在線分析樣品氣前級冷卻方案設(shè)計

侯成民，張 烈

（北京北分麥哈克分析儀器有限公司，北京 100095）

0 引言

在線分析儀器的制造和應(yīng)用已有60 多年的歷史。隨著國內(nèi)石化、冶金、電力及煤化工等行業(yè)的工業(yè)裝置的大型化和整體技術(shù)裝備水平的提升，以及對節(jié)能降耗，提高質(zhì)量，治污減排和安全生產(chǎn)的日益追求，在線分析儀器的重要性和使用量與日俱增[1]。

在線分析是儀器分析的一個重要發(fā)展方向，是一個很有發(fā)展前途的分支[2]。目前，國外廣泛使用在線分析儀器來代替實驗室儀器，而國內(nèi)流程工業(yè)中仍有相當(dāng)一部分企業(yè)專注于實驗室分析[2]。與傳統(tǒng)的人工取氣檢測相比，在線自動化分析具有連續(xù)監(jiān)測、精準(zhǔn)度高、實時性好、操作方便等優(yōu)勢。它可以達(dá)到提高自動化水平，降低人工成本，精細(xì)化生產(chǎn)管理等目的。一些企業(yè)已經(jīng)意識到這些問題，并正在逐步加大在線分析儀器的投資比例[1]。

近年來，隨著全民環(huán)保意識的增強，以及相關(guān)主管部門對污染控制、減排和環(huán)境保護(hù)工作的高度重視和大力推進(jìn)，在線分析儀器在煙氣排放連續(xù)監(jiān)測（CEMS）和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放控制中的應(yīng)用逐年增加，使其具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力[1]。

中國2022 年修訂的《大氣污染防治法》規(guī)定：“重點排污單位應(yīng)當(dāng)安裝大氣污染排放自動監(jiān)測設(shè)備，與環(huán)境保護(hù)主管部門的監(jiān)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，并保證監(jiān)測設(shè)備正常運行”[1]。一些國外在線分析知名品牌和國內(nèi)在線分析龍頭企業(yè)紛紛開始涉入環(huán)保領(lǐng)域，一個在線分析的新時代即將開啟。

1 前級降溫預(yù)處理裝置

1.1 設(shè)計必要性

如果說分析儀器是在線分析行業(yè)的核心，那么預(yù)處理裝置就是在線分析行業(yè)的靈魂。樣氣處理系統(tǒng)通過降溫、減壓、過濾和干燥，確保分析儀器能夠在最短的滯后時間內(nèi)，獲得最具代表性的工藝樣品。分析儀器能否測量準(zhǔn)確，甚至能否正常使用，全看預(yù)處理裝置設(shè)計的合理性與可靠性。其中，降溫裝置的設(shè)計又成為重中之重。

根據(jù)樣品氣的溫度和濕度的不同，有些高溫工段的樣品氣一次降溫即可，而有些超高溫工段的樣品氣需要經(jīng)過多次降溫，甚至在取樣探頭處就要對其降溫處理。而老式探頭都不帶有降溫功能，所有降溫的功能全部在后級預(yù)處理中實現(xiàn)，所以導(dǎo)致降溫效果總是不理想。

對此，設(shè)計了水冷探頭（水冷器）、風(fēng)冷探頭及風(fēng)冷箱等，對高溫樣品氣進(jìn)行前級冷卻的裝置。

1.2 設(shè)計背景

本文是以江西九江心連心化肥60t/52t/40t 項目氣化爐渣水出口和河南晉煤天慶煤化工合成氨裝置氣體在線分析設(shè)計預(yù)處理中所用到的前級冷卻裝置為例。以下具體介紹其設(shè)計內(nèi)容。

2 風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻裝置設(shè)計

2.1 風(fēng)冷降溫系統(tǒng)

風(fēng)冷降溫系統(tǒng)是通過渦旋制冷管對樣品氣進(jìn)行風(fēng)冷降溫的前級冷卻裝置。取樣探頭增加了對樣品氣進(jìn)行降溫的功能。由壓縮空氣作為驅(qū)動氣，帶動渦旋制冷管工作，對探頭內(nèi)腔進(jìn)行風(fēng)冷降溫。

2.2 渦旋制冷管工作原理

渦旋制冷管是風(fēng)冷探頭和風(fēng)冷箱制冷的關(guān)鍵，其為風(fēng)冷探頭提供吹掃冷風(fēng)。

其工作原理為：常溫壓縮空氣經(jīng)噴嘴延切線方向噴入渦旋制冷管，由于切向噴嘴的作用[1]，在渦旋管中形成沿圓周方向以音速旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的高速氣流，順渦旋管向右運動。熱端裝有控制閥，當(dāng)氣流到達(dá)熱端時，外圈氣流從控制閥閥芯周邊排出，內(nèi)圈氣流受到閥芯的阻擋，反向折轉(zhuǎn)沿渦旋管向左運動，由冷端出口排出[1]。渦旋管工作原理如圖1。

圖1 渦旋管工作原理圖Fig.1 The working principle of the vortex tube

渦旋制冷管的結(jié)構(gòu)圖如圖2，是根據(jù)渦旋管的工作原理和參考美國EI 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計加工的。耗氣量約為：50L/min ～100L/min；冷氣溫度能達(dá)到-5℃～0℃左右，熱空氣溫度約100℃左右，且制冷效果好，噪聲小，成本低，與美國EI 產(chǎn)品冷卻效果相近，可根據(jù)不同場合選擇使用。圖3 為兩種渦旋制冷管的實物對比圖。

圖2 渦旋管結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of the vortex tube

圖3 渦旋管實物對比圖Fig.3 Comparison of the actual vortex tube

2.3 風(fēng)冷探頭設(shè)計

風(fēng)冷探頭是一級冷卻裝置，安裝在取樣管道閘閥之后，其前端可選配粗過濾器，對高溫樣品氣進(jìn)行前級冷卻。其主體結(jié)構(gòu)是不銹鋼套管，內(nèi)套焊接空翅片用于散熱。法蘭標(biāo)配并帶配對，也可以根據(jù)用戶決定，整體焊接耐壓＞2MPa，由渦旋制冷管提供冷風(fēng)。

外管尺寸：整體φ60×5mm 不銹鋼管材，材質(zhì)：316 ss 不銹鋼；內(nèi)管尺寸：整體φ40×6mm 不銹鋼管焊接，材質(zhì)：316ss 不銹鋼，并焊接空翅片。樣品氣出氣管為：φ14×2mm 316ss 不銹鋼拋光管。上部安裝雙金屬溫度計（量程：0℃～200℃），可對探頭內(nèi)溫度進(jìn)行直接觀測。側(cè)面安裝渦旋制冷管，由現(xiàn)場壓縮空氣驅(qū)動，對探頭內(nèi)吹冷風(fēng)，為內(nèi)管的樣品氣進(jìn)行降溫。風(fēng)冷探頭結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 風(fēng)冷探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of air-cooled probe

由于探頭內(nèi)腔空間大，并配有散熱片，其冷卻效果很好。經(jīng)測試，現(xiàn)場350℃樣品氣經(jīng)風(fēng)冷探頭后，可降至100℃以下，即使流速較大的樣品氣也能保證降溫至150℃以下。

風(fēng)冷探頭適用條件：①溫度：100℃～500℃；②壓力：0MPa ～5MPa；③水含量：0%～25%；④樣品氣流量＜1000ml/min；⑤粉塵含量＜500mg/m3～1500mg/m3；⑥壓縮空氣：0.4MPa ～0.7MPa。風(fēng)探頭實物如圖5。

圖5 風(fēng)冷探頭實物圖Fig.5 Physical map of the air-cooled probe

2.4 風(fēng)冷箱設(shè)計

風(fēng)冷箱是二級冷卻裝置，安裝在風(fēng)冷探頭之后，進(jìn)一步對樣品氣降溫。其主體結(jié)構(gòu)是不銹鋼箱體，內(nèi)置1 ～2組冷卻盤管，可對1 ～2 路樣品氣進(jìn)行冷卻降溫。

箱體尺寸：240×210×210（mm），材質(zhì)：304ss 不銹鋼。保溫層厚度20mm，材質(zhì)：防阻燃泡沫（內(nèi)貼錫紙）。冷卻盤管尺寸：φ100mm×9 圈，管徑φ6×1mm，材質(zhì)：316ss 不銹鋼（內(nèi)外拋光）。

此裝置可室外放置。正面帶門，門上安裝雙金屬溫度計（量程：0℃～100℃），可對箱內(nèi)溫度進(jìn)行直接觀測。箱體右側(cè)安裝渦旋制冷管，由現(xiàn)場壓縮空氣驅(qū)動，對箱內(nèi)吹冷風(fēng)，為盤管內(nèi)的樣品氣進(jìn)行降溫。

經(jīng)現(xiàn)場測試，渦旋制冷管通入0.6MPa 壓縮空氣5min 后，箱內(nèi)溫度降到5℃左右（環(huán)境溫度約25℃），并穩(wěn)定。入口通入120℃、流量500ml/min 的樣品氣，出口樣品氣溫度可降為常溫狀態(tài)（30℃～40℃）。圖6 為風(fēng)冷箱結(jié)構(gòu)示意圖，圖7 為安裝完畢的風(fēng)冷箱實物圖。

圖6 風(fēng)冷箱結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of air-cooled box

圖7 風(fēng)冷箱實物圖Fig.7 Physical map of the air-cooled box

2.5 風(fēng)冷探頭整體安裝設(shè)計

風(fēng)冷探頭與風(fēng)冷箱配合使用，完成對高溫樣品氣的前級降溫處理，隨后進(jìn)入后級預(yù)處理系統(tǒng)?，F(xiàn)場配置空氣過濾控制閥及樣品氣根部閥，安裝方式需豎直安裝。這樣可以將樣品氣中的雜質(zhì)或冷凝水倒回工藝管道，防止長時間堵塞探頭。使用時注意溫度計的指示，必要時使用空氣調(diào)節(jié)閥控制制冷量。圖8 為整體安裝示意圖。

圖8 整體安裝示意圖Fig.8 Schematic diagram of the overall installation

現(xiàn)場需要提供壓縮空氣，安裝方便，使用成本低。由于冷氣的比熱容有限，所以此套系統(tǒng)適用于在樣品氣較高溫狀態(tài)的降溫使用。當(dāng)樣品氣為溫度＞500℃或含水量＞25%（甚至飽和蒸汽）的高溫場合時，則不推薦使用。

3 水冷系統(tǒng)冷卻裝置設(shè)計

3.1 水冷降溫系統(tǒng)

水冷降溫系統(tǒng)是通過冷卻循環(huán)水對樣品氣進(jìn)行水冷降溫的前級冷卻裝置，取樣探頭增加了對樣品氣進(jìn)行降溫的功能。由現(xiàn)場提供冷卻水，對探頭內(nèi)腔進(jìn)行循環(huán)水冷降溫。

3.2 水冷探頭設(shè)計

水冷探頭是一級冷卻裝置，安裝在取樣管道閘閥之后，其前端可選配粗過濾器，先對高溫樣品氣進(jìn)行前級冷卻。

其主體結(jié)構(gòu)是不銹鋼套管，內(nèi)套為φ14×2mm 316 ss 不銹鋼拋光管。法蘭標(biāo)配并帶配對，也可以根據(jù)用戶決定。整體焊接耐壓＞2MPa，由冷卻循環(huán)水為樣品氣降溫。

外管尺寸：整體φ60×5mm 不銹鋼管材，材質(zhì)：316ss不銹鋼；樣品氣出氣管為：φ14×2mm 316ss 不銹鋼拋光管。上部安裝雙金屬溫度計（量程：0℃～200℃），可對探頭內(nèi)溫度進(jìn)行直接觀測，側(cè)面焊接進(jìn)回水管。圖9 為水冷探頭結(jié)構(gòu)圖。

圖9 水冷探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagram of water-cooled probe

由于探頭使用水冷，冷卻循環(huán)水要求為一次水（溫度不超過14℃），并且水的比熱容很大。當(dāng)循環(huán)水流量很大時，其冷卻效果非常好。

進(jìn)回水管根部常設(shè)有調(diào)節(jié)閥，用于控制水量。循環(huán)水壓力控制在0.2MPa ～1MPa 之間，冷卻后水溫控制在50℃左右。如果表指示溫度過高時，則開大調(diào)節(jié)閥。

經(jīng)現(xiàn)場測試，現(xiàn)場500℃以上的樣品氣經(jīng)水冷探頭后，可降至200℃以下，并且適用于濕度較大的樣品氣。

水冷探頭適用條件：①溫度：100℃～800℃；②壓力：0MPa ～5MPa；③水含量：0%～60%；④樣品氣流量＜1000ml/min；⑤粉塵含量＜500mg/m3～1500mg/m3；⑥循環(huán)水溫：＜14℃。圖10 為水冷探頭實物圖。

圖10 水冷探頭實物圖Fig.10 Physical map of water-cooled probe

此探頭適用溫度廣，冷卻效果好，在很多現(xiàn)場均有使用。例如：河南心連心化肥合成氨項目、寧夏長城能源乙炔電石爐項目、山東聯(lián)盟化工氣化渣水項目等均在使用，并且效果非常好。

3.3 水冷探頭整體安裝設(shè)計

水冷探頭同樣與風(fēng)冷箱配合使用，完成對高溫或超高溫樣品氣的前級降溫處理，隨后進(jìn)入后級預(yù)處理系統(tǒng)?，F(xiàn)場配設(shè)進(jìn)回水控制閥及樣品氣根部閥，安裝方式需豎直安裝。這樣可以將樣品氣中的雜質(zhì)或冷凝水倒回工藝管道，防止長時間堵塞探頭。使用時注意溫度表的指示，必要時調(diào)節(jié)冷卻水閥控制制冷量。圖11 為整體安裝示意圖。

圖11 整體安裝示意圖Fig.11 Schematic diagram of the overall installation

現(xiàn)場需要提供冷卻循環(huán)水。由于水的比熱容很大，并且流動速度快，所以冷卻能力比風(fēng)冷探頭強。因此，此套系統(tǒng)適用于樣品氣溫度很高或具有一定濕度狀態(tài)的降溫使用，更適用于水資源比較缺乏的地區(qū)，如甘肅、青海及新疆等。

3.4 水冷器設(shè)計

水冷器是一級冷卻裝置，安裝在取樣管道閘閥之后，專門用于低（中）壓飽和蒸汽或者樣品氣含水量極高的前級冷卻裝置。由于水含量高必然會產(chǎn)生冷凝液，所以此裝置本身具有排液功能。

其主體結(jié)構(gòu)是不銹鋼套管，內(nèi)套為φ14×2mm 316 ss 不銹鋼盤管，配有樣品氣控制閥和排液閥，整體焊接耐壓＞2MPa，由冷卻循環(huán)水為樣品氣降溫。

外 罐 尺 寸：整 體φ220×8mm 不 銹 鋼 管 材， 材質(zhì)：316ss 不銹鋼；頂部有端蓋，以法蘭形式連接，硅膠墊密封，耐壓2MPa，不滲漏。樣品氣管為：φ14×2mm 316ss 不銹鋼盤管；冷卻盤管尺寸：φ150mm×16 圈，長度≈8m。側(cè)面焊接進(jìn)回水管，底部帶安裝底座，由地腳螺栓固定。圖12 為水冷器結(jié)構(gòu)圖。

圖12 水冷器結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of water cooler

水冷器同樣使用的是水冷，但是由于水冷器的容積比水冷探頭更大，并使用φ14mm 盤管冷卻。當(dāng)循環(huán)水流量很大時，其冷卻效果更好，冷卻能力更強。

進(jìn)回水管根部常設(shè)有調(diào)節(jié)閥，用于控制水量。循環(huán)水壓力控制在0.2MPa ～1MPa 之間。冷卻后，水溫控制在＜30℃，使用時冷卻循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開啟到最大。

經(jīng)現(xiàn)場測試，現(xiàn)場800℃左右的飽和水蒸汽經(jīng)水冷器后，可降至250℃以下。

水冷器適用條件：①溫度：100℃～1000℃；②壓力：正壓＜5MPa；③水含量：＞60%～飽和水蒸汽；④樣品流量＜1000ml/min；⑤粉塵含量＜500mg/m3；⑥循環(huán)水溫＜14℃。圖13 為水冷器實物圖。

圖13 水冷器實物圖Fig.13 Physical map of water cooler

水冷器冷卻速度快，適用條件廣，但冷卻水消耗量比水冷探頭大。大多用在給飽和蒸汽或高溫高濕的樣品氣降溫使用，樣氣滯后時間比其他冷卻探頭長。

3.5 水冷器整體安裝設(shè)計

水冷器同樣與風(fēng)冷箱配合使用，完成對高溫高濕或者飽和蒸汽樣品氣的前級降溫處理，隨后進(jìn)入后級預(yù)處理系統(tǒng)。安裝方式為豎直安裝，使用時冷卻循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開啟到最大，注意罐體的溫度不宜過高。如后級預(yù)處理配置抽氣泵，則會從排液閥抽入空氣，影響分析儀測量，所以本套系統(tǒng)只適用于樣品氣為正壓的場合。圖14 為整體安裝示意圖。

圖14 整體安裝示意圖Fig.14 Schematic diagram of overall installation

現(xiàn)場同樣需要提供冷卻循環(huán)水，同時并加裝取樣探頭，樣品氣壓力條件必須為正壓。由于此裝置具有排液功能，樣品氣中的冷凝液由排液閥排入儲水罐或排水溝。同樣，適用于水資源比較缺乏的地區(qū)，如甘肅、青海及新疆等。

4 結(jié)論

綜上所述，一套系統(tǒng)想要用好，必須在擁有高品質(zhì)分析儀器的同時，還要設(shè)計出合理的預(yù)處理系統(tǒng)及高效的預(yù)處理部件。根據(jù)不同的工藝氣特點，設(shè)計出最合適的預(yù)處理方案，盡可能地優(yōu)化改造老產(chǎn)品，設(shè)計創(chuàng)新出新產(chǎn)品，使得其更加適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境[3]。

本文對在線分析樣品氣前級（探頭及現(xiàn)場部分）冷卻方案設(shè)計進(jìn)行介紹，包括空冷及水冷系統(tǒng)的各種樣品氣前級冷卻裝置，有效地解決了高溫樣品氣難以降溫處理的問題，使得系統(tǒng)更加合理，更加完善。在保證儀器正常使用的同時，延長了儀器的使用壽命，節(jié)省了維護(hù)時間，降低了維護(hù)成本，增加了企業(yè)效益。