样气处理系统技术新论

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1、样气处理系统技术新论重庆凌卡分析仪器有限公司 金义忠摘 要 以过程分析系统形式将过程分析器应用于过程和环保中的气体连续检测分析，当今已成为过程分析工程技术的绝对主流，其中一个关键环节是由样气处理系统将样气不失真地处理和输送给过程分析器，极为困难的是提供给分析器的样气品质要与分析仪校准用标准气体的品质相近，这一严格的不可让步的要求曾经难倒了无数技术精英。由此可以总结出一个能给本专业巨大启发和鼓舞的结论：样气处理系统技术是过程分析工程技术的核心和关键技术。本文使你有机会较深入地了解资深专家针对这一技术难题的技术见解。关键词 样气处理系统 过程分析工程技术 过程分析仪 过程分析系统 样气处理部件1

2、21 世纪前沿技术的视野过程气体分析器工程应用系统（以下简称过程分析系统）在石油、化工、建材、冶金、制药、食品、能源、节能、环保、资源开发等行业得到广泛应用，为实现工艺优化控制，实现先进过程控制，安全监控、节能减排、提高生产效率和产能，质量控制，推进技改等方面作出了巨大贡献。其重要性以及过程分析系统（含分析小屋）的供货形式已经被工程界广泛接受和高度肯定。去年大型工程项目分析设备的总投入首次超过热工设备的总投入，就是一个十分有说服力的证明。2007 年 11 月，分析仪器学会在北京召开“21 世纪前沿技术在线分析仪器的应用和发展论坛”。这再清楚不过地表明：过程分析系统是 21 世纪的前沿技术，样

3、气处理系统技术作为过程分析系统的核心和关键技术，在技术观上定义成“21 世纪的前沿技术”是肯定站得住脚的。以 21 世纪前沿技术的视野，非常有必要对样气处理部件进行深度开发的创新设计，对样气处理系统进行有理论基础和实践根据的技术创新，对样气处理系统技术（设计技术工程应用技术）进行综合性的技术探索研究和推广应用。这就是重庆凌卡分析仪器有限公司有远见的产业方向和倾力开展的科技工作。2 样气处理系统技术的新定义 样气处理系统技术还真有些陌生，姑且将其分解成样气处理系统和样气处理技术，一个是硬件，另一个是软件。样气处理系统：Samping Condilioning Syetems (SCS)样气处理技

4、术：Samping Condilioning Engineering (SCE)样气处理系统的新定义：通过针对过程分析仪工程现场应用条件和样气条件的专业化、规范化设计，所实现的样气处理部件与过程分析仪之间的合理匹配与完善组合，这种能胜任过程分析器严格要求的体系性样气处理部件的总和，可称为样气处理系统。样气处理技术的新定义：样气处理系统的专业性设计技术和专业性工程应用及维护技术相结合的综合性技术，可称为样气处理技术。样气处理系统过去长期习惯称为“取样预处理装置”，极简单的一个 “预” 字将其在过程分析系统中的技术地位定格在附庸的低层。这种不恰当的技术歧视严重阻碍了它的健康发展。GB/T 1976

5、8-2005过程分析仪器样气处理系统性能表示 的国家标准才可能为其真正正名，因为可以合理引申出“样气处理系统”，但业界却似乎故意视而不见，照样说“取样预处理装置”、将样气处理部件叫做“功能部件”。样气处理系统在过程分析工程中的独立性。系统性、严密性怎么肯定都不为过，现在是它承担强力促进过程分析工程技术发展责任的时侯了，也定会得到健康、高速地发展。3 样气处理部件的体系性简介3.1 取样探头（即采样探头）取样探头是样气处理系统中最为重要和关键的样气处理部件，它能实现对过程工业工艺气体样气的采样，是在不改变过程工业气体典型化学组分特征，即保持样气真实性的前提下来完成对样气流的分离。3.1.1 取样

6、探头可简化成一根不太粗的不锈钢管，也可能是一套十分复杂、造价昂贵的大型成套设备，例如工程中被肯定和成为主流技术的“干法高温取样探头”。完全是根据应用目的来设计或选择。任何取样探头的取样管都应无例外地伸入到工艺管道或工艺容器中去，插入深度按规范的要求是工艺管道直径的 3070。探头管进样口的形状和倾斜安装的角度应该有利于样气污染物（如粉尘）的初步物理分离（即惰性分离）。其目的是使样气保持真实性并减轻其后样气处理的难度。3.1.2 用于工业炉窑负压取样的取样探头大多采用“外”过滤器设计，来有效过滤粉尘，这一技术领域最能体现技术水平的高低和专业性的真假： 粉尘的高精度过滤：目前国际先进水平是0.3u

7、m 99%。而一些专业公司仍然停留在 23um 的早期保守水平而不觉悟。 过滤器的反吹技术：再优秀的过滤器用于高粉尘浓度取样都 有可能发生堵塞的危险，无一例外地要采用反吹技术。采用流体工程学精心设计的高温探头在 2000g/m3下也不会堵塞。而一些专业公司的反吹气路和样气输送管路共用一段气路管道是绝对错误的设计，是本专业外行最典型的标志。 过滤器的加热反吹：过滤器电加热的目的，认为是防止在过滤器上出现冷凝而发生堵塞的看法是不正确的，至少不全面。主要还是 0.6MPa 的反吹压力在反吹口释放压力时，因Joule-Thompson （焦尔汤普生）热衰减效应而使反吹气降温，为克服这一新难题，加热反吹

8、是唯一的技术选择，恒温 180的反吹才使本技术难题得到无反弹的彻底解决。 取样探头的维护：PLC 程控脉冲内外反吹扫是很成熟的技术，使取样探头能接近于免维护地长期连续运行。3.1.3 应用取样探头各过程分析系统制造商几乎都采用自己设计的取样探头，令人遗憾的是，号称专业性的不少制造商或集成商没有真正掌握干法取样探头深层技术的原理，本质上是夸大其词的外行在欺骗不知底细的用户。重庆凌卡分析仪器有限公司将推出多款技术成熟的应用探头，包括专利技术取样探头。3.2 样气输送管线3.2.1 样气输送管线由配管和列管组成： 配管是以其内径来分级，并通过螺纹、法兰接头来连接组成配管系统。所谓级别是指耐压和内径两

9、方面。配管系统以螺纹最为常见，例如：4 分水管是指内径为 4/8（1/2）的管子：内径约12.7，外径却是 21，因为 G1/2管螺纹的大径尺寸为 20.955。用螺纹可以密封的是圆锥外螺 R 和圆锥内螺纹 Rc,也是以英寸表示规格。锥管螺纹 NPT 和管螺 G 都要求使用密封剂，才能保证密封性。配管系统应留有足够的安装和维护操作空间。 列管是按其外径来分级，一般为 6m 多长，普通列管的尺寸为 1.512。 样气输送最常用的形式：列管最常用 61 的不锈钢管，与配管系统的连接最常用的是双卡套螺母组件连接，多次重复拆装仍能保持优良的密封性能。 配管和列管的材质应根据样气的组分及样气条件来严格选

10、择。3.2.2 样气输送管线的伴热为使样气输送过程中不发生冷凝，确保样气的真实性，大多要采取伴热措施，化工用蒸汽伴热的不少，其它行业更适合电伴热，典型的要求是伴热 120。许多应用可采用高温窄型自控温电伴热带，能使样气保持 1355。更严格的地方则应采用整体电伴热管，只是成本过高，很难普遍采用。3.2.3 样气输出管线对分析系统反应速度的制约样气传输管线不要超过 20m，但有些工程现场做不到。这是出于业内的一致看法：分析系统的总滞后时间 T1060s。这里必须纠正一种错误的设计：认为管子粗反应速度更快，压力高反应速度更快。在特定样气流量不变的前提下，用 101 的直管要实现60s 是根本不可能

11、的，因为它比用 61 的直管的滞后时间 T10要慢 4 倍。输送 0.4MPa 压力的样气比输送 0.1MPa 压力的样气也要慢约 4倍。如果面对高纯微量样气的输送，而直管的质量等级又很低，滞后时间过长会导致过程检测分析失败。此时用溶剂清洗列管并采取伴热措施，美国公司间有过将滞后时间由 17min 缩短到30s 的经典实例（反应速度提高 34 倍）。3.3 特殊过滤器3.3.1 特殊过滤器是指除探头过滤之外的各种过滤器，以滤除样气中的颗粒物和液雾等。颗粒物来自样气中的粉尘、工艺催化剂或列管、配管施工中的污染物等。过程分析器对样气的要求是2um 粉尘 200ug/m 3，当然是越低越好。3.3.

12、2 过滤介质（即过滤元件）从材质讲有 SiC 多孔陶瓷，不锈钢粉末冶金，各种纤维过滤膜等。过滤元件以公称通径（um）评估其通过能力和过滤精度。陶瓷和不锈钢的过滤精度水平是0.2um0.3 um，纤维过滤膜则0.1um，甚至0.1um。业界公认 0.2um 公称通径是“微滤”的标准，0.1um 应属“超滤”的范畴了。3.3.3 过滤器的大致分类 用于过程分析器保护用的微型过滤器精度应优于 0.5 才有意义。直接置于机箱内或安装机箱后壁上。 样气处理系统前置过滤器，如旋风自洁过滤器和旋风凝结分离过滤器，旋风离心惯性分离对 35um 以上较大粒度的粉尘和液滴可分离 90，还是比较有效的，适用于正压样

13、气处理系统。 样气处理系统后级高精度过滤器，现在能达到0.1um 99的过滤精度。几十微米的粗过滤器也有，常见于液体样品的过滤。3.4 样气冷凝器3.4.1 样气冷凝器用得很普遍，几乎是凡样气处理系统都必用。其目的是分离气相和液相，保护分析器不受液相物质的损坏，并保证分析器的分析准确度。样气中的颗粒污染物被有效分离后才能进行这种冷却，否则会发生堵塞过滤器等部件的危险。3.4.2 常用的样气冷凝器 压缩机式电子冷凝器，压缩机的强大制冷能力使入口样气温度140，而出口样气温度为 20.5，价格高是采用最大的制约，另外体积也很大。 半导体致冷电子冷凝器，单路的入口样气温度只能达到40，因价格较低、体

14、积也较小，所以用得也很普遍。 涡流致冷（兰克管）冷凝器：入口样气温度45，使用 0.3MPa 压缩空气，因是本安型，化工类有防爆要求的过程分析系统很乐意采用这种冷凝器。 水热交换器：严格地讲，水热交换器只是一种样气冷却器而不是冷凝器。高效率水冷却分离器以其高效率和较小体积的优点应该在样气处理系统中占有一席之地。3.4.3 样气冷凝的新途径为分离液相和液雾，样气处理系统采用冷凝器是传统的方法，也是经典的方法，人们（包括技术专家）已经不再顾及它们价格高、体积大、需要维护、耗能等诸多不足之处。 粉尘、液雾过滤器采用高精度特殊聚合膜，有可能研发出制造成本低、体积小、不耗能、本安型、使用维护简便等综合性

15、技术优势的（液雾粉尘）双重过滤器，过滤精度为0.1um 的粉尘和微小雾滴达到 99，不用其他的冷凝器也可能满足高端样气处理系统的苛刻要求。这就是重庆凌卡分析仪器有限公司的正在研发的专利技术。 3.5 抽气泵（即采样泵）3.5.1 抽气泵是样气处理系统的重点样气处理部件之一，它的功能是将0.01MPa 的微正压或负压力样气增压后最终输送给过程分析器。以此为根据，使用抽气泵、哪怕它的压力是0.01MPa，也归入炉窑负压型样气处理系统。3.5.2 样气处理系统设计中，要尽可能避免使用抽气泵，因为它的价格较高，有振动和噪声，需要维护，限制了系统可靠性的提高。解决办法是尽可能利用工艺管路的现有压力或压差

16、。3.5.3 抽气泵的种类 抽气泵的种类和规格多得数不过来，最常用的还是隔膜泵，当然真空泵也有人用。应特别指出的是：如果样气流量定格在 60L/h，那么选用的抽气泵的抽气量应在 250500L/h（空载）为宜，过大抽气量的泵反而因轻负载容易出现损坏故障。 喷射泵：有时也会采用水、蒸汽、压缩空气为动力的喷射泵，其明显优势是本安型。其中用在分析器之后的空气喷射抽气泵值得深入地实践研究。 蠕动泵用于排放冷凝液（0.3L/h），不受样气压力是否为负压的限制。3.6 气液分离器3.6.1 气液分离的目的是使气液分离并分流，使输送至过程分析器的样气是干燥的，露点在23时为最佳状态。3.6.2 气液分离器的种类 样气被样气冷凝器冷凝之