過程分析器樣品處理系統技術的發展與應用
摘 要：以21世紀前沿技術的視野來審視過程分析器的樣品處理系統技術，樣品處理系統技術是過程分析儀器工程應用系統（以下簡稱過程分析系統）的核心和關鍵技術，確立這一技術觀念意義深遠，將對過程分析系統的推廣應用，產生極大的激勵和促進作用。本文對樣氣處理系統的體系、樣氣處理系統技術的針對性設計，工業爐窯、化工領域過程分析系統的工程應用技術進行了重點綜述，肯定了當前研發樣品處理系統技術的最新努力及最新進展。
關鍵詞：樣品處理系統技術 過程分析儀 過程分析系統 樣品處理部件
1 樣氣處理系統在過程分析系統中的地位
樣品處理系統如果只限于過程氣體分析系統領域，就該稱為樣氣處理系統。
在過程分析工程技術行業內，本文所述的樣氣處理系統，過去卻一直叫取樣預處理系統、預處理系統、樣氣預處理系統、取樣及預處理單元等。由于長期帶著“預”字，好像只是過程分析儀的附加部分，并未受到應有的重視。
GB/T 19768—2005《過程分析器試樣處理系統性能表示》的國家標準，其實JB/T 6854—1993的機械部標準，早就在處理系統之前取消了“預”字，從中必然引申出；樣氣處理系統和樣氣處理部件的技術概念和專業術語。令人遺憾的是，長期以來并未得到本行業人士的關注和認可。
本文著力闡述的樣氣處理系統技術，自身有相對獨立性、嚴密性、系統性，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在中國市場單獨銷售有數十套之多，最高售價135萬元，算是另一個頗具說服力的證明。
為了推進過程分析系統工程應用技術的發展，我們應有一種新的技術觀念：過程分析面對諸多十分艱巨復雜的技術難題，樣氣處理系統技術是過程分析系統的核心和關鍵技術，期待樣氣處理系統技術從此走上全面提升和發展的軌道。
2 過程分析儀工程應用對樣氣處理系統技術的依賴和要求
2.1 1986年以前，國內各分析儀器專業廠的過程分析儀器幾乎全是以單機銷售的形式投放市場，而德國H&B公司的過程分析器卻大約有三分之二是以過程分析系統（包括分析小屋）的形式投放市場，那時樣氣處理系統有個“預”字并不冤。
以川儀的紅外等三項技術引進為契機，同時從H&B公司引進了過程分析系統技術，并兩次培訓系統設計和工程應用人才，使川儀無意中充當了一次過程分析儀工程應用先驅的角色，設計水平、應用水平、生產規模都有長足進步。
2.2 過程分析器工程應用的癥結和最佳途徑
過程分析器的長期連續、適時的檢測分析，必然要求連續取樣和嚴格的樣氣處理技術，要求樣氣真實和傳輸快速，樣氣進入分析器時，要求達到近于標準氣的品質。過程分析系統長期連續運行的可靠性和安全性，以及近于免維護的易維護性，都完全依賴樣氣處理系統技術的針對性設計。
根據每項過程分析系統的現場應用條件和取樣條件，要采用專業化、規范化，針對性設計的專用型過程分析系統，由具有長期工程實踐經驗的專業制造商生產這些高品質過程分析系統，并承擔全過程技術服務。
對于完善的過程氣體分析，起決定作用的是使樣氣處理系統與千差萬別的生產工藝條件和環境應用條件匹配得當、組合完善。過程分析器對樣氣處理系統的這種絕對依賴，使過程分析器以過程分析系統形式供貨既是過程分析工程技術發展的必然，也在業界各方人士的情理之中。
3 復雜的樣氣條件和干法樣氣處理技術
3.1 復雜的樣氣條件是過程氣體分析面對的最大困難：
高溫或低溫、高粉塵、高水分或液霧、高壓負壓、腐蝕性和爆炸性危險；
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、防爆炸等方面的防護及安全要求；
較快的反應速度，滯后時間一般要求＜60s ；
保證必要的檢查準確度等。
3.2 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，進而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，達到近于標準氣的品質，可能發生的腐蝕性也大為降低。所有這些都有利于保證過程分析器連續、穩定、可靠、準確地運行，延長其使用壽命，我見過某石化企業使用超過25年的紅外分析器。
干法樣氣處理技術已成為絕對的主流技術。當然濕法樣氣處理技術也并未完全淘汰，如焦爐煤氣O2分析系統，濕法對付焦油更為有效。
4 樣氣處理系統的體系性特征
過程分析系統如果去掉過程分析儀和某些應用保障條件部分，就是樣氣處理系統，體系性地簡述樣氣處理系統如下：
4.1 采樣探頭 通常稱為取樣探頭，是樣氣處理系統最重要的樣氣處理部件，根據不同的取樣條件，就一定有不同的針對性極強的探頭，最常用的是低于650℃的中溫探頭。取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。
4.2 樣氣輸送管線 通常多采用Φ6×1不銹鋼管，為避免發生冷凝，常采用拌熱保溫技術（120℃），拌熱方式以自控溫電拌熱帶較為經濟實用。
4.3 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，避免在其后產生粉塵沉淀和堵塞的危險，目前的先進水平是0.3μｍ，已達到“微濾”的標準。二是后級高精度膜式過濾器，以保護分析器為主要目的，目前的先進水平是0.1μｍ。三是分析器內部的微型過濾器，以過程分析器的自保護為目的，并不屬于樣氣處理系統。
4.4 樣氣冷凝器 使樣氣冷凝至低露點、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，效果最好，成本最高；
半導體制冷樣氣冷凝器，入口樣氣溫度一般只能是40℃；
渦流致冷樣氣冷凝器，能使樣氣溫度降低30℃以上，最大的優勢是使用壓縮空氣，本安防爆；
使用水源的樣氣冷卻器也有很多應用。
4.5 采樣泵 通常稱為抽氣泵，樣氣壓力為負壓或微正壓時，也能為分析器提供規定的樣氣流量，隔膜式抽氣泵用得較多。另外，常用蠕動泵來排放冷凝液。
4.6 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，相當于70μｍ粒度的重力分離；
凝結式分離器能對付更小粒度的微小液霧；
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；
最簡單的氣液分離器僅是圓筒中加上一根管子；
現在已有采用聚合膜方式過濾液霧的研究。
4.7 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節。切換和關斷氣路要采用各種閥件，以“五通切換閥”最被看重。
4.8 樣氣壓力測量與調節
高壓的減壓、穩壓與調節是項困難任務，各種閥的原理及規格的選擇也很有專業性。
高壓力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。
4.9 部件材料的正確選用
以O型密封圈選材為例：連續使用溫度的高低依次為，氟橡膠包覆聚四氟乙烯、氟橡膠、硅橡膠、丁晴橡膠。
4.10 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氣的防爆等級。如 dⅡCT6。
4.11 機柜的氣候調節
機柜的氣候調節可分為降溫、加熱、換氣等三個大的方面。
4.12 自控單元
樣氣處理系統的連續、穩定、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。
14.13 樣氣尾氣和冷凝液的集管式安全排放
5 用于水泥窯尾的干法高溫取樣探頭系統
5.1 爐窯負壓型樣氣處理系統 負壓或微正壓樣氣，只要壓力不大于0.01MPa，往往都必須采用某種原理的抽氣泵這一標志性部件，才能滿足樣氣流量的規范要求。（個別爐窯負壓型過程分析系統也需要防爆，例如焦爐煤氣。）
5.2 水泥窯尾的正常取樣條件
樣氣溫度＜1400℃
樣氣粉塵氣量＜2000g/m3
5.3 干法高溫探頭的關鍵技術特性
高精度粉塵過濾技術 0.3μｍ 99%；
適用樣氣溫度 ≤1400℃ ；
控溫封閉循環水冷卻 （出水溫度＜85℃）；
恒溫180±3℃加熱過濾器，內外程控反吹掃；
反吹周期，可按需要在現場設定或修改；
探頭長度 3m ；
全面的自動控制和安全報警技術；
現場安裝、投運技術。
5.4 干法高溫取樣探頭實際上是一套綜合技術的復雜系統、成套設備或成套裝置，稱為高溫探頭系統名副其實。它是過程分析系統的技術制高點之一。
6 防爆分析小屋
6.1 化工、石化領域的樣氣基本都是正壓力，并有嚴格的防爆要求，就該采用正壓防爆型樣氣處理系統，當然過程分析器也要嚴格選擇隔爆型的，樣氣處理部件也要采用防爆型的。
6.2 防爆分析小屋。防爆級別dⅡCT4
· 規格：2.7m高，長和寬可在訂貨時選擇。
· 結構：鋼板結構，厚度50mm 充填阻燃絕熱離心真空保溫棉；
外墻為拋光磨砂不銹鋼板，內墻是鍍鋅噴塑鋼板，頂部為304SS；
外開門，防爆視窗、緊急逃生鎖；
內置標準氣瓶和載氣瓶以及固定架；
整體排點接地保護；
“地”為人字鋼板，δ=5；
全封閉安全集管排放系統，帶阻火器的安全放空罩。
· 電器設備：防爆空調器（1.5P）、防爆排風扇、防爆照明燈、防爆電源接線箱、防爆信號接線箱、防爆防腐蝕開關、防爆報警燈、防爆型CO報警器等。
· 技術特點：專業、規范的全封閉結構防爆系統。
6.3 防爆分析小屋是過程分析系統的另一個技術制高點。
7 樣氣處理系統技術的發展趨勢
7.1 樣氣處理系統技術發展的動力
過程分析儀，特別是國外公司的過程分析儀近幾年出現高速發展與進步，如：19″標準機箱的六組分過程分析器。由于節能、環保、資源和高新技術的國家長期產業導向，使國內過程分析系統顯現高速膨脹的、開放的市場特征。這成為樣氣處理系統技術發展的兩種主要動力。
7.2 樣氣處理系統技術發展的某些趨勢
· 持續改進的理念非常適合于樣氣處理系統技術的發展：例如成都倍誠分析技術研究所的渦流致冷樣氣冷凝器已經改進了第五代，該公司的防爆分析小屋可代表該領域的國內先進水平。
· 沖擊樣氣處理系統技術的制高點：川儀的干法高溫探頭連續幾年占領國內市場近80%的份額。還有其他公司也在開展高溫探頭的研發。
· 小型化是技術發展總的內在規律之一：美國世偉洛克公司研發出如同糖葫蘆串態勢的“集成”式新型樣氣處理系統，英國士富梅公司的氧化鋯反吹氣路為Φ2的焊接三通氣路，重慶特瑞爾分析儀器有限公司推出以專利技術支撐的精小型樣氣處理部件。
· 樣氣處理系統先進技術的大面積提高尚需時日：如探頭過濾器和后級過濾器已經達到0.3μｍ 99%和0.1μｍ 99%（單級）的先進水平，而另一些公司，包括一些參與國內市場競爭的國外公司卻分別停留在2μｍ和0.5μｍ左右的原有保守水平。
· 樣氣處理系統技術的研發出現走向深入的苗頭：
組合式樣氣處理部件（如水洗分離器）；
高效樣氣處理部件（如高效率水冷卻分離器）；
自潔式免維護樣氣處理部件（如旋風自潔式過濾器）；
安全性高的樣氣處理部件（如可拆式安全維護化工取樣探頭）；
新原理的樣氣處理部件（如高精度自潔式粉塵、液霧聚合膜過濾器）；
不使用樣氣電子冷凝器和蠕動泵的本安型樣氣處理系統技術已在開展研究；
開始出現專業化的樣氣處理部件開發公司和營銷網站。
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