。
3〉 样气处理系统技术正进入新的发展时期
以2007年11月的“国际论坛”为标志,样气处理系统技术将伴随在线分析工程技术进入新的发展时期。对于发展趋势的准确认识和判断,必须坚持“大趋势理念”。在迅猛增长的市场面前,尤其显得重要和急迫。
我们幸好有战略性学术思想的指引:朱良漪在国际论坛主旨报告的最后部分,仍然高度关切和牵挂样气处理系统技术的应用及发展。他说“我想到的难点和闪点:取样系统、可靠性、少维护和软件技术” 〔2〕。他把“分析技术”与“自动化”的系统集成提升到“21世纪前沿技术”的前所未有的战略高度,并和拯救“21世纪的世界性危机”紧密联系。这极大地增强了本专业从业者的信心和勇气,激发出前所未有的创造性和技术创新的积极性。
· 以“国际论坛”为标志,正在发生论坛上首次提出的三大核心观念的转变;
· 样气处理部件及系统的技术设计将不断走向深入;
· 样气处理系统技术将走向规范的专业化(注意:不是标准化);
· 样气处理部件较完整、相对成熟的技术体系将逐步形成;
· 样气处理部件及其系统的研发将得到更高程度的重视;
· 样气处理部件及其系统的品质(包括外观品质)将得到很大提高;
· 样气处理系统相关的技术概念、名词术语将得到一定程度的规范和正确使用;
· 样气处理系统技术发展的强大逻辑力量将被越来越多的业界有识之士理解和认识。
11 对样气处理系统技术应用及发展的期待
11.1 样气处理处理系统技术的应用及发展迫切需要“大趋势理念”
坚持“大趋势理念”是把握住历史性机遇最需要和最为重要的思想武器,其次才是怎样使用好技术武器和开展技术创新。
例如,我们应该从“保障人类和地球的健康”去准确把握社会、人类的需要,来判断未来的发展方向,正面迎接未来的挑战。迎接挑战不是说空话,而是向下打牢基础,向上实现突破。单就打牢基础而言,就是以最大的决心和坚韧的创新行动去攻克样气处理系统技术的关键基础技术问题,正如分析仪器行业最年轻的重庆凌卡公司攻克“除尘”、“除水”顽症那样。
11.2 样气处理系统技术迫切需要从业者自身的“技术觉悟”
持续创新的激情和行动,长期深入的工程应用实践,是推动样气处理系统技术进步最需要的“技术觉悟”和“技术风格”。
11.3 样气处理系统技术发展的新时期
样气处理系统技术发展和我国改革开放进入新的历史时期一样都是从2008年为起始年,都是以鼓励创新和创造,走向永续发展作为主要思想内涵,这种历史性的大交汇实属某种“天机”,不可视而不见,见而不为,为而不专,专而不精。
11.4 期待样气处理系统技术的应用及发展坚持“有效改进、持续创新”的理念
走出困惑,迎接新飞跃:能全面提供基于规范的专业化和工程实践经验的全新解决方案,承担起全新的历史责任,能有全新的定位和全新的发展方向,构建全新的发展格局和争取实现全新的发展成果。
参考文献
1 金义忠.在线分析仪器样气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国际论坛论文集,2007,210-216
2 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国际论坛论文集,2007,4-6
3 朱良漪.21世纪的前沿技术 在线分析仪器的应用发展国际论坛邀请函,分析仪器,2007(3),67
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