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(tǒng)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(chuàng)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(tǒng)，既克服了傳統(tǒng)直接抽取法在線分析系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)成功開展工程應用的實例，在促進產品技術升級中都發(fā)揮了重要作用，具有突破性創(chuàng)新的高端品質。

原位處理法直接抽取法取樣探頭系統(tǒng)在線分析系統(tǒng)

1　在線分析系統(tǒng)工程應用的宏觀要求

在線分析系統(tǒng)(以下簡稱OAS)廣泛應用于流程工業(yè)、環(huán)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(fā)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(tǒng)集成’”中，他最后特別關注的“難點和閃點：取樣(探頭)系統(tǒng)，可靠性、少維護、軟件技術”[1]。在線分析儀器專業(yè)委員會黃步余主任委員提出“石化行業(yè)在線分析系統(tǒng)要有15年的壽命周期?！?/p>

在線分析系統(tǒng)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(fā)可靠性高的少維護取樣探頭系統(tǒng)，以保證OAS的長壽命周期，我們據此就找準了OAS創(chuàng)新設計的一個突破口。

2　原位處理法在線分析系統(tǒng)的概念設計

創(chuàng)新無禁區(qū)，創(chuàng)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(yè)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(yè)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(fā)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(fā)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(tǒng)，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(yōu)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(zhàn)；再有，現場校準也是個難題，大型煙道也難以適用?？梢姡倬S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(tǒng)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(tǒng)的概念設計

原位處理法在線分析系統(tǒng)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(tǒng)，稱為原位處理法在線分析系統(tǒng)。

3　原位處理法在線分析系統(tǒng)的理論探索

任何專業(yè)技術的健康發(fā)展都離不開技術理論的引導和規(guī)范。原位處理法在線分析系統(tǒng)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(tǒng)應用型理論的核心要點

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

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

在線分析系統(tǒng)基礎理論有如下兩大核心要點：

(1)在線分析系統(tǒng)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(tǒng)是開放性的復雜技術系統(tǒng)

在線分析系統(tǒng)的開放性主要表現在與其外部環(huán)境(樣氣條件、環(huán)境條件以及安裝條件等)長期存在動態(tài)的物質交換、能量交換和信息交換。這是OAS整體優(yōu)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(jiān)控也就完全不可能。

3.2在線分析系統(tǒng)的整體優(yōu)化設計

OAS的整體優(yōu)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(fā)明大師根里奇·阿奇舒勒的發(fā)明問題解決理論TRIZ(萃智)后，發(fā)現其中的最終理想解(IFR)理論完全可以融入OAS的整體優(yōu)化設計，最終綜合成了OAS的“協(xié)調進化五原則”[7]：

(1)很好保留了原系統(tǒng)的優(yōu)點；

(2)完全克服了原系統(tǒng)的缺點和局限；

(3)新系統(tǒng)沒有變得更復雜和成本更高；

(4)新系統(tǒng)沒有引入新的缺陷和技術風險；

(5)新系統(tǒng)最終能少維護、長壽命周期地協(xié)調運行。

4　原位處理法在線分析系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)強基專項行動，核心內容是“持續(xù)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(yè)技術基礎(即四基)等工業(yè)基礎能力，加快促進工業(yè)轉型升級”[8]。

原位處理法在線分析系統(tǒng)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(yè)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(guī)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(xù)取樣，是和傳統(tǒng)深度過濾器有本質區(qū)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(fā)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(jié)，抽吸負壓力優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)

用于脫硝(SCR)的旁路抽取式激光微量氨在線分析系統(tǒng)，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(huán)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(tài)與煙氣完全相同，激光發(fā)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(wěn)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(jiān)測系統(tǒng)的外形圖見圖4。

6　高溫原位整體式激光微量氨監(jiān)測系統(tǒng)

脫硝是環(huán)保產業(yè)的最大熱點之一，已出現爆發(fā)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(fā)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(tài)，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(fā)電。因此，脫硝激光微量氨監(jiān)測系統(tǒng)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(yōu)勝光分(南京)公司的激光微量氨分析儀頗具技術優(yōu)勢，研制的高溫(230℃)型激光微量氨監(jiān)測系統(tǒng)，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(fā)了“高溫(230℃)原位處理整體式取樣探頭系統(tǒng)”，采用本發(fā)明專利的技術方案，經過整體優(yōu)化后的高溫原位處理整體式脫硝微量逃逸氨監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)的氣路流程圖見圖5。本發(fā)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(fā)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(fā)射端、接收端為獨立安裝，方便調試，從技術系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)

煤礦管道瓦斯氣(主要成份是CH4)在線監(jiān)測系統(tǒng)，涉及安全生產和瓦斯氣利用，已成為煤礦安全監(jiān)控的重點之一。長期以來全行業(yè)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(tǒng)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(fā)了激光瓦斯分析儀，因其靈敏度高、運行穩(wěn)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(tǒng)產品，樣品處理系統(tǒng)技術則采用了重慶科技學院的發(fā)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(tài)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(jiān)測系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)的再討論

(1)在線分析系統(tǒng)的技術發(fā)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(tǒng)技術及其老產品，都必須果斷采用技術升級的整體優(yōu)化設計予以突破性地解決。

(2)創(chuàng)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(tǒng)是一個開放的多層級技術系統(tǒng)，這是能夠開展各種形式突破性創(chuàng)新和協(xié)調性創(chuàng)新的基本前提，當前，應當更多關注在線分析系統(tǒng)的協(xié)調性創(chuàng)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(huán)保行業(yè)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(tài)的保持，原位處理法不一定要保持樣氣原有的熱濕狀態(tài)，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(tǒng)客觀的技術需要來進行整體優(yōu)化設計。

(5)在線分析系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)實施了符合“協(xié)調進化五原則”的整體優(yōu)化設計的結果。即將系統(tǒng)產品的性能和質量、品質真正解決在研發(fā)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(chuàng)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(tǒng)集成”.第二屆在線分析儀器應用及發(fā)展國際論壇論文集，2007:4-6.

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

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

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

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

[6]錢學森.創(chuàng)建系統(tǒng)學[M].太原:山西人民出版社，2001：28-31.

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

[8]工信部啟動2015年工業(yè)強基專項行動.中國儀器儀表行業(yè)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(chuàng)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(tǒng)的工程應用研究，E-mail：786150343@qq.com。

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

2015-07-12