更好地把握樣氣處理系統技術的精髓

(1.沃森測控技術(河北)有限公司，廊坊 065000； 2. 重慶重科大分析儀器有限公司，重慶 401331)

更好地把握樣氣處理系統技術的精髓

常壽兵1楊永龍2

(1.沃森測控技術(河北)有限公司，廊坊 065000； 2. 重慶重科大分析儀器有限公司，重慶 401331)

樣氣處理系統是在線分析系統的關鍵技術，是在線分析系統的三大技術基礎之一。本文從多個技術維度深刻思考樣氣處理系統的核心本質，緊密聯系工程實踐，探索樣氣處理系統創(chuàng)新發(fā)展的突破方向。要構建和設計更可靠的免維護樣氣處理系統，使在線分析系統的這個技術基礎更加堅實牢固，就得更好理解和抓住樣氣處理系統的精髓，以提高研發(fā)設計水平。

技術系統 微系統 子系統 樣氣處理系統 在線分析系統 在線分析系統集成(如分析小屋集成)

1 引 言

2007年，第二屆在線分析儀器應用及發(fā)展國際論壇在北京召開，老前輩朱良漪教授作主旨報告“21世紀前沿技術‘分析技術’與‘自動化’的系統集成”，標志分析儀器產業(yè)的發(fā)展，迎來歷史性轉變的關鍵時刻。

朱良漪當年給金義忠先生的命題論文是“在線分析儀樣氣處理系統技術的應用及發(fā)展[1]”。十年過去之后，從本論文中可清晰觀察到我國在線分析專業(yè)技術領域樣氣處理系統基礎創(chuàng)新發(fā)展的軌跡和所取得的巨大進步。本論文的重點在于“更好把握樣氣處理系統技術精髓”，找準樣氣處理系統技術的創(chuàng)新突破方向，并構建起主體技術框架，在國家重點工程導向之下，研發(fā)出更多真正具有長久生命力的在線分析系統產品技術。

2 傾心追隨大師，深入學習系統學理論

2.1 “系統”概念和“技術系統”定義

朱良漪定義的系統：“系統是由若干相關又相互影響的單元組成的一個有機的整體，而這個整體又是能集中地來實現某些作用”[2]。

前蘇聯發(fā)明大師根里奇﹒阿奇舒勒的發(fā)明問題解決理論TRIZ(萃智)中定義的技術系統：“一個產品或物體都可以看作是技術系統，技術系統可以簡稱為系統。系統是由多個子系統組成的，并通過子系統間的相互作用來實現一定功能[3]”。 技術系統還有更簡潔的表達：“每個可實現某種功能的事物都是技術系統，每一個產品都是技術系統的復合體”。

2.2 大師的教誨，永遠的教益

2.2.1 錢學森院士的系統學理論

(1) 錢學森院著《工程控制論》，其核心本質由他概括為“一個系統的不同部分之間相互作用的定性性質，以及由此決定的整個系統總體的運行狀態(tài)”[4]。他十分強調“用系統學理論處理好局部和整體的關系”。

(2) 錢學森著《創(chuàng)建系統學》，許國志院士作的序有如下精辟概括：“系統學就是系統科學的基礎理論”?！跋到y學是研究系統結構與功能(系統的演化、協同與控制)一般規(guī)律的科學”[5]。系統學最基本的概念就是系統。其規(guī)律一是系統層級結構；二是系統的屬性，主要是開放性和復雜性。錢學森還指出：“整體就是一個系統，而系統一定有清晰的層次和部門性的分系統”。

2.2.2 朱良漪教授工程導向的技術思想

(1)朱良漪兩次發(fā)表論文“以重點工程帶系統，以系統帶儀表”(1984年)和“再論以重點工程帶系統，以系統帶儀表”(1988年)。

(2)朱良漪1998的論文“過程分析儀的發(fā)展”[6]，總結了制約過程分析儀器(現在稱為在線分析儀器)發(fā)展的三大癥結：過程分析的取樣和預處理，成分信息的獲取與共生信息的干擾，長期使用的可靠性。

(3)朱良漪2007年在第二屆國際論壇的主旨報告中，特別強調的“四大難點和閃點”[6]：取樣(探頭)系統，可靠性，少維護，軟件技術。

2.2.3 阿奇舒勒的系統協調進化法則

TRIZ(萃智)的技術系統進化理論有八大技術系統進化法則[3]，其中最被看重的是系統協調進化法則：“技術系統的進化是沿著各子系統相互之間更加協調的方向發(fā)展，即系統各個部件在保持協調的前提下，充分發(fā)揮各自的功能”。

3 樣氣處理系統的應用型基礎理論詮釋

3.1 樣氣處理系統的層級結構及開放性

樣氣處理系統的層級結構如圖1所示。

圖1 樣氣處理系統層級結構圖

樣氣處理系統最重要的特性就是開放性：“樣氣處理系統與其工程應用的外部環(huán)境(樣氣條件、環(huán)境條件、安裝條件等)長期存在十分復雜、動態(tài)的物質交換、能量交換和信息交換”。處置和協調好所有這些“交換”，是設計樣氣處理系統最難完成，又必須完成的困難任務。

3.2 經驗主義地解決工程應用難題

樣氣處理系統肯定有比分析儀更顯著的 “工程技術”屬性，每個部件或許簡單，整個系統卻十分復雜。必須深刻理解國家重點工程以及工程用戶面臨的挑戰(zhàn)和真實需要，要堅持“工程化”思維，樣氣處理系統的設計要切實做到合理匹配、完善組合、有效集成和協調，研發(fā)和設計出有持久生命力的產品技術，經驗主義地解決在線分析儀及其系統的工程應用難題。

3.3 引用在線分析系統的協調進化五原則[7]

在線分析系統的協調進化五原則，對技術系統有普遍的實用性。

(1)很好保留了原系統的優(yōu)點。

(2)比較徹底地消除了原系統的局限和不足。

(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)新系統更能長壽命周期地協調運行。

3.4 多目標整體優(yōu)化設計

樣氣處理系統要真正實現協調進化五原則，就是要不斷優(yōu)化系統的結構，不斷完善系統的功能和技術特性，促進大系統體系的協調進化和協調運行(即系統的進化、協調與控制)，這個過程可歸結為一個多目標整體優(yōu)化的命題，并據此總結出一個系統性方法：“以協調進化五原則為核心的多目標整體優(yōu)化設計?！?/p>

4 更好地把握樣氣處理系統的精髓

4.1 開展工程教育，提高研發(fā)能力

在線分析技術(On-line Analytical Technology, OAT)是跨學科、跨專業(yè)，整體有機聯系的綜合性工程技術，有必要學習美國過程分析化學中心(CPAC)開展科學家和工程師教育培養(yǎng)項目的成功經驗，把過程分析技術(即中國的在線分析技術)工程教育作為主要目標之一，在長期工程實踐中培養(yǎng)出一批既懂應用型基礎理論，又掌握工程技術，又會應用操作的專業(yè)技術人才。研發(fā)水平的突破性提高，是樣氣處理系統技術質量發(fā)展的關鍵。

4.2氣路流程圖和技術配置方案是產品設計的核心表達

(1)樣氣處理系統最重要的技術表達方式，就是在線分析系統的氣路流程圖，即技術原理圖。所謂整體優(yōu)化設計，也最先和主要表現在氣路流程圖上。氣路流程圖還是判斷產品技術是否技術成熟和技術先進的主要依據。

(2)先進的氣路流程圖只是生產高端品質在線分析系統的必要條件，專業(yè)化的技術配置方案，才是生產高端品質在線分析系統的充分條件。例如，重點工程招標采購都會指定樣氣處理產品的專供生產商，以及產品的型號、規(guī)格、性能指標、材質及工藝等。

4.3把樣氣處理系統對樣氣條件的適應性放在首位

在線分析的樣氣條件千差萬別，嚴重缺乏均一性，不可能按期望預設。如下3個樣氣條件是樣氣處理系統的3個技術制高點：(1)水泥干法旋窯窯尾的樣氣條件：高溫1400℃、高粉塵2000g/m3；(2)焦爐煤氣樣氣條件：焦油和奈等污染物的重度污染，傳統的過濾除塵、除污技術完全失效；(3)目前環(huán)保行業(yè)超低排放CEMS脫硫、脫硝的樣氣條件：對樣氣中超低含量SO2、NOX的保真要求很高。

對千差萬別樣氣條件的針對性設計，樣氣處理系統必然大多是專用型的，有時還需要為工程用戶特別定制整體解決方案。

4.4 為分析儀的高準確度檢測提供有效保障

(1)為分析儀提供連續(xù)、穩(wěn)定的合格樣氣，首先取樣點要合理選擇，樣氣傳輸及處理過程不能產生相變、化學吸附及化學反應，樣氣被測組份不能產生流失，樣氣必須潔凈干燥，不至于污染、腐蝕分析儀的測量氣室和檢測器，更不容忍短周期內就損壞分析儀。

(2)樣氣處理系統的長壽命周期，是其性能和質量最直接的宏觀表現，是在線分析系統實現長壽命周期最基本的前提條件。

(3)嚴格防止共生信息的廣義干擾

樣氣非測量組分(即背景組分)中干擾組分產生的干擾誤差，是傳統意義的干擾，可稱為“狹義干擾”。使在線分析系統檢測信號偏離最佳檢測狀態(tài)下正確檢測值的一切原因，定義為在線分析系統的“廣義干擾”[8]。這可理解為朱良漪教授所論述的“共生信息干擾”，其來源主要是樣氣傳輸和處理過程中發(fā)生的相變、吸附或釋放、滲透或泄漏、溶解流失等。

4.5 從少維護提升到免維護

樣氣處理系統少維護是朱良漪教授特別強調的難點和閃點，它是在線分析系統少維護的重要前提和技術基礎。如能從少維護再提升到免維護的技術水平，才可能實現工程應用對人工介入的真正解放，危險場所工程應用的無人值守才有可能。

樣氣處理系統的免維護取樣探頭系統的定義：取樣探頭的清潔維護周期半年以上，預期壽命至少十年，樣氣保真措施具有針對性，工程應用證明確實有效，這類趨近于最終理想解的取樣探頭系統，定義為免維護取樣探頭系統[9]。目前的樣氣處理系統技術在工程上是基本上做得到免維護的。

5 樣氣處理系統技術的制高點舉例

樣氣處理系統的高技術難度及其與眾不同的特點，在攻克其制高點的過程中，體現得尤為明顯。本文列舉的重點實例是“原位整體式焦爐煤氣干法樣氣處理裝置”

5.1水泥旋窯窯尾循環(huán)液冷干法高溫取樣探頭系統

(1)水泥旋窯窯尾的高溫高粉塵樣氣條件：高溫1400℃，2000g/m3。

(2)循環(huán)液冷干法高溫取樣探頭實屬大型成套設備，1991年開始進入中國市場的進口設備，曾經賣到令人乍舌的135萬元高價。川分1998年國產化成功后，價格降了一半。干法高溫取樣探頭系統的組成框圖見圖2。

(3)工程應用效果

國產化循環(huán)液冷干法高溫取樣探頭系統在水泥行業(yè)占有壟斷性優(yōu)勢，市場占有率高達70%左右。

某拉法基水泥廠應用工程師很有信心的評價：長期工程應用壽命周期可以達到10年。

由此說明：樣氣處理系統的高效除塵和防堵塞連續(xù)取樣技術，早在20年前就已經是成熟技術。

圖2 干法高溫取樣探頭系統組成框圖

5.2 原位整體式焦爐煤氣干法樣氣處理裝置

(1)焦爐煤氣中的特殊污染物。焦爐煤氣有焦油、萘以及粉塵的重度污染，由于高黏性，致使傳統的過濾除塵、除污以及洗滌等處理方法完全失效。

(2)自上世紀八十年代末以來，國內近十家企業(yè)嘗試遍了多級過濾、水洗滌、煤油洗滌、柴油洗滌、酰油洗滌等處理方法，不管是靜態(tài)洗滌、兩個大罐交替洗滌或定時切換洗滌，都沒有真正成功過。只有仕富梅公司發(fā)明的蒸氣噴射采樣探頭和動態(tài)水冷卻洗滌器組合的技術方案，行業(yè)的認可度才較高。只可惜它同樣是濕法技術路線，因為洗滌水中的溶解氧在處理過程中的部分釋放，會造成正值的廣義干擾誤差，其大小約+0.1% O2左右，顯然嚴重影響了檢測準確度。

(3)原位整體式焦爐煤氣干法樣氣處理裝置

ABB公司的前身Hamp;B公司，早在35年前就堅決主導了樣氣處理的干法技術路線，這是確保在線分析高準確度最為有利的前提條件。

原位處理法是金義忠先生于2009年定義的新類型在線分析系統，已在“原位整體式煤礦瓦斯在線分析系統”項目上取得成功，外形圖見圖3，樣機實現了連續(xù)工程應用8個多月的免維護。

圖3 LKH103型原位整體式瓦斯樣氣處理裝置外形圖

原位整體式焦爐煤氣干法樣氣處理裝置如圖4所示，由探頭管組件，特殊結構的高效水冷卻器和組合式高效除霧過濾分離器等三部分組成，探頭管組件申到煤氣管道中，其主體高度31公分，經原位處理后的粉塵和凝結、分離出的液態(tài)水等會靠自重自動回流到煤氣管道中，實現了早期的免維護。

圖4 LKH104型原位整體式焦爐煤氣干法樣氣處理裝置外形圖

本項目的突破性創(chuàng)新體現在兩方面：一是以干法技術路線顛覆了濕法技術路線；二是以不含氧組分的高溫蒸汽(gt;140℃)去程控外反吹掃疏水型的探頭過濾器(0.3μm，80Pa)，將可能聚焦在過濾器外表面的焦油、萘等污染物高溫氣化后，逆向吹回到煤氣管道中去，從而實現長期工程應用的免維護。

(4)本項目已進入工程應用考核階段。

5.3 環(huán)保領域超低排放的樣氣處理系統

(1)環(huán)保領域超低排放樣氣處理最突出的困難問題，是樣氣的高保真要求，即要切實做好廣義抗干擾，廣義干擾就是朱良漪所說的共生信息干擾。由于是微量在線分析，如數十毫克的SO2，以10-6計的微量氨，特別又是易溶于水，會產生相當大比例的流失。

(2)超低排放樣氣處理方法的優(yōu)選

原位法在超低排放中有比較明顯的局限性，特別是煙氣粉塵含量較高的項目。直接抽取法造成微量被測組分流失的也風險很大，而且系統組成復雜，成本高。例如，Nafion膜式樣氣干燥器構成的樣氣處理系統雖然樣氣露點能夠降至-10℃以下，樣氣保真也很好，但是高價格成為普遍推廣的最大障礙。依托原位處理，采用整體優(yōu)化設計的樣氣處理系統，往往表現出獨特的技術優(yōu)勢。例如，原位整體式樣氣處理裝置，旁路抽取式激光微量氧樣氣處理裝置，直插式脫硝專用取樣探頭也屬廣義的原位處理法。

(3)環(huán)保領域超低排放的樣氣處理系統，已經取得了很多具有工程意義的成果，但是，尚未達到全行業(yè)的普遍解決，事實上，還處于全行業(yè)繼續(xù)攻關的過程中。

6 討論和初步結論

(1) 樣氣處理系統是復雜的、開放性、多層級的技術系統，這是基于在線分析系統應用型基礎理論得出的基本結論，完全符合樣氣處理系統的技術現實。

(2)樣氣處理系統的核心問題是少維護，在少維護的基礎上還要再追求免維護。

(3)在線分析系統檢測結果的準確性問題，并非總是來自在線分析儀，而是往往來自樣氣處理系統。在線分析系統工程應用“失準、失靈、失效、失敗”的真正原因，也更多來自樣氣處理系統。

(4)“質量源于設計(QbD)”，以協調進化五原則為核心的多目標整體優(yōu)化設計，是構建和設計高可靠免維護樣氣處理系統切實可行的系統性方法。

(5)本論文的重點在于找準樣氣處理系統技術的創(chuàng)新突破方向和構建主體技術架構，其中體系性的貫通和協調，宏觀詮釋樣氣處理系統尤為重要。

[1]金義忠. 在線分析儀樣氣處理系統技術的應用及發(fā)展 [C]. 第二屆在線分析儀器應用于發(fā)展國際論壇論文集, 2007:211-216.

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[3] 楊清亮. 發(fā)明是怎樣誕生的—TRIZ理論全接觸 [M].北京：機械工業(yè)出版社,2006:11-24.

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Gettingabettergrasponessenceofsamplegastreatmentsystemtechnology.

ChangShoubing1,YangYonglong2

(1.WalsnMeasurementandControlTechnology(Hebei)Co.,Ltd.,Langfang065000,China;2.ChongqingCKDAnalyzerCO.,Ltd.，Chongqing401331,China)

The sample gas treatment system is a key technology and one of three top technological bases for on-line analysis system. This paper reflects the core essence of the sample gas treatment system, discusses its development direction combining the engineering practices.

sample gas treatment system; real-time analysis system, real-time analysis system integration

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.05.017

2017-07-06

常壽兵，男，1978年生，北京航空航天大學電子與通訊工程碩士工程師，沃森測控技術(河北)有限公司技術總監(jiān)，研究方向：燃煤鍋爐的燃燒優(yōu)化控制，儀器儀表和計算機軟件控制系統設計，E-mail：stan.chang@walsn.com。