摘 要：以在線分析系統形式將在線分析器應用于過程和環保中的氣體連續檢測分析，當今已成為在線分析工程技術的絕對主流，其中一個關鍵環節是用樣氣處理系統將樣氣不失真地處理和輸送給在線分析器，極為困難的是提供給分析器的樣氣品質要與校準分析器所用標準氣體的品質相近，這一嚴格的不可讓步的要求曾經難倒了無數技術精英。由此可以總結出一個能給本專業巨大啟發和鼓舞的結論：樣氣處理系統技術是在線分析工程技術的核心和關鍵技術。 本文使你有機會較深入地了解資深專家針對這一技術難題的技術見解。 關鍵詞：樣氣處理系統 在線分析工程技術 在線分析器 在線分析系統 樣氣處理部件 1 21世紀前沿技術的視野 過程氣體分析器工程應用系統（以下簡稱在線分析系統，曾經叫作過程分析成套系統）在石油、化工、建材、冶金、制藥、食品、能源、節能、環保、資源開發等行業得到廣泛應用，為實現工藝優化控制、先進過程控制，安全監控、節能減排、提高生產效率和產能，質量控制，推進技改等方面作出了巨大貢獻。其重要性以及在線分析系統（含分析小屋）的供貨形式已經被工程界廣泛接受和高度肯定。去年大型工程項目分析設備的總投入首次超過熱工設備的總投入，就是一個十分有說服力的證明。 2007年11月，分析器器學會在北京召開“21世紀前沿技術——在線分析器器的應用和發展國際論壇”。這再清楚不過地表明：在線分析系統是21世紀的前沿技術，樣氣處理系統技術作為在線分析系統的核心和關鍵技術，在技術觀上定義成“21世紀的前沿技術”是肯定站得住腳的。 以21世紀前沿技術的視野，非常有必要對樣氣處理部件進行深度開發的創新設計，對樣氣處理系統進行有理論基礎和實踐根據的技術創新，對樣氣處理系統技術（設計技術＋工程應用技術）進行綜合性的技術探索研究和推廣應用。 這就是重慶凌卡分析器器有限公司有遠見的產業方向和傾力開展的科技工作。 2 樣氣處理系統技術的新定義 樣氣處理系統技術還真有些陌生，姑且將其分解成樣氣處理系統和樣氣處理技術，一個是硬件，另一個是軟件。 樣氣處理系統：Sampe Handing Syetems 樣氣處理技術：Sampe Handing Engineering 樣氣處理系統的新定義：通過針對在線分析器工程現場應用條件和樣氣條件的專業化、規范化設計，所實現的樣氣處理部件與在線分析器之間的合理匹配與完善組合，這種能勝任在線分析器嚴格要求的體系性樣氣處理部件的總和，可稱為樣氣處理系統。 樣氣處理技術的新定義：樣氣處理系統的專業性設計技術和專業性工程應用及維護技術相結合的綜合性技術，可稱為樣氣處理技術。 樣氣處理系統過去長期習慣稱為“取樣預處理裝置”，極簡單的一個 “預” 字將其在在線分析系統中的技術地位定格在附庸的低層。這種不恰當的技術歧視嚴重阻礙了它的健康發展。GB/T 19768-2005《在線分析器器樣氣處理系統性能表示》的國家標準才可能為其真正正名，因為可以合理引申出“樣氣處理系統”，但業界卻似乎故意視而不見，照樣說“取樣預處理裝置”、將樣氣處理部件叫做“功能部件”。 樣氣處理系統在在線分析工程中的獨立性。系統性、嚴密性怎么肯定都不為過，現在是它承擔強力促進在線分析工程技術發展責任的時侯了，也定會得到高速的健康發展。 3 樣氣處理部件的體系性簡介 3.1 取樣探頭（即采樣探頭） 取樣探頭是樣氣處理系統中最為重要和關鍵的樣氣處理部件，它能實現對過程工業工藝氣體樣氣的采樣，是在不改變過程工業氣體典型化學組分特征，即保持樣氣真實性的前提下來完成對樣氣流的分離。 3.1.1 取樣探頭可簡化成一根不太粗的不銹鋼管，也可能是一套十分復雜、造價昂貴的大型成套設備，例如工程中被肯定和成為主流技術的“干法高溫取樣探頭”。 取樣探頭完全是根據應用目的來設計或選擇。 任何取樣探頭的取樣管都應無例外地伸入到工藝管道或工藝容器中去，插入深度按規范的要求是工藝管道直徑的30～70％。探頭管進樣口的形狀和傾斜安裝的角度應該有利于樣氣污染物（如粉塵）的初步物理分離（即惰性分離）。其目的是使樣氣保持真實性并減輕其后級樣氣處理的難度。 3.1.2 用于工業爐窯負壓取樣的取樣探頭大多采用“外”過濾器設計，能有效過濾粉塵，這一技術領域最能體現專業技術水平的高低和專業性的真假： ● 粉塵的高精度過濾：目前國際先進水平是≥0.3um 99%。而一些專業公司仍然停留在2～3um的早期保守水平。 ● 過濾器的反吹技術：再優秀的過濾器用于高粉塵濃度取樣都 有可能發生堵塞的危險，無一例外地要采用反吹技術。采用流體工程學精心設計的高溫探頭在2000g/m3的高粉塵下長期使用也不會堵塞。而一些專業公司的反吹氣路和樣氣輸送管路共用一段氣路管道的技術方案是完全不正確的。 ● 過濾器的加熱反吹：過濾器電加熱的目的，認為是防止在過濾器上出現冷凝而發生堵塞的看法是不正確的，至少不全面。主要還是0.6MPa的反吹壓力在反吹口釋放壓力時，因Joule-Thompson （焦爾－湯普生）熱衰減效應而使反吹氣降溫，為克服這一新難題，加熱反吹是唯一的技術選擇，恒溫180℃左右的反吹才使本技術難題得到無反彈的徹底解決。 ● 取樣探頭的維護：PLC程控脈沖內外反吹掃是很成熟的技術，使取樣探頭能接近于免維護地長期連續運行。 3.1.3 應用取樣探頭的各在線分析系統制造商，幾乎都采用自己設計的取樣探頭，令人遺憾的是，一些自稱專業性的制造商或集成商并沒有真正掌握干法取樣探頭深層技術的原理。 重慶凌卡分析器器有限公司將推出多款技術成熟的取樣探頭，包括專有技術取樣探頭。 3.2 樣氣輸送管線 3.2.1 樣氣輸送管線由配管和列管組成： ● 配管是以其內徑來分級，并通過螺紋、法蘭接頭來連接組成配管系統。所謂級別是指耐壓和內徑兩方面。 配管系統以螺紋最為常見，例如：4分水管是指內徑為4/8〞（1/2〞）的管子：內徑約Ø12.7，外徑卻是Ø21，因為G1/2〞管螺紋的大徑尺寸為20.955。 用螺紋可以密封的是圓錐外螺R和圓錐內螺紋Rc,也是以英寸表示規格。 錐管螺紋NPT和管螺G都要求使用密封劑，才能保證密封性。 配管系統應留有足夠的安裝和維護操作空間。 ● 列管是按其外徑來分級，一般為6m多長，普通列管的尺寸為Ø1.5～Ø12。 ● 樣氣輸送最常用的形式：列管最常用Ø6×1的不銹鋼管，與配管系統的連接最常用雙卡套螺母組件連接，多次重復拆裝仍能保持優良的密封性能。 ● 配管和列管的材質應根據樣氣的組分及樣氣條件來嚴格選擇。 3.2.2 樣氣輸送管線的伴熱 為使樣氣輸送過程中不發生冷凝，確保樣氣的真實性，大多要采取伴熱措施，化工用蒸汽伴熱的不少，其它行業更適合電伴熱，典型的要求是伴熱120℃左右。許多應用可采用高溫窄型自控溫電伴熱帶，能使樣氣保持135±5℃。更嚴格的地方則應采用整體電伴熱管，只是成本過高，很難普遍采用。 3.2.3 樣氣輸出管線對分析系統反應速度的制約 樣氣傳輸管線不要超過20m，但有些工程現場做不到。出于業內的一致看法，分析系統的總滯后時間T10≤60s。 這里必須糾正一種錯誤的判斷：認為管子粗反應速度更快，壓力高反應速度更快。在特定樣氣流量不變的前提下，用Ø10×1的直管要實現≤60s是根本不可能的，因為它比用Ø6×1的直管的滯后時間T10要慢4倍。輸送0.4MPa壓力的樣氣比輸送0.1MPa壓力的樣氣也要慢約4倍。 如果面對高純微量樣氣的輸送，而直管的質量等級又很低，滯后時間過長會導致過程檢測分析的失敗。此時要用溶劑清洗列管并采取伴熱措施，美國公司曾有過將滯后時間由17min糾正縮短到30s的經典實例（反應速度提高34倍）。 3.3 特殊過濾器 3.3.1 特殊過濾器是指除探頭過濾之外的各種過濾器，以濾除樣氣中的顆粒物和液霧等。顆粒物來自樣氣中的粉塵、工藝催化劑或列管、配管施工中的污染物等。在線分析器對樣氣的起碼要求是≥2um的粉塵 ≤200ug/m3，當然是越低越好。 3.3.2 過濾介質（即過濾元件） 從材質講有SiC多孔陶瓷，不銹鋼粉末冶金，各種纖維過濾膜等。 過濾元件以公稱通徑（um）評估其通過能力和過濾精度。 不銹鋼的過濾精度水平是≥0.5um，多孔陶瓷的過濾精度水平是≥0.3um，纖維過濾膜則≥0.1um，甚至＜0.1um。 業界公認0.2um公稱通徑是“微濾”的標準，＜0.1um應屬“超濾”或納米的界定范疇了。 3.3.3 過濾器的大致分類 ● 用于在線分析器保護用的微型過濾器精度應優于0.5才有意義。直接置于機箱內或安裝機箱后壁上。 ● 樣氣處理系統前置過濾器，如旋風自潔過濾器和旋風凝結過濾器，旋風離心慣性分離對3～5um以上較大粒度的粉塵和液滴可分離90％，還是比較有效的，更適用于有旁路分流的正壓樣氣處理系統。 ● 樣氣處理系統后級高精度過濾器，現在能達到≥0.05um 99％的過濾精度。 幾十微米的粗過濾器也有，常見于液體樣品的過濾。 3.4 樣氣冷凝器 3.4.1 樣氣冷凝器用得很普遍，幾乎是凡樣氣處理系統都必用。其目的是分離氣相和液相，保護分析器不受液相物質的損壞，并保證分析器的分析準確度。 樣氣中的顆粒污染物被有效分離后才能進行這種冷卻，否則會發生堵塞過濾器等部件的危險。 3.4.2 常用的樣氣冷凝器 ● 壓縮機式電子冷凝器，壓縮機的強大制冷能力使入口樣氣溫度＜140℃，而出口樣氣溫度為2±0.5℃，價格高是采用最大的制約，另外體積也很大。 ● 半導體致冷電子冷凝器，單路的入口樣氣溫度只能達到＜40℃，因價格較低、體積也較小，所以用得也很普遍。 ● 渦流致冷（蘭克管）冷凝器：入口樣氣溫度＜45℃，使用0.3MPa壓縮空氣，可使樣氣降溫20℃以上，因是本安型，化工類有防爆要求的在線分析系統很樂意采用這種冷凝器。 ● 水熱交換器：嚴格地講，水熱交換器只是一種樣氣水冷卻器而不是冷凝器。高效水冷卻分離器以其高效率和較小體積的優點應該在樣氣處理系統中占有一席之地。 3.4.3 樣氣冷凝的新途徑 為分離液相和液霧，樣氣處理系統采用冷凝器是傳統的方法，也是經典的方法，人們（包括技術專家）已經不再顧及它們價格高、體積大、需要維護、耗能等諸多不足之處。 ★ 高效自吹洗綜合過濾器 采用納米特性的聚合薄膜，研發出制造成本低、體積小、不耗能、本安型、使用維護簡便等綜合性技術優勢的（液霧＋粉塵）綜合過濾器，過濾精度為≥0.05um的粉塵和微小霧滴達到99％，有可能滿足高端樣氣處理系統的苛刻要求。這是重慶凌卡分析器器有限公司研發的實用新型專利技術。 3.5 抽氣泵（即采樣泵） 3.5.1 抽氣泵是樣氣處理系統的重點樣氣處理部件之一，它的功能是將＜0.01MPa的微正壓或負壓力樣氣增壓后最終輸送給在線分析器。以此為根據，使用抽氣泵、哪怕它的壓力是＋0.01MPa，也歸入爐窯負壓型樣氣處理系統。 3.5.2 樣氣處理系統設計中，要盡可能避免使用抽氣泵，因為它的價格較高，有振動和噪聲，需要維護，限制了系統可靠性的提高。解決辦法是盡可能利用工藝管路的現有壓力或壓差。 3.5.3 抽氣泵的種類 ● 抽氣泵的種類和規格多得數不過來，最常用的還是隔膜泵，當然真空泵也有人用。應特別指出的是：如果樣氣流量定格在60L/h，那么選用的抽氣泵的抽氣量應在250～500L/h（空載）為宜，過大抽氣量的泵反而因輕負載容易出現損壞故障。 ★ 噴射泵：有時也會采用水、蒸汽、壓縮空氣為動力的噴射泵，其明顯優勢是本安型。其中用在分析器之后的空氣噴射抽氣泵即氣動采樣泵值得深入地實踐研究。 ● 蠕動泵用于排放冷凝液（＜0.3L/h），不受樣氣壓力是否為負壓的限制。 3.6 氣液分離器 3.6.1 氣液分離的目的是使氣液分離并分流，使輸送至在線分析器的樣氣是干燥的，露點在2～3℃時為最佳狀態。 3.6.2 氣液分離器的種類 ● 樣氣被樣氣冷凝器冷凝之后的氣液分離，這種氣液分析器是比較簡單的圓筒形結構，樣氣的出入口都在上方、下方是排放冷凝液的出口。樣氣入口連著一根下端有45°斜口的管子。 ● 樣氣低速通過氣水分離器是提高分離效率的關鍵，因此分離器內的管徑有必要大于分離器外的直管管徑。 ● 前述旋風自潔過濾器也可理解為是一種氣液分離器，對粉塵和液滴的離心分離力大于重力的2500倍左右，也就是說對于5um粉塵的離心分離力，幾乎相當于直徑是90um的重力分離力。實用時的分離效果取決旋風速度和旋風室半徑。 ● 凝結分離過濾器是另一類氣液分離器，在石化行業應用有非常成功的經典之作。 3.7 流量的測量與控制 3.7.1 流量的測量通常用直讀式球形轉子流量計，在線分析器需要的樣氣流量大多定格在60L/h。 3.7.2 流量的調節通常用針閥，而流量計選用帶針閥的流量計更方便合理。 3.7.3 報警流量計可實現樣氣流量失常的報警，是所有報警中最值得重視的報警措施。 3.7.4 流量控制會用到各種類型和規格的閥件，涉及隔離閥、調節閥、安全閥和定向閥等四大類。 隔離閥用球閥很普遍，流量調節閥用針閥很普遍。而切換樣氣流向才要采用二位三通或二位五通切換閥。 所有閥件的質量都是以可靠的密封性為重點，如美國Swagelok公司的五通切換閥號稱有10萬次不泄漏的長壽命。 3.8 壓力的測量與調節 3.8.1 需要顯示壓力的技術環節使用壓力表顯得有些簡單，但壓力的調節在技術上十分重要，使得壓力調節器（閥）的選型至關重要，關鍵是傳送精度、切斷能力和反應速度等三大技術特性。 3.8.2 樣氣處理系統最常用的是隔膜式減壓調節器（閥），即壓力調節器（閥），用于標準氣瓶的常稱為減壓閥。 3.8.3 如果從工藝管道取樣時的壓力太高，當然即使是中低壓力，都應在取樣處工藝隔離切斷閥（俗稱根部閥）后立即實施減壓，以避免高壓樣氣在傳輸中或給后級樣氣處理帶來潛在危險，同時也是避免大體積的高壓氣體過分延長了傳輸滯后時間。 3.8.4 減壓調節閥的應用技術涉及很復雜的技術內涵，值得認真關注：如過壓保護的安全措施，泄漏引起的危險、材質引起的應用局限；應選用更小些的節流孔徑，注意減壓后引起的樣氣降溫（有專蓍稱差壓每降低0.1MPa，溫度會降低1℃）所以伴熱保溫防止凝結引發堵塞的危險就很有必要。 3.9 樣氣處理部件材料的選擇 3.9.1 部件材料選擇表面上過于簡單，實質上卻復雜得高深莫測。常常因見識少，國內技術基礎差、信息渠道窄等原因而力不從心。 3.9.2 以不銹鋼管為例：304型最高使用溫度為538℃，耐腐蝕性差。316不銹鋼的最高使用溫度為649℃，有較好的耐腐蝕性。而316L不銹鋼的耐腐蝕性比316更好。多種工藝內壁拋光不銹鋼管，表面粗糙度也不同，可減輕其對水分子的吸附，高純氣體分析很有必要采用。 3.9.3 三種密封材料的比較 短期工作溫度（手冊） 強度 密封性 丁晴橡膠 －15～120℃ 次之 次之 硅橡膠 －25～250℃ 較差 較差 氟橡膠 －35～300℃ 較好 較好 連續使用溫度更高的應采用表面包覆取四氟乙烯的氟橡膠。 3.10 電氣設備外殼 3.10.1 定義： 最簡單的是儀表柜或儀表箱 最常用的是帶有控制板的機柜，一扇或兩扇前開門，高度通常≥2m，隨機配置有通風、加熱及空調系統。這類機柜習慣稱為儀表盤，裝入控制板后稱為控制柜，裝入分析器后稱為分析柜。 另一類機柜應用在大型在線分析系統且儀表工可進入的儀表分析屋，習慣稱為分析小屋。 3.10.2 機柜的防護等級（IP＊＊） 第一位數針對粉塵，第二位數針對水。無需防護相當于IP00。 例如IP56的級別相當高：能完全防止粉塵進入，能防止任意方向的低壓水噴射。 IP24就比較一般：能防護12mm直徑固體物質沖擊，能防止任意方向的水濺射。 3.10.3 機柜的防爆等級 適用于在線分析系統的防爆級別最常見到的是： Ⅱ類 工廠用電氣設備，（美國標準Class）。 A、B、C三級（美國標準Grop）：A以甲烷為代表，B以乙烯為代表，C以H2為代表。 最高表面溫度為6組：其中常見的T4為135℃，T6為80℃。 爆炸危險場所的分區，通常選用2區。 例如某隔爆型分析器的防爆級別為dⅡCT6。 各項防爆配置完善的分析小屋稱為防爆分析小屋，雖然造價很高，因別無良策,在石化、化工等防爆要求嚴格的工程現場，仍被廣泛采用。 3.10.4 機柜的氣侯條件 這包括機柜的通風和安全換氣、冬天的加熱升溫，夏天的空調降溫等，投入和維護等都頗為費事。 3.11 標準物質 3.11.1 在線分析器使用的標準物質，是專業廠生產的標準氣，對工挰用戶的供貨形式常是帶減壓閥的8l鋁合金鋼瓶。 在工業生產中承擔連續檢測計量任務的在線分析器，以標準氣作為計量標準，其重要性不言而喩。現在標準氣的水平和質量也在提高，例如零點氣就有99.999％超純N2。 3.11.2 為了消除樣氣背景組分的干擾誤差，可以采用配制三組分標準氣的方法來基本消除。由于對背景氣干擾及其危害缺乏應有的科學認識，這一簡便易行的好辦法卻被忽視。 3.12 快速回路 3.12.1 反應速度是樣氣處理系統為數很少的幾個技術指標之一，外行制造商沒有水平也無責任心處理好這一技術命題。連美國專業廠商也出現過響應時間長達13min的設計失誤。國內滯后時間在3～5min的恐怕不是個別現象，因為他們很少關注，也不理解其影響因素，更沒有計算或測試過。 3.12.2 提高反應速度的措施： ● 縮短分析柜與取樣點之間的安裝距離，以≤15m為宜； ● 取樣點減壓后才經樣氣傳輸管線向后輸送，壓力應≤0.12MPa； ● 以Ø6×1小管徑的不銹鋼管輸送樣氣； ● 1～2路的快速旁路設計，旁路流應是分流流量3～5倍； ● 微量分析時，宜采用內拋光的不銹鋼管，或用溶劑清潔原用不銹鋼管； ● 全部采用更小死體積的樣氣處理部件； 所有這些措施，將總滯后時間由≤60s減小到≤30s或許并不是難事。 3.13 安全排放 樣氣經分析器分析檢測后的尾氣排放，可直接用≥Ø12×1的不銹鋼管，如有防爆要求和多臺分析器，以及有快速旁路時，宜采用帶阻火器的集管式安全放空罩。冷凝液的排放，也應用集管式（自動）安全排放。 3.14 自控單元 PLC自控單元 完成反吹、切換氣路、各項報警等多種自動控制功能。 3.15 數據處理及遠傳單元 GPRS 通訊部件（任選件） 3.16 現場安裝施工設計 如水泥窯尾在線分析系統，干法高溫取樣探頭系統的安裝施工，本來就屬于高溫探頭的有機組成部分。高溫探頭的設計圖就包括高溫探頭的安裝施工圖。 3.17 在線分析系統的工程現場投運技術 這可以用名民間常用語來表述：會者不難，難者不會。 4 重慶凌卡分析器器有限公司行走在樣氣處理系統技術的前沿 4.1 重慶凌卡分析器器有限公司是科技創新型民營股份制企業，以發展在線分析工程技術和樣氣處理系統技術，推進在線分析系統的工程應用為已任，已開通“中國在線分析系統網”電子商務平臺。 4.2 重慶凌卡分析器器有限公司的技術優勢與創新能力 ● 技術總監金義忠先生是分析器器行業創新意識很強的資深專家，曾經承擔并完成四項國家級科技攻關項目，對樣氣處理技術有36年之久的工程實踐經驗，曾兩次去德國H&B公司技術考察，對國外先進技術有深入的了解，對工程應用也有獨特感悟。 ● 研發團隊于2008年申請一項發明專利和實用新型專利，并很快轉入生產研制。 ● 研發LKS 1500系列在線分析系統。 ● 凌卡公司以“創新、持續創新”作為企業核心競爭力。 4.3 重慶凌卡分析器器有限公司的產業優勢 ● 系列化探頭是其第一重點，LKP 103通用型中溫取樣探頭和LKP 104型可拆式化工取樣探頭是其代表。 ● 系列化過濾器是其第二重點，最具特色的是高效自吹洗綜合過濾器（實用新型專利技術）。 探頭高精度過濾器的過濾精度≥0.3um 99%，此為行業先進水平； 后級高精度過濾器的過濾精度是 ≥0.3um 99.9999% ≥0.05um 99% 這也屬行業先進水平。 ● 整合和創新后樣氣處理系統，代表性是“本安型樣氣處理系統”。 ● 集成了多項創新技術要素，引入了“15年壽命周期”工程設計新理念的LKS 1500系列在線分析系統。 5 面對樣氣處理系統技術的沉思 本 “新論”實質是極簡單的概論，文章雖長，卻遠未說完、說透，細想沉思之余，仍有諸多感慨： ● 樣氣處理系統技術，是無法界定其邊界的21世紀前沿技術，它漫無邊際。 ● 樣氣處理系統技術，是無法探測其深度的21世紀前沿技術，它高深莫測。 ● 樣氣處理系統技術，是前途無量的21世紀前沿技術，既傳統，更年青，它活力無限。 ● 樣氣處理系統技術，是以工程應用為目的的實用技術，實踐工程學是它的靈魂。 ● 樣氣處理系統技術，是項費力不討好的艱難責任，對真才實學也是一種苛刻的考驗。為了人類凈空、凈地、凈水乃至凈餐的夢想，凌卡才會有如此的責任感和創新的沖動，不顧樣氣處理系統技術的漫無邊際與高深莫測，竟然縱身進入這一科技前沿探險。