氣體預處理過程中的運行方式

1 氣體處理系統(tǒng)在在線分析系統(tǒng)中的地位


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


在在線分析工程技術行業(yè)內(nèi)，本文所述的樣氣處理系統(tǒng)，過去卻一直叫取樣預處理系統(tǒng)、或預處理系統(tǒng)、樣氣預處理系統(tǒng)、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(fā)展。


GB/T 19768—2005《在線分析器試樣處理系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)和樣氣處理部件。請注意，技術概念及其規(guī)范使用也是技術。令人遺憾的是，長期以來并未得到專業(yè)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(tǒng)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(guī)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(tǒng)在中國市場單獨銷售有數(shù)十套之多，曾經(jīng)的最丨高售價是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(fā)展，我們應該信仰和堅持一種全新的“顛丨覆性”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(tǒng)技術是在線分析系統(tǒng)的核心和關鍵技術”，我們期待樣氣處理系統(tǒng)技術從此走上全面提升和健康發(fā)展的軌道。


2 在線分析器工程應用對樣氣處理系統(tǒng)技術的依賴和苛刻要求


2.1 1985年以前，國內(nèi)各分析儀器專業(yè)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(tǒng)(包括分析小屋)的形式投放市場，那時我國的樣氣處理系統(tǒng)有個“預”字并不冤。


圣凱安以紅外等三項技術引進為契機，引進了在線分析系統(tǒng)的工程應用技術，并兩次培訓系統(tǒng)設計和工程應用的專業(yè)人才，使圣凱安無意中充當了一次在線分析器工程應用先丨驅(qū)的角色，設計水平、應用水平、生產(chǎn)規(guī)模都有長足進步。


2.2 在線分析器工程應用的癥結和最丨佳途徑


在線分析器的長期連續(xù)、適時的檢測分析，必然需要連續(xù)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(zhì)，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(nèi)外的一些知丨名專業(yè)廠都未能達到。在線分析系統(tǒng)長期連續(xù)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，*依賴于樣氣處理系統(tǒng)技術規(guī)范的專業(yè)化、針對性設計。


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


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(tǒng)與千差萬別的生產(chǎn)工藝條件和環(huán)境應用條件匹配得當、組合完善，能連續(xù)穩(wěn)定、準確可靠、近于免維護地協(xié)調(diào)運行。在線分析器對樣氣處理系統(tǒng)的這種絕丨對依賴，也就是對整個系統(tǒng)和工藝過程的絕丨對相關性，在線分析器正在(或已經(jīng))被在線分析系統(tǒng)突破和超越，使在線分析器以在線分析系統(tǒng)形式走向工程應用成為在線分析工程技術發(fā)展的必然趨勢，無論國內(nèi)還是國外都已經(jīng)是不可逆轉的技術發(fā)展主流。


3 樣氣處理系統(tǒng)技術的最丨新定義


樣氣處理系統(tǒng)技術，從技術邏輯分析，應該由樣氣處理系統(tǒng)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(tǒng)技術：sample (gas ) handing engineering


樣氣處理系統(tǒng)：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

氣體預處理過程中的運行方式：通過針對在線分析器工程應用條件和樣氣條件的規(guī)范的專業(yè)化設計，所實現(xiàn)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(xù)穩(wěn)定、準備可靠、近于免維護地協(xié)調(diào)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(tǒng)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(tǒng)技術的最丨新定義：樣氣處理系統(tǒng)規(guī)范的專業(yè)化、針對性設計技術和專業(yè)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(tǒng)技術集成為在線分析系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)在線分析工程應用的全部硬件技術、軟件技術以及專業(yè)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丨大困難：


高溫(最丨高1400℃)或低溫、高粉塵(最丨高≤2000g/m3)、高水分(最丨高 12000ppm以上)或液霧、高壓(最丨高大于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(tǒng)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(tǒng)、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(jīng)過高效率的“除塵”和“除水”，達到近于標準氣的高品質(zhì)，同時使可能發(fā)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(xù)穩(wěn)定、準確可靠、少維護地協(xié)調(diào)運行，并延長其使用壽命，見過某石化企業(yè)使用超過20年的紅外分析器，也見過連續(xù)使用15年以上的樣氣處理系統(tǒng)。工程實踐表明：在線分析系統(tǒng)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丨對的主流技術。當然濕法樣氣處理技術也并未被*淘汰，如焦爐煤氣O2分析系統(tǒng)，以濕法對付焦油更為有效。


5 樣氣處理系統(tǒng)技術的體系性特征


在線分析系統(tǒng)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(tǒng)，體系性地簡述樣氣處理系統(tǒng)如下：


5.1 采樣探頭


通常稱為取樣探頭，是樣氣處理系統(tǒng)最重要和最關鍵的樣氣處理部件，根據(jù)不同工業(yè)生產(chǎn)過程差別甚大的的取樣條件，就一定有不同的針對性*的采樣探頭，最丨常丨用的是低于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(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程工藝樣氣的連續(xù)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(fā)來認識，應該稱為采樣探頭系統(tǒng)更為準確。采樣時技術性地實現(xiàn)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(fā)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(jīng)濟實用。如果采用大于Φ6×1的傳輸管道，會使系統(tǒng)在技術上很必要的反應速度超過規(guī)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(jù)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(chǎn)生粉塵沉淀和堵塞的危險，目前的*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*水平是0.05um 99%。


三是分析器內(nèi)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(tǒng)，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，效丨果最丨好，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，最丨大的優(yōu)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(qū)動，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(tài)下連續(xù)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(tǒng)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(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)


高壓樣氣的減壓、穩(wěn)壓與調(diào)節(jié)是項困難任務，各種閥的原理及規(guī)格的選擇也很有專業(yè)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(xù)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(zhì)影響以及抗老化，使用壽命長短的順序。非金屬類型的O型密封卷最丨高使用溫度是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(diào)節(jié)


機柜的氣候調(diào)節(jié)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(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)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(zhì)即標準氣


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


和其他專業(yè)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(tǒng)的反應速度。


5.15 尾氣和冷凝液的安全排放。


5.16 數(shù)據(jù)處理及遠程傳輸。


5.17 工程現(xiàn)場安裝的施工設計。