1  在线气体分析对样气除湿的苛刻要求

在线气体分析器及其在线分析系统从诞生的那天起，就面临样气除湿和除尘的艰巨任务。单就除湿（包括除水）而论，除湿技术也可称为干燥技术，技术上更有复杂的内涵和外延，至今仍是样气处理的重点和难点，也是在线分析系统工程应用技术故障的高发环节。目前，这方面的技术进步已经取得了重要成果。

根据长期工程实践经验，在线气体分析对样气除湿的苛刻要求，汇总如下：

　　（1）分离样气中的水并自动排放；

　　（2）样气降温除湿，样气温度降到室温以下（例如+4℃左右）；

　　（3）样气管线不能被冷凝水或粉尘淤塞；

　　（4）过滤器和加热管线不能因为发生冷凝而堵塞；

　　（5）不能在流量计处发生冷凝而堵塞；

　　（6）避免样气中水溶性组份流失，以保证检测准确度；

　　（7）避免水或酸雾进入分析仪器造成腐蚀、漂移、寿命缩短和损坏的各种严重故障；

　　（8）除水和除湿以及排水的技术设计尽可能组合完善、匹配合理、运行协调且成本较低；

　　（9）样气经过除湿和除尘后，理论上应该是洁净和干燥的，达到接近标准气般的高品质；

　　（10）在线分析系统的性能、质量和品质得到有效协调和保障，例如重点达到连续运行可靠，少维护甚至接近免维护，维护周期长，自动化程度高，后期维护成本低等。

    （11）消除水份对分析器的交叉干扰，例如水份对红外分析器的影响误差。

 

2  传统除湿技术简述

2.1　水冷却器

水冷却器以水为冷却介质，注定其冷却效果有限，样气温度很难达到接近室温的水平。使用水源的不便和消耗水是其另一个缺点。

由于水冷却器不使用电源驱动，所以安全。高效水冷却器，例如列管式、套管式水冷却器在设计技术上是一种突破，在化工类正压型在线分析系统中仍有重要应用。

2.2　干燥器

用填装硅胶、分子筛等干燥剂的干燥器除湿，有很久远的历史，因为方法简单、成本低、易于实施，至今也没有被完全淘汰。

这种干燥器的缺点也很明显：干燥剂失效后要及时更换，给维护带来不便，体积大了会影响反应速度，干燥剂对样气的吸附（和解吸）会影响检测准确度，特别是微量测量更为严重。

2.3　半导体致冷样气冷凝器

半导体致冷样气冷凝器采用半导体致冷片的帕尔帖效应，体积较小，成本相对较低。主要缺点和不足是致冷量较小，单路入口样气温度也能达到＋60℃，样气流量＜3L/min的条件下，出口样气温度也可达到+3℃。

2.4　压缩机式样气冷凝器

　　压缩机式样气冷凝器在本专业除湿技术中处于主流地位，它的最大优点是压缩机的制冷量大，入口样气温度可高达＋160℃，样气流量可≥5L/min，仍然能保障出口样气温度 +3℃。

压缩机式样气冷凝器的缺点是体积和重量大，成本较高，特别是进口产品的价格很高。

2.5　涡旋致冷样气冷凝器

　　涡旋（即涡流）致冷样气冷凝器是采用号称“兰克管”的涡旋致冷原理，已有48年历史。其中最大优点是以压缩空气为驱动力，本质安全，很适合化工类正压防爆类在线分析系统苛刻的防爆要求，加之体积小，成本比较低，不少厂家乐于采用。

涡旋致冷样气冷凝器的缺点是致冷量小，样气温度降低很难超过25℃，即使增设前级水冷却器，夏天要将温度较高的样气温度降至接近零度，有很大难度。要提高样气冷凝效果，就要再加大压缩空气的消耗，这有悖于节能降耗的要求。 

2.6　样气冷凝技术应用的务实处置

　　（1）双路（甚至三路）压缩机式或双路半导体致冷式样气冷凝器；

　　（2）双联冷凝器可以串联使用（也可并联使用），以增强降温除湿效果；

　　（3）水冷却器加干燥器，或半导体样气冷凝器加干燥器，或涡旋致冷样气冷凝器加干燥器；

　　（4）一般规则是先除尘而后除湿，除湿后气水分离并排水。

　

3  具有纳米疏水特性的除湿新技术

3.1　“气溶胶”技术概念

所谓气溶胶（aerosol）是指粒径＜1um的悬浮液体微粒，如烟雾、挥发性有机物（VOC）、水雾、油雾、也包括粉尘等，它们处于相对稳定的悬浮状态，不会自然沉降，常规过滤方法很难去除。大城市的无雾阴霾天气，令人感觉很难受，那就是健康杀手气溶胶在作怪。高品质的样气处理除湿必须在技术上进一步延伸和涵盖气溶胶。

3.2　具有纳米疏水特性的除气溶胶新元件

　　粒径＜1um且有疏水特性，是气溶胶过滤器的两个必备条件。

　　重庆凌卡分析仪器有限公司于新近研发成功两种能够对付气溶胶的新元件。

　　（1）具有纳米疏水特性的高效过滤元件

LKF2型超微孔SiC高效过滤元件具有纳米疏水特性，浸没水中20小时以上，取出立即使用，正常通样气的气流阻力也没有增加。这类过滤元件作取样探头过滤器时的精度是0.3um　99％，作小型凝结过滤分离器时是1um　99％，1L/min流量下，两者的气流阻力都是小至120Pa。

（2）超高效聚合过滤膜

LKF1型超高效聚合过滤膜也具有纳米疏水特性，过滤精度高达0.3um　99.99999％（参考推定值0.05um　99％），气流阻力120Pa（Φ50mm、t＝0.4mm，1L/min流量）。拦截和阻止各种液雾以及气溶胶通过的能力和精度等同于过滤粉尘。它的最大技术优势是低气流阻力、超高效地综合过滤微细粉尘、液雾以及气溶胶。

 

3.3　能处理气溶胶的样气过滤器

（1）  LKP303A型自洁式膜式过滤器（见图1）

重庆凌卡分析仪器有限公司实用新型专利产品，壁板支柱式安装，可在线更换膜片。处于垂直位置的纳米疏水特性过滤膜过滤微细粉尘外，还能超高效地拦截和阻止微细液雾以及气溶胶通过，液雾凝结成雾滴并逐渐增大而滚落下来，被旁路流带走。前述各种冷凝器针对液态水，降低样气 温度是有效的，但针对气溶胶和气态水是否也很有效，未见过相关报道。LKP303A型自洁式膜式过滤器和LKP301型膜式过滤器（无旁路流设计）很适合用在样气处理系统的后级（流量计之前），传统膜式过滤器因为膜片亲水的水份报警设计，在此已经没有必要而取消。

国外能处理气溶胶（优于0.1um）的膜式过滤器干脆就叫“气溶胶过滤器”。　    

　

　

图1　LKP303A型自洁式膜式过滤器

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 （2）

图2　LKP  307型凝结过滤分离器

LKP307型组合式除雾过滤分离器（见图2）

凌卡公司专有技术产品。其核心技术是具有纳米疏水特性的小型SiC高效过滤元件（Φ27×Φ16×50），过滤精度是1um　99％，气流阻力120Pa（1L/min流量），过滤粉尘之外，还能拦截和阻止各种液雾以及>1um的气溶胶通过。由于过滤元件的疏水特性，抗污染，液雾在上凝结成液滴后，很容易滚落下来被旁路流带走，样气进口伸入气水分离腔下部，可提高气水分离效果。

　　本部件最适合用于正压型样气处理系统的前级，能为其后的各种部件减轻处理负荷和提供有效保护。

　

　　

图2　LKP307型组合式除雾过滤分离器

　　

4  〔美〕PERMA PURE（以下简称P.P）公司的样气除湿新技术

4.1　传统样气除湿技术的性能极限

 即便除湿性能最好的进口压缩机式双路冷凝器，其出口样气温度也不会＜+2℃，如果设定温度＜2℃，就有可能发生结冰堵塞失效的危险，这个2℃就是现实应用中样气除湿的性能极限。

P.P公司的除湿新技术轻而易举地超越了这个传统除湿技术的极限，值得关注。

4.2　 P.P公司的Nafion®膜气体干燥器除湿技术

（1）Nafion除湿原理

Nafion干燥器采用P.P.公司的Nafion®管，干燥原理完全不同于超微孔材料，它根本就没有“孔”，有孔也是“离子孔”。所以不是基于分子和微粒液雾粒度的大小来迁移气体，而是以其材质对水分子的化学亲和力为基础：Nafion®材料散布着磺酸基，具有很强的亲水性，Nafion管吸收水分就会进入Nafion管的管壁，逐渐向其后的磺酸基渗透，直到最终到达管的外壁，也就是“无孔”而入地穿越了Nafion管，即样气中的水分完全渗透到环境气体或干的净化气中。净化气也称吹扫气。

这里的驱动力是水蒸汽的分压力梯度，而不是总压力，也就是Nafion管内样气的水蒸气分压必须高于管外净化气的水蒸气分压。

 

　　　　　　　　　　　　　　图3　膜干燥器工作原理

 

（2）膜干燥器系列的典型产品

MD^TM——系列干燥器是单根Nafion®管膜干燥器，最大流量4L/min，最长144英寸（可盘卷），在入口样气露点为20℃条件下，理论上出口样气露点可达到－25℃。

PD^TM——系列干燥器是多根Nafion®管膜干燥器，用于大流量样气处理，最大流量为12L/min，最大长度72英寸。在入口样气露点为20℃条件下，理论上出口样气露点可达到－45℃。

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　膜干燥器外形图

 

（3）膜干燥器的应用

膜干燥器的应用有三个技术环节值得重视和认真对待。

干净化气的流量应是样气流量的2～3倍。

干净化气的露点越低，样气除湿效果越好。此要求正是这类膜干燥器应用的不便之处。

入口样气不能含有液态水，也不能有明显的粉尘污染物，膜干燥器要有比较好的前级处理，这是它的技术局限。

（4）膜干燥器的技术优势

膜干燥器的最大技术优势是样气露点突破了0℃的“极限”，比较容易达到－5～－10℃；环境温度２0℃下，理论上样气除湿后露点最低为－45℃。和传统所有除湿方式的样气处理部件相比，它是具有水溶性分析组分不流失这一独特优点的唯一产品。

膜干燥器的其它诸多优点还有耐腐蚀、快捷（＜1s）、耐温、耐压、选择性好、过程简单、体积小巧，没有可拆分的零部件，一般无需维护以及不耗能等。

以上突出优点和特性是对各种传统样气冷凝技术的突破和超越。

 4.3 　P.P.公司的热电冷凝器除湿技术

P.P.公司的Baldwin^TM系列热电冷凝器均采用热电致冷元件（Peltier），将样气冷却至理想的样气温度，冷凝液用小型蠕动泵自动排出，适用于高流速、高室温和高湿度的样气处理，具有除水可靠、维护要求低、抗腐蚀等优点。

Baldwin^TM系列的10410型热电冷凝器是除SO₃气溶胶冷凝器，适用于SO₃气溶胶较高（＞10ppm）的样气除湿。样气流经一个被动式（室温）和一个主动式（4℃）热交换器，样气再被泵送至两个主动式Kyner®聚偏氟乙烯热交换器中的一个，并冷却至－7℃。热交换器会交替冻结和解冻，从而得到－7℃露点的样气，在此过程中酸液被排出。

 　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　图5　Baldwin^TM热电冷凝器

 

4.4 　P.P.公司Gass-2040TM样气处理系统的除湿技术

利用Nafion®管膜干燥器和Baldwin^TM热电冷凝器样气除湿的核心技术，可研发各种样气处理装置和样气处理系统，其中Gass-2040^TM样气处理系统是其典型代表。

Gass-2040^TM样气处理能力很强大：流量可高达25L/min，湿度可超过65％，可除去样气中的酸雾和氨。

Gass-2040^TM样气处理系统事实上还包括整体式烟气取样探头。样气从探头出来先进入第一温区——热交换器，然后通过凝结微粒过滤器，过滤精度0.1um，还有一个专利除氨器除去氨（CEMS系统要除氨，烟气脱硝设备SCR监测分析还必须检测氨的逃逸量）。第二温区是Nafion®管膜干燥器，其头部被动加热到样气露点以上，以避免样气出现水而引起Nafion管故障。样气最后进入处于室温的第三温区，在通过干燥器的其余部分后，样气露点进一步降低到－25℃。

加装整体式取样探头后，整套装置可直接安装在烟道壁上，系统还包括探头过滤器、内置抽气泵、反吹扫组件以及温度控制器等。所以，包括整体式取样探头的Gass-2040型样气处理系统本质上是具有完整性的“原位处理法”^〔2〕设计，其后的采样管线可以不伴热，这与传统技术不同，因为样气已经是非常洁净和干燥的：粉尘＜0.1um，露点－25℃。

 

　　　　　　　　　　　　　图6　 Gass-2040型样气处理系统

　

5  德国M&C公司样气除湿的高性能产品

M&C公司的样气采样和样气处理的技术及产品，具有国际领先位置的主导优势，技术实力雄厚，体系较完整，很注重高性能、高品质和高可靠性。

M&C公司压机式样气冷凝器的技术设计深入，采用了专利部件Jet Stream（射流）热交换器。换热充分，除湿速度极快；流路合理，避免了样气中易溶组份（如SO₂）的流失，有利于保障在线气体分析的高准确度。

样气冷凝器有CSS架装式、SS壁挂式和PSS便携式等三大系列。

CSS系列的主要性能指标：

入口样气温度：≤180℃

出口样气温度：精确控温（有利于除湿）

              一般为5℃±0.1℃

              特殊规格最低可达 -30℃±0.1℃

样气压力：0.7-1.4  barabs

样气流量：150-350L/h

电源：230±23V AC 50Hz±0.5Hz约240W

气路配管:1/4’’或Φ6mm

样气接触材料：

            不锈钢：适应样气压力较高

            玻璃：易观察和维护

            PTFE：耐腐蚀 

 

6  样气处理系统技术应用及发展的新高度

样气除湿不可能割离开除尘来单独处理，样气除湿必须先达到有效除尘。

样气除湿、除尘技术应用及发展的新高度（2009年）可概括如下：

（1）样气除尘：0.05um　99％；

（2）过滤方式的样气除雾：0.05um　99％；

（3）样气露点－25℃；

（4）样气易溶性组分（SO₂、NO、CO等）不流失：更能保证分析结果的准确度；

（5）样气需要除去SO₂、NH₃时，其功能已经可以被集成在组合式样气处理部件或整体式样气处理系统中；

（6）组合式样气处理部件已形成一种技术趋势；

（7）整体式“原位处理法”的样气处理系统体现了新的技术设计理念和新的技术设计方案；

（8）样气除湿、除尘部件的技术水平、质量和品质最近几年已有很大的提升和突破性进展；

（9）在线分析仪对样气处理除尘的一般要求是 ＜0.3um、＜10ug/m³，现在样气处理除尘、除雾的技术水平已经超越了分析仪的基本要求。分析仪的这一合理要求，过去很长时期却被认为是颇为困难的苛刻要求；

（10）样气除湿、除尘的实际先进水平已经超越了分析仪，这一技术趋势和技术优势理应受到高度重视和充分利用，因为这就能更有效地保障在线分析仪和在线分析系统工程应用的寿命周期；有利于践行“15年寿命周期”^〔3〕的工程设计新理念；

（11）总之，样气除湿、除尘技术的可喜发展和进步，再次证明，样气处理系统技术是在线分析系统的核心和关键技术，技术创新是在线分析工程技术应用及发展的强劲驱动力。

　

7  样气除湿技术的再探讨

7.1　样气温度和样气湿度的区别

从技术概念上讲，样气温度和样气湿度显然是不同的，所以本文第4节之前都一概使用出口“样气露点”而没有使用“样气湿度”。但第5节　P.P.公司的高效样气除湿产品却又使用了“样气露点”，是对此类除湿新技术的技术优势的肯定。

7.2　深入工程实践的发现

2009年9月，笔者深入某外资水泥厂的在线分析系统应用现场，重点调查传统除湿技术长期运行的真实状态，结果颇感意外。

该厂窑尾的高温（1300℃）在线分析系统，预热器（C1一级筒）的低温（400℃）在线分析系统，都是使用双路串联的压缩机式样气冷凝器（也有原装进口产品），两套冷凝器显示温度分别是5℃和3℃。

如果认定此时出口样气的露点就是＋3℃（或＋5℃），就有主观武断之嫌。

两套系统都在冷凝器后的气路中出现了很明显的冷凝水和看得见的凝结雾滴，原设计可能已有顾虑，设计有硅胶样气干燥器或气水分离器，硅胶因为吸附NO所以不能用。气水分离器的除湿除雾效果十分有限。出于不得已，用户自己动手改装，在其后又用了两个甚至三个气水分离器串联，不但维护量大，而且系统的总滞后时间已经超过了规范的＜1min的技术要求。在操作维护人员的艰苦努力下，这两套系统从2005年至今仍然坚持运行了四年，但是，用户对除湿部分并不满意。

7.3　系统要协调运行还需努力

（1）综观在线分析样气处理技术，目前最突出的问题还是样气除湿并没有真实地到位，不但有普遍性，而且后果较为严重，到了非重视不可的程度。

（2）传统冷凝器对其换热器（即热交换器）的技术设计，应有可改进和创新之处。以显示温度（即运行温度）代表出口样气温度已是行业习惯，但是，要认定是出口样气的露点，就很不严密。例如样气压力对出口样气的露点影响特别大。

（3）为了令人放心地解决样气除湿的技术难题，本文介绍的除湿新技术值得关注和认真实践。毕竟样气处理系统的协调运行是在线分析始终不渝追求的目标，否则，连续、准确、可靠、稳定的在线分析必然难以实现。

 

参考文献

1           金义忠，在线分析仪器样品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           金义忠等，在线分析样气处理的原位处理法研究，分析仪器，2009（5）：92-95

3           金义忠等，在线分析工程技术导论，分析仪器，2008（5）：39-44