原位處理法在線分析系統的研究與實踐

楊永龍　曹旭鵬　李清玲　孫小媛　金義忠，2

(1.重慶科技學院，重慶 401331； 2. 重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶 400041)

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原位處理法在線分析系統的研究與實踐

楊永龍1曹旭鵬1李清玲1孫小媛1金義忠1，2

(1.重慶科技學院，重慶 401331； 2. 重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶 400041)

原位處理法是創新設計的技術概念，據此概念設計的原位處理法在線分析系統，既克服了傳統直接抽取法在線分析系統的缺點，又能超越原位安裝法在線分析儀的局限，為特定在線分析系統的產品技術升級，尋找到一條新的技術路徑。原位處理法在線分析系統的研究，是基于在線分析技術應用型基礎理論的引導，其整體優化設計必須要有功能強大的先進元件和核心部件為技術基礎。本文列舉的三項原位處理法在線分析系統成功開展工程應用的實例，在促進產品技術升級中都發揮了重要作用，具有突破性創新的高端品質。

原位處理法直接抽取法取樣探頭系統在線分析系統

1　在線分析系統工程應用的宏觀要求

在線分析系統(以下簡稱OAS)廣泛應用于流程工業、環境保護和科學研究，都得堅持工程導向，進入千差萬別的工程現場，非常需要首先明確工程應用對OAS在宏觀層面的嚴苛要求。

在2007年第二屆在線分析儀器應用及發展國際論壇上，在朱良漪教授的主旨報告“21世紀的前沿技術‘分析技術’與‘自動化的系統集成’”中，他最后特別關注的“難點和閃點：取樣(探頭)系統，可靠性、少維護、軟件技術”[1]。在線分析儀器專業委員會黃步余主任委員提出“石化行業在線分析系統要有15年的壽命周期。”

在線分析系統很難用技術指標進行準確評價，可以采用宏觀的技術思維，綜合出如下重點：應該研發可靠性高的少維護取樣探頭系統，以保證OAS的長壽命周期，我們據此就找準了OAS創新設計的一個突破口。

2　原位處理法在線分析系統的概念設計

創新無禁區，創新可以從設計技術概念開始。

2.1原位處理法技術概念的提出

直接抽取法OAS長期都是本行業的主流技術，其技術及產品結構都很成熟，經過復雜處理過程后的樣氣大多能達到接近標準氣般的高品質，能夠較好滿足在線分析儀的苛刻要求。但隨著使用的深入，直接抽取法的缺點也逐漸被業界認識：技術結構復雜，制造成本高，反映速度較慢，安裝和維護困難。特別近幾年來，發現直接抽取法新產生 “共生信息”的廣義干擾，被測組分的流失會嚴重降低檢測準確度，甚至會造成工程應用的失敗，這就到了非重新尋找破解之法的關鍵時刻。

聚光科技的激光分析儀首開原位安裝法的先河，發射單元和接受單元相對安裝在煙道上，實際上并不存在直接抽取法那樣的樣氣處理系統，結構的突破式簡化，自然制造成本大為降低，維護量似乎也可以降下來了。但是，工程實踐清楚表明，原位安裝法并不是只有優點沒有局限。首先，安裝時相當困難，長期工程應用中的高水分、高粉塵、強腐蝕的惡劣樣氣條件，原位安裝法還是不能很好的普遍適應，準確計量遇到復雜技術因素的挑戰；再有，現場校準也是個難題，大型煙道也難以適用。可見，少維護并沒有真正完全實現。

如何克服直接抽取法的固有缺點，又超越原位安裝法新的局限呢？將傳統文化的“中庸”之道轉變成技術概念，就會自然提出“原位處理法”：既不同于直接抽取法，要將取樣后的樣氣遠傳至分析機柜內進行全面復雜的樣氣處理；也不同于原位安裝法的幾乎全無樣氣處理。原位處理法的技術本質是：在取樣點抽取樣氣，并在原位進行必要的樣氣處理，最主要的是高效過濾除塵和樣品的絕對保真，樣氣并不再遠傳和進行除濕等處理。重慶凌卡公司于2009年就曾設計過原位處理法的整體式取樣探頭[2]，很遺憾，后來的工程應用沒有堅持下去。

2.2原位處理法在線分析系統的概念設計

原位處理法在線分析系統的定義：樣氣在取樣點原位完成抽取、高效除塵和抗廣義干擾的樣氣保真等處理，以這種原位處理法組合在線分析儀構建的在線分析系統，稱為原位處理法在線分析系統。

3　原位處理法在線分析系統的理論探索

任何專業技術的健康發展都離不開技術理論的引導和規范。原位處理法在線分析系統的研究，直接受益于在線分析技術應用型基礎理論的引導。

3.1在線分析系統應用型理論的核心要點

金義忠教授在行業首倡在線分析系統應用型基礎理論的初創，并在第三、五、六屆在線分析儀器應用及發展國際論壇上發表三篇相關論文：“在線分析系統工程應用協調運行的綜合研究”[3]、“構建在線分析系統基礎理論的探索研究”[4]和“在線分析系統基礎理論和整體優化設計的探索研究”[5]。

在線分析系統的基礎理論就是系統學，它直接來源于我國最偉大的科學家錢學森院士的系統學理論[6]。

在線分析系統基礎理論有如下兩大核心要點：

(1)在線分析系統的層級結構，共5個層級，如圖1所示。

OAS層級結構所表達的技術邏輯和技術體系都十分清晰，為了徹底解決好OAS的技術沖突，必須要有多維度的技術視野。

(2)在線分析系統是開放性的復雜技術系統

在線分析系統的開放性主要表現在與其外部環境(樣氣條件、環境條件以及安裝條件等)長期存在動態的物質交換、能量交換和信息交換。這是OAS整體優化設計的重要技術根據。如果搞不清楚這類隱秘的交換，就找不出產生廣義干擾的共生信息來源，OAS最終的準確檢測和監控也就完全不可能。

3.2在線分析系統的整體優化設計

OAS的整體優化設計不僅是設計方法問題，也涉及技術理論問題。在認真學習前蘇聯發明大師根里奇·阿奇舒勒的發明問題解決理論TRIZ(萃智)后，發現其中的最終理想解(IFR)理論完全可以融入OAS的整體優化設計，最終綜合成了OAS的“協調進化五原則”[7]：

(1)很好保留了原系統的優點；

(2)完全克服了原系統的缺點和局限；

(3)新系統沒有變得更復雜和成本更高；

(4)新系統沒有引入新的缺陷和技術風險；

(5)新系統最終能少維護、長壽命周期地協調運行。

4　原位處理法在線分析系統的技術基礎

原位處理法OAS要真正成為既簡單，又可靠、少維護、長壽命，技術成熟度更高的高端產品，除要有技術理論支撐外，強大的技術基礎更不可缺少。

4.1高端在線分析儀是在線分析系統的核心4.2功能強大的樣氣處理核心基礎元件和核心基礎部件

工信部啟動2015年工業強基專項行動，核心內容是“持續提升關鍵基礎材料、核心基礎零部件(元器件)、先進基礎工藝和產業技術基礎(即四基)等工業基礎能力，加快促進工業轉型升級”[8]。

原位處理法在線分析系統所實現的技術升級，也正是依賴于功能強大的核心基礎元件和部件，僅舉其兩個突出的代表：

(1)高精度、低阻力、抗污染的探頭過濾器

LKF2N型超微孔SiC疏水高效過濾器是重慶凌卡的核心技術產品，高效過濾精度0.3μm 99%，氣流阻力小至80Pa，而行業的普遍水平是>3～5μm；還有納米油水雙疏特性，抗污染，易反吹掃，長壽命。簡形尺寸有Φ27×Φ16×50mm、Φ42×Φ19×90mm、Φ50×Φ20×135mm等規格。特殊結構和特殊工藝所形成的表面過濾技術，很容易實現長期無堵塞連續取樣，是和傳統深度過濾器有本質區別的核心基礎元件。

(2)防堵塞、恒流量氣動采樣泵

LKP404型防堵塞、恒流量氣動采樣泵是重慶科技學院的發明專利產品，仍采用文丘里原理，樣氣入口和混合氣出口在同一條軸線上貫通，能防堵塞。樣氣流量7L/min左右，可調節，抽吸負壓力優于-30KPa，部件總高度8厘米。作為驅動力的儀表空氣壓力在0.5～0.3MPa變化時，輸出流量基本保持不變。

傳統結構的LKP402型氣動采樣泵適用于要求樣氣流量更大的項目(圖2)。

5　旁路抽取法激光微量氨在線分析系統

用于脫硝(SCR)的旁路抽取式激光微量氨在線分析系統，是原位處理法工程應用的第一個范例，氣路流程圖如圖3所示，其核心是抽取式旁路測量裝置。

2011年，環保脫硝(SCR)工程剛剛啟動，ABB、西門子、掘場等外企的激光微量氨分析儀在電廠原位安裝使用，都因煙氣粉塵含量過高，且缺乏均一性，短期內就很難檢測出信號。北京航天益來電子科技有限公司采用 “原位處理法”整體解決方案，工程應用很快取得成功。

抽取式旁路測量裝置的取樣探頭采用內置LKF2N型高效過濾器(Φ50×Φ20×135mm)，過濾精度是0.3μm 99%，抽氣采用LKP402型氣動采樣泵，探頭、樣氣電熱管和測量氣室都恒功率加熱到200℃。氣室中的樣氣已相當潔凈，其它參數和狀態與煙氣完全相同，激光發射端和激光接收端處在外置測量氣室的兩端，如此升級換代的產品能長期穩定、可靠、少維護、準確地檢測<3×10-6的微量逃逸氨，已成為該細分領域的主流產品之一。這種旁路抽取式激光微量氨監測系統的外形圖見圖4。

6　高溫原位整體式激光微量氨監測系統

脫硝是環保產業的最大熱點之一，已出現爆發性增長。西安熱工研究院羅志的研究報告“SCR對空氣預熱器的影響分析”(PPT)[9]，對脫硝(SCR)工藝過程有深入研究，發現氨和煙氣中的SO3反應會生產硫酸氨銨(NH4HSO4),燃油、燃氣電廠的硫酸氨銨在146～232℃下仍是液態，還會和煙氣中的飛灰結合，不但腐蝕設備，還會引起空預器阻力增大甚至堵塞，嚴重影響正常發電。因此，脫硝激光微量氨監測系統的全程加熱溫度應該是230℃，否則存在微量逃逸氨(技術標準為<3×10-6)檢測誤差會很大等一系列技術風險。目前川儀的全程加熱溫度是185℃，其它公司多為200℃。

優勝光分(南京)公司的激光微量氨分析儀頗具技術優勢，研制的高溫(230℃)型激光微量氨監測系統，卻意外遭遇新的技術瓶頸：探頭過濾器和抽氣用氣動采樣泵頻繁堵塞，維護周期很短，工程用戶難以承受。

重慶科技學院在線分析技術團隊為此研發了“高溫(230℃)原位處理整體式取樣探頭系統”，采用本發明專利的技術方案，經過整體優化后的高溫原位處理整體式脫硝微量逃逸氨監測系統的維護周期可能延長到半年，完全實現了少維護的工程應用目標。經工程現場驗證，正常檢測值為3.5×10-6NH3的工況，若降低到200℃以下，NH3的檢測值<2×10-6，誤差很大。

高溫原位處理整體式取樣探頭系統的氣路流程圖見圖5。本發明技術方案的核心是采用了LKF2N型超微孔SiC疏水高效過濾器(Φ42×Φ19×90mm)，LKP404型防堵賽、恒流量的氣動采樣泵；以及表面過濾技術探頭過濾器獨有的外反吹掃技術。樣氣高效、可靠的原位處理，才使230℃的全程高溫成為可能。而且，本文圖3、圖4中那根1～2m長的粗大電熱管也取消了，代之以只有幾厘米長的不銹鋼管，使取樣探頭之外的所有部分，包括激光發射端和接收端全都組合在長方形的探頭保護箱內，成為整體式的結構設計。其中測量氣室和激光發射端、接收端為獨立安裝，方便調試，從技術系統分析，他們應該全屬于激光微量氨分析儀。

7　原位整體式激光瓦斯監測系統

煤礦管道瓦斯氣(主要成份是CH4)在線監測系統，涉及安全生產和瓦斯氣利用，已成為煤礦安全監控的重點之一。長期以來全行業都采用簡單設計的直接抽取法，樣氣除塵精度>10μm，還嚴重帶水，不但樣氣處理系統的維護量很大，故障頻繁，瓦斯分析儀的壽命周期也大為縮短，要求產品技術升級的呼聲日漸高漲。

重慶梅安森公司新研發了激光瓦斯分析儀，因其靈敏度高、運行穩定、檢測準確，成功實現瓦斯分析儀的產品技術升級，將完全取代熱導、紅外、電化學瓦斯分析儀等傳統產品，樣品處理系統技術則采用了重慶科技學院的發明專利“原位整體式瓦斯處理裝置”。

原位整體式瓦斯樣氣處理裝置是原位處理原理，整體結構設計，其核心是：

(1)采用LKF2N型超微孔SiC疏水高效過濾器(Φ27×Φ16×50mm)設計的組合式高效除霧過濾分離器，精度是0.3μm 99%。

(2)采用LKF1N型疏水超高效聚合過濾薄膜(Φ46.5mm、t=0.4)設計的超高效膜式過濾器，過濾精度是0.05μm 99%。

(3)裝置的粉塵分離罩使瓦斯氣進入取樣管的液態水，粉塵等污染物大比例減少，凝結分離出的液霧水滴和過濾出的粉塵會靠自重落下，以垂直方向回流入瓦斯管道中去，從而實現少維護和瓦斯氣零排放。

以上三方面的綜合作用，就是近乎免維護的高品質瓦斯樣氣處理，對瓦斯分析儀實現了特效保護；小型化的整體結構，制造成本低，生產效率高。

原位整體式激光瓦斯監測系統是本質安全型產品，工程應用的少維護、高可靠的高端品質，低成本地實現了該細分領域的產業技術升級。

原位整體式瓦斯處理裝置的原理及外形，如圖6和圖7所示。

8　原位處理法在線分析系統的再討論

(1)在線分析系統的技術發展，應該遵從工程導向的原則。在重點工程上舉步維艱，或者根本行不通的傳統技術及其老產品，都必須果斷采用技術升級的整體優化設計予以突破性地解決。

(2)創新的產品技術必須高端化，而且技術成熟度要高。產品技術的高成熟度必須依靠強基工程的技術支撐，采用先進的成熟技術是必須的。

(3)在線分析系統是一個開放的多層級技術系統，這是能夠開展各種形式突破性創新和協調性創新的基本前提，當前，應當更多關注在線分析系統的協調性創新。在某些方面，我們或有可能超越長期處于高端壟斷地位的知名外企產品。

(4)原位處理法和環保行業的“原位抽取熱濕法”有本質不同：熱濕法主要強調煙氣原有熱濕狀態的保持，原位處理法不一定要保持樣氣原有的熱濕狀態，但更強調必需的原位處理，一切以能夠完全滿足在線分析系統客觀的技術需要來進行整體優化設計。

(5)在線分析系統的設計，原位處理法并不普遍適用。但是原位處理法為特定在線分析系統產品技術的升級，尋找到一條新的技術路徑，所表現出的獨特優勢和方法論意義，值得關注和思考，應該探索擴大其應用范圍的可能性。

本文的三個新型在線分析系統開展工程應用的實例，之所以第一次進入工程現場，很快就能取得比較完滿的成功，這是采用了成熟度高的先進技術，對在線分析系統實施了符合“協調進化五原則”的整體優化設計的結果。即將系統產品的性能和質量、品質真正解決在研發設計階段，而不是寄希望于進入工程現場之后的反復整改，這是截然不同的技術路線，自然就有截然不同技術風格的工程師。這種理性的技術思維可以用一句話來歸納和表達：工程師的成功，是科技創新方法論的成功。

[1]朱良漪.21世紀的前沿技術“分析技術”與“自動化的系統集成”.第二屆在線分析儀器應用及發展國際論壇論文集，2007:4-6.

[2]金義忠、鄧發榮.在線分析樣氣處理的原位處理法研究.環保聚光，2009(2)：18-22.

[3]金義忠.在線分析系統工程應用協調運行的綜合研究.第三屆在線分析儀器應用及發展國際論壇論文集，2010：30-37.

[4]金義忠.構建在線分析系統基礎理論的探索研究.第五屆在線分析儀器應用及發展國際論壇論文集，2012：96-104.

[5]金義忠、姜培剛.在線分析系統基礎理論和整體優化設計的探索研究.第六屆在線分析儀器應用及發展國際論壇論文集，2013：151-159.

[6]錢學森.創建系統學[M].太原:山西人民出版社，2001：28-31.

[7]楊清亮.發明是這樣誕生的—TRIZ理論全接觸[M].機械工業出版社，2006：25-32.

[8]工信部啟動2015年工業強基專項行動.中國儀器儀表行業信息，2015，(4)：12-13.

[9]羅志.SCR對空氣預熱器的影響分析(PPT技術研究報告).

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)

This paper introduces the theory of in-situ transaction method and some successful examples. The method have played an important role in production.

in-situ transaction method; direct extraction method； sampling probe system; on-line analysis system

重慶科技學院研究生科技創新項目(YKJCX2014039)

楊永龍，男，1988年生，在讀研究生，研究方向：在線分析技術及樣品處理系統的工程應用研究，E-mail：786150343@qq.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.014

2015-07-12