【知识】气体分析系统中的气体预处理系统知识汇总

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1400℃）或低温、高粉尘（最高≤2000g/m3）、高水分（最高 12000ppm以上）或液雾、高压（最高大于50MPa）或负压、腐蚀性和爆炸性危险等；

    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，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650℃ 的中温通用型采样探头。采样探头还应包括压缩空气加热（180℃）反吹单元及其程控反吹技术。反吹单元的设计一定要符合流体力学的要求，这是保障反吹效果非常关键的设计技术。

     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（≥120℃），伴热方式以自控温电伴热带较为经济实用。如果采用大于Φ6×1的传输管道，会使系统在技术上很必要的反应速度超过规范的要求，即达不到＜60s的要求。认为管道粗或压力高就能反应速度快，是个违背理论根据的很粗心低级错误。

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+2℃左右），以干燥样气为目的。

压缩机式样气冷凝器：能使样气由140℃冷至+2℃露点，效果最好，但成本也较高；

半导体制冷样气冷凝器，入口样气温度一般只能允许45℃；

涡流致冷样气冷凝器，能使样气温度降低25℃以上，最大的优势是使用压缩空气，属本安防爆类型；

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；

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30-60l/h。切换和关断气路要采用各种阀件，以五通切换阀最被看重。

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（260℃）、氟橡胶（180℃）、硅橡胶（200℃）、丁晴橡胶（100℃）。以上不但是长期使用温度的顺序，也是耐化学物质影响以及抗老化，使用寿命长短的顺序。非金属类型的O型密封卷最高使用温度是327℃，是杜帮公司的全氟弹性O形密封圈Kalrez，其200多元的单价令人止步。

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。