原位处理法在线分析系统的研究与实践

2016-09-07杨永龙曹旭鹏李清玲孙小媛金义忠

分析仪器 2016年2期

关键词：原位分析仪瓦斯

杨永龙　曹旭鹏　李清玲　孙小媛　金义忠，2

(1.重庆科技学院，重庆 401331； 2. 重庆凌卡分析仪器有限公司，重庆 400041)

原位处理法在线分析系统的研究与实践

杨永龙1曹旭鹏1李清玲1孙小媛1金义忠1，2

(1.重庆科技学院，重庆 401331； 2. 重庆凌卡分析仪器有限公司，重庆 400041)

原位处理法是创新设计的技术概念，据此概念设计的原位处理法在线分析系统，既克服了传统直接抽取法在线分析系统的缺点，又能超越原位安装法在线分析仪的局限，为特定在线分析系统的产品技术升级，寻找到一条新的技术路径。原位处理法在线分析系统的研究，是基于在线分析技术应用型基础理论的引导，其整体优化设计必须要有功能强大的先进元件和核心部件为技术基础。本文列举的三项原位处理法在线分析系统成功开展工程应用的实例，在促进产品技术升级中都发挥了重要作用，具有突破性创新的高端品质。

原位处理法直接抽取法取样探头系统在线分析系统

1　在线分析系统工程应用的宏观要求

在线分析系统(以下简称OAS)广泛应用于流程工业、环境保护和科学研究，都得坚持工程导向，进入千差万别的工程现场，非常需要首先明确工程应用对OAS在宏观层面的严苛要求。

在2007年第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛上，在朱良漪教授的主旨报告“21世纪的前沿技术‘分析技术’与‘自动化的系统集成’”中，他最后特别关注的“难点和闪点：取样(探头)系统，可靠性、少维护、软件技术”[1]。在线分析仪器专业委员会黄步余主任委员提出“石化行业在线分析系统要有15年的寿命周期。”

在线分析系统很难用技术指标进行准确评价，可以采用宏观的技术思维，综合出如下重点：应该研发可靠性高的少维护取样探头系统，以保证OAS的长寿命周期，我们据此就找准了OAS创新设计的一个突破口。

2　原位处理法在线分析系统的概念设计

创新无禁区，创新可以从设计技术概念开始。

2.1原位处理法技术概念的提出

直接抽取法OAS长期都是本行业的主流技术，其技术及产品结构都很成熟，经过复杂处理过程后的样气大多能达到接近标准气般的高品质，能够较好满足在线分析仪的苛刻要求。但随着使用的深入，直接抽取法的缺点也逐渐被业界认识：技术结构复杂，制造成本高，反映速度较慢，安装和维护困难。特别近几年来，发现直接抽取法新产生 “共生信息”的广义干扰，被测组分的流失会严重降低检测准确度，甚至会造成工程应用的失败，这就到了非重新寻找破解之法的关键时刻。

聚光科技的激光分析仪首开原位安装法的先河，发射单元和接受单元相对安装在烟道上，实际上并不存在直接抽取法那样的样气处理系统，结构的突破式简化，自然制造成本大为降低，维护量似乎也可以降下来了。但是，工程实践清楚表明，原位安装法并不是只有优点没有局限。首先，安装时相当困难，长期工程应用中的高水分、高粉尘、强腐蚀的恶劣样气条件，原位安装法还是不能很好的普遍适应，准确计量遇到复杂技术因素的挑战；再有，现场校准也是个难题，大型烟道也难以适用。可见，少维护并没有真正完全实现。

如何克服直接抽取法的固有缺点，又超越原位安装法新的局限呢？将传统文化的“中庸”之道转变成技术概念，就会自然提出“原位处理法”：既不同于直接抽取法，要将取样后的样气远传至分析机柜内进行全面复杂的样气处理；也不同于原位安装法的几乎全无样气处理。原位处理法的技术本质是：在取样点抽取样气，并在原位进行必要的样气处理，最主要的是高效过滤除尘和样品的绝对保真，样气并不再远传和进行除湿等处理。重庆凌卡公司于2009年就曾设计过原位处理法的整体式取样探头[2]，很遗憾，后来的工程应用没有坚持下去。

2.2原位处理法在线分析系统的概念设计

原位处理法在线分析系统的定义：样气在取样点原位完成抽取、高效除尘和抗广义干扰的样气保真等处理，以这种原位处理法组合在线分析仪构建的在线分析系统，称为原位处理法在线分析系统。

3　原位处理法在线分析系统的理论探索

任何专业技术的健康发展都离不开技术理论的引导和规范。原位处理法在线分析系统的研究，直接受益于在线分析技术应用型基础理论的引导。

3.1在线分析系统应用型理论的核心要点

金义忠教授在行业首倡在线分析系统应用型基础理论的初创，并在第三、五、六届在线分析仪器应用及发展国际论坛上发表三篇相关论文：“在线分析系统工程应用协调运行的综合研究”[3]、“构建在线分析系统基础理论的探索研究”[4]和“在线分析系统基础理论和整体优化设计的探索研究”[5]。

在线分析系统的基础理论就是系统学，它直接来源于我国最伟大的科学家钱学森院士的系统学理论[6]。

在线分析系统基础理论有如下两大核心要点：

(1)在线分析系统的层级结构，共5个层级，如图1所示。

OAS层级结构所表达的技术逻辑和技术体系都十分清晰，为了彻底解决好OAS的技术冲突，必须要有多维度的技术视野。

(2)在线分析系统是开放性的复杂技术系统

在线分析系统的开放性主要表现在与其外部环境(样气条件、环境条件以及安装条件等)长期存在动态的物质交换、能量交换和信息交换。这是OAS整体优化设计的重要技术根据。如果搞不清楚这类隐秘的交换，就找不出产生广义干扰的共生信息来源，OAS最终的准确检测和监控也就完全不可能。

3.2在线分析系统的整体优化设计

OAS的整体优化设计不仅是设计方法问题，也涉及技术理论问题。在认真学习前苏联发明大师根里奇·阿奇舒勒的发明问题解决理论TRIZ(萃智)后，发现其中的最终理想解(IFR)理论完全可以融入OAS的整体优化设计，最终综合成了OAS的“协调进化五原则”[7]：

(1)很好保留了原系统的优点；

(2)完全克服了原系统的缺点和局限；

(3)新系统没有变得更复杂和成本更高；

(4)新系统没有引入新的缺陷和技术风险；

(5)新系统最终能少维护、长寿命周期地协调运行。

4　原位处理法在线分析系统的技术基础

原位处理法OAS要真正成为既简单，又可靠、少维护、长寿命，技术成熟度更高的高端产品，除要有技术理论支撑外，强大的技术基础更不可缺少。

4.1高端在线分析仪是在线分析系统的核心4.2功能强大的样气处理核心基础元件和核心基础部件

工信部启动2015年工业强基专项行动，核心内容是“持续提升关键基础材料、核心基础零部件(元器件)、先进基础工艺和产业技术基础(即四基)等工业基础能力，加快促进工业转型升级”[8]。

原位处理法在线分析系统所实现的技术升级，也正是依赖于功能强大的核心基础元件和部件，仅举其两个突出的代表：

(1)高精度、低阻力、抗污染的探头过滤器

LKF2N型超微孔SiC疏水高效过滤器是重庆凌卡的核心技术产品，高效过滤精度0.3μm 99%，气流阻力小至80Pa，而行业的普遍水平是>3～5μm；还有纳米油水双疏特性，抗污染，易反吹扫，长寿命。简形尺寸有Φ27×Φ16×50mm、Φ42×Φ19×90mm、Φ50×Φ20×135mm等规格。特殊结构和特殊工艺所形成的表面过滤技术，很容易实现长期无堵塞连续取样，是和传统深度过滤器有本质区别的核心基础元件。

(2)防堵塞、恒流量气动采样泵

LKP404型防堵塞、恒流量气动采样泵是重庆科技学院的发明专利产品，仍采用文丘里原理，样气入口和混合气出口在同一条轴线上贯通，能防堵塞。样气流量7L/min左右，可调节，抽吸负压力优于-30KPa，部件总高度8厘米。作为驱动力的仪表空气压力在0.5～0.3MPa变化时，输出流量基本保持不变。

传统结构的LKP402型气动采样泵适用于要求样气流量更大的项目(图2)。

5　旁路抽取法激光微量氨在线分析系统

用于脱硝(SCR)的旁路抽取式激光微量氨在线分析系统，是原位处理法工程应用的第一个范例，气路流程图如图3所示，其核心是抽取式旁路测量装置。

2011年，环保脱硝(SCR)工程刚刚启动，ABB、西门子、掘场等外企的激光微量氨分析仪在电厂原位安装使用，都因烟气粉尘含量过高，且缺乏均一性，短期内就很难检测出信号。北京航天益来电子科技有限公司采用 “原位处理法”整体解决方案，工程应用很快取得成功。

抽取式旁路测量装置的取样探头采用内置LKF2N型高效过滤器(Φ50×Φ20×135mm)，过滤精度是0.3μm 99%，抽气采用LKP402型气动采样泵，探头、样气电热管和测量气室都恒功率加热到200℃。气室中的样气已相当洁净，其它参数和状态与烟气完全相同，激光发射端和激光接收端处在外置测量气室的两端，如此升级换代的产品能长期稳定、可靠、少维护、准确地检测<3×10-6的微量逃逸氨，已成为该细分领域的主流产品之一。这种旁路抽取式激光微量氨监测系统的外形图见图4。

6　高温原位整体式激光微量氨监测系统

脱硝是环保产业的最大热点之一，已出现爆发性增长。西安热工研究院罗志的研究报告“SCR对空气预热器的影响分析”(PPT)[9]，对脱硝(SCR)工艺过程有深入研究，发现氨和烟气中的SO3反应会生产硫酸氨铵(NH4HSO4),燃油、燃气电厂的硫酸氨铵在146～232℃下仍是液态，还会和烟气中的飞灰结合，不但腐蚀设备，还会引起空预器阻力增大甚至堵塞，严重影响正常发电。因此，脱硝激光微量氨监测系统的全程加热温度应该是230℃，否则存在微量逃逸氨(技术标准为<3×10-6)检测误差会很大等一系列技术风险。目前川仪的全程加热温度是185℃，其它公司多为200℃。

优胜光分(南京)公司的激光微量氨分析仪颇具技术优势，研制的高温(230℃)型激光微量氨监测系统，却意外遭遇新的技术瓶颈：探头过滤器和抽气用气动采样泵频繁堵塞，维护周期很短，工程用户难以承受。

重庆科技学院在线分析技术团队为此研发了“高温(230℃)原位处理整体式取样探头系统”，采用本发明专利的技术方案，经过整体优化后的高温原位处理整体式脱硝微量逃逸氨监测系统的维护周期可能延长到半年，完全实现了少维护的工程应用目标。经工程现场验证，正常检测值为3.5×10-6NH3的工况，若降低到200℃以下，NH3的检测值<2×10-6，误差很大。

高温原位处理整体式取样探头系统的气路流程图见图5。本发明技术方案的核心是采用了LKF2N型超微孔SiC疏水高效过滤器(Φ42×Φ19×90mm)，LKP404型防堵赛、恒流量的气动采样泵；以及表面过滤技术探头过滤器独有的外反吹扫技术。样气高效、可靠的原位处理，才使230℃的全程高温成为可能。而且，本文图3、图4中那根1～2m长的粗大电热管也取消了，代之以只有几厘米长的不锈钢管，使取样探头之外的所有部分，包括激光发射端和接收端全都组合在长方形的探头保护箱内，成为整体式的结构设计。其中测量气室和激光发射端、接收端为独立安装，方便调试，从技术系统分析，他们应该全属于激光微量氨分析仪。

7　原位整体式激光瓦斯监测系统

煤矿管道瓦斯气(主要成份是CH4)在线监测系统，涉及安全生产和瓦斯气利用，已成为煤矿安全监控的重点之一。长期以来全行业都采用简单设计的直接抽取法，样气除尘精度>10μm，还严重带水，不但样气处理系统的维护量很大，故障频繁，瓦斯分析仪的寿命周期也大为缩短，要求产品技术升级的呼声日渐高涨。

重庆梅安森公司新研发了激光瓦斯分析仪，因其灵敏度高、运行稳定、检测准确，成功实现瓦斯分析仪的产品技术升级，将完全取代热导、红外、电化学瓦斯分析仪等传统产品，样品处理系统技术则采用了重庆科技学院的发明专利“原位整体式瓦斯处理装置”。

原位整体式瓦斯样气处理装置是原位处理原理，整体结构设计，其核心是：

(1)采用LKF2N型超微孔SiC疏水高效过滤器(Φ27×Φ16×50mm)设计的组合式高效除雾过滤分离器，精度是0.3μm 99%。

(2)采用LKF1N型疏水超高效聚合过滤薄膜(Φ46.5mm、t=0.4)设计的超高效膜式过滤器，过滤精度是0.05μm 99%。

(3)装置的粉尘分离罩使瓦斯气进入取样管的液态水，粉尘等污染物大比例减少，凝结分离出的液雾水滴和过滤出的粉尘会靠自重落下，以垂直方向回流入瓦斯管道中去，从而实现少维护和瓦斯气零排放。

以上三方面的综合作用，就是近乎免维护的高品质瓦斯样气处理，对瓦斯分析仪实现了特效保护；小型化的整体结构，制造成本低，生产效率高。

原位整体式激光瓦斯监测系统是本质安全型产品，工程应用的少维护、高可靠的高端品质，低成本地实现了该细分领域的产业技术升级。

原位整体式瓦斯处理装置的原理及外形，如图6和图7所示。

8　原位处理法在线分析系统的再讨论

(1)在线分析系统的技术发展，应该遵从工程导向的原则。在重点工程上举步维艰，或者根本行不通的传统技术及其老产品，都必须果断采用技术升级的整体优化设计予以突破性地解决。

(2)创新的产品技术必须高端化，而且技术成熟度要高。产品技术的高成熟度必须依靠强基工程的技术支撑，采用先进的成熟技术是必须的。

(3)在线分析系统是一个开放的多层级技术系统，这是能够开展各种形式突破性创新和协调性创新的基本前提，当前，应当更多关注在线分析系统的协调性创新。在某些方面，我们或有可能超越长期处于高端垄断地位的知名外企产品。

(4)原位处理法和环保行业的“原位抽取热湿法”有本质不同：热湿法主要强调烟气原有热湿状态的保持，原位处理法不一定要保持样气原有的热湿状态，但更强调必需的原位处理，一切以能够完全满足在线分析系统客观的技术需要来进行整体优化设计。

(5)在线分析系统的设计，原位处理法并不普遍适用。但是原位处理法为特定在线分析系统产品技术的升级，寻找到一条新的技术路径，所表现出的独特优势和方法论意义，值得关注和思考，应该探索扩大其应用范围的可能性。

本文的三个新型在线分析系统开展工程应用的实例，之所以第一次进入工程现场，很快就能取得比较完满的成功，这是采用了成熟度高的先进技术，对在线分析系统实施了符合“协调进化五原则”的整体优化设计的结果。即将系统产品的性能和质量、品质真正解决在研发设计阶段，而不是寄希望于进入工程现场之后的反复整改，这是截然不同的技术路线，自然就有截然不同技术风格的工程师。这种理性的技术思维可以用一句话来归纳和表达：工程师的成功，是科技创新方法论的成功。

[1]朱良漪.21世纪的前沿技术“分析技术”与“自动化的系统集成”.第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集，2007:4-6.

[2]金义忠、邓发荣.在线分析样气处理的原位处理法研究.环保聚光，2009(2)：18-22.

[3]金义忠.在线分析系统工程应用协调运行的综合研究.第三届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集，2010：30-37.

[4]金义忠.构建在线分析系统基础理论的探索研究.第五届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集，2012：96-104.

[5]金义忠、姜培刚.在线分析系统基础理论和整体优化设计的探索研究.第六届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集，2013：151-159.

[6]钱学森.创建系统学[M].太原:山西人民出版社，2001：28-31.

[7]杨清亮.发明是这样诞生的—TRIZ理论全接触[M].机械工业出版社，2006：25-32.

[8]工信部启动2015年工业强基专项行动.中国仪器仪表行业信息，2015，(4)：12-13.

[9]罗志.SCR对空气预热器的影响分析(PPT技术研究报告).

Research on on-line analysis system of in-situ transaction method.

Yang Yonglong1,Cao Xupeng1,Li Qingling1, Sun Xiaoyuan1, Jin Yizhong1,2

(1.ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China;2.ChongqingLinkaAnalyticalInstrumentsCo.,Ltd.,Chongqing400041,China)