更好地把握样气处理系统技术的精髓

(1.沃森测控技术(河北)有限公司，廊坊 065000； 2. 重庆重科大分析仪器有限公司，重庆 401331)

更好地把握样气处理系统技术的精髓

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(1.沃森测控技术(河北)有限公司，廊坊 065000； 2. 重庆重科大分析仪器有限公司，重庆 401331)

样气处理系统是在线分析系统的关键技术，是在线分析系统的三大技术基础之一。本文从多个技术维度深刻思考样气处理系统的核心本质，紧密联系工程实践，探索样气处理系统创新发展的突破方向。要构建和设计更可靠的免维护样气处理系统，使在线分析系统的这个技术基础更加坚实牢固，就得更好理解和抓住样气处理系统的精髓，以提高研发设计水平。

技术系统 微系统 子系统 样气处理系统 在线分析系统 在线分析系统集成(如分析小屋集成)

1 引 言

2007年，第二届在线分析仪器应用及发展国际论坛在北京召开，老前辈朱良漪教授作主旨报告“21世纪前沿技术‘分析技术’与‘自动化’的系统集成”，标志分析仪器产业的发展，迎来历史性转变的关键时刻。

朱良漪当年给金义忠先生的命题论文是“在线分析仪样气处理系统技术的应用及发展[1]”。十年过去之后，从本论文中可清晰观察到我国在线分析专业技术领域样气处理系统基础创新发展的轨迹和所取得的巨大进步。本论文的重点在于“更好把握样气处理系统技术精髓”，找准样气处理系统技术的创新突破方向，并构建起主体技术框架，在国家重点工程导向之下，研发出更多真正具有长久生命力的在线分析系统产品技术。

2 倾心追随大师，深入学习系统学理论

2.1 “系统”概念和“技术系统”定义

朱良漪定义的系统：“系统是由若干相关又相互影响的单元组成的一个有机的整体，而这个整体又是能集中地来实现某些作用”[2]。

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)中定义的技术系统：“一个产品或物体都可以看作是技术系统，技术系统可以简称为系统。系统是由多个子系统组成的，并通过子系统间的相互作用来实现一定功能[3]”。 技术系统还有更简洁的表达：“每个可实现某种功能的事物都是技术系统，每一个产品都是技术系统的复合体”。

2.2 大师的教诲，永远的教益

2.2.1 钱学森院士的系统学理论

(1) 钱学森院著《工程控制论》，其核心本质由他概括为“一个系统的不同部分之间相互作用的定性性质，以及由此决定的整个系统总体的运行状态”[4]。他十分强调“用系统学理论处理好局部和整体的关系”。

(2) 钱学森著《创建系统学》，许国志院士作的序有如下精辟概括：“系统学就是系统科学的基础理论”。“系统学是研究系统结构与功能(系统的演化、协同与控制)一般规律的科学”[5]。系统学最基本的概念就是系统。其规律一是系统层级结构；二是系统的属性，主要是开放性和复杂性。钱学森还指出：“整体就是一个系统，而系统一定有清晰的层次和部门性的分系统”。

2.2.2 朱良漪教授工程导向的技术思想

(1)朱良漪两次发表论文“以重点工程带系统，以系统带仪表”(1984年)和“再论以重点工程带系统，以系统带仪表”(1988年)。

(2)朱良漪1998的论文“过程分析仪的发展”[6]，总结了制约过程分析仪器(现在称为在线分析仪器)发展的三大症结：过程分析的取样和预处理，成分信息的获取与共生信息的干扰，长期使用的可靠性。

(3)朱良漪2007年在第二届国际论坛的主旨报告中，特别强调的“四大难点和闪点”[6]：取样(探头)系统，可靠性，少维护，软件技术。

2.2.3 阿奇舒勒的系统协调进化法则

TRIZ(萃智)的技术系统进化理论有八大技术系统进化法则[3]，其中最被看重的是系统协调进化法则：“技术系统的进化是沿着各子系统相互之间更加协调的方向发展，即系统各个部件在保持协调的前提下，充分发挥各自的功能”。

3 样气处理系统的应用型基础理论诠释

3.1 样气处理系统的层级结构及开放性

样气处理系统的层级结构如图1所示。

图1 样气处理系统层级结构图

样气处理系统最重要的特性就是开放性：“样气处理系统与其工程应用的外部环境(样气条件、环境条件、安装条件等)长期存在十分复杂、动态的物质交换、能量交换和信息交换”。处置和协调好所有这些“交换”，是设计样气处理系统最难完成，又必须完成的困难任务。

3.2 经验主义地解决工程应用难题

样气处理系统肯定有比分析仪更显著的 “工程技术”属性，每个部件或许简单，整个系统却十分复杂。必须深刻理解国家重点工程以及工程用户面临的挑战和真实需要，要坚持“工程化”思维，样气处理系统的设计要切实做到合理匹配、完善组合、有效集成和协调，研发和设计出有持久生命力的产品技术，经验主义地解决在线分析仪及其系统的工程应用难题。

3.3 引用在线分析系统的协调进化五原则[7]

在线分析系统的协调进化五原则，对技术系统有普遍的实用性。

(1)很好保留了原系统的优点。

(2)比较彻底地消除了原系统的局限和不足。

(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)新系统更能长寿命周期地协调运行。

3.4 多目标整体优化设计

样气处理系统要真正实现协调进化五原则，就是要不断优化系统的结构，不断完善系统的功能和技术特性，促进大系统体系的协调进化和协调运行(即系统的进化、协调与控制)，这个过程可归结为一个多目标整体优化的命题，并据此总结出一个系统性方法：“以协调进化五原则为核心的多目标整体优化设计。”

4 更好地把握样气处理系统的精髓

4.1 开展工程教育，提高研发能力

在线分析技术(On-line Analytical Technology, OAT)是跨学科、跨专业，整体有机联系的综合性工程技术，有必要学习美国过程分析化学中心(CPAC)开展科学家和工程师教育培养项目的成功经验，把过程分析技术(即中国的在线分析技术)工程教育作为主要目标之一，在长期工程实践中培养出一批既懂应用型基础理论，又掌握工程技术，又会应用操作的专业技术人才。研发水平的突破性提高，是样气处理系统技术质量发展的关键。

4.2气路流程图和技术配置方案是产品设计的核心表达

(1)样气处理系统最重要的技术表达方式，就是在线分析系统的气路流程图，即技术原理图。所谓整体优化设计，也最先和主要表现在气路流程图上。气路流程图还是判断产品技术是否技术成熟和技术先进的主要依据。

(2)先进的气路流程图只是生产高端品质在线分析系统的必要条件，专业化的技术配置方案，才是生产高端品质在线分析系统的充分条件。例如，重点工程招标采购都会指定样气处理产品的专供生产商，以及产品的型号、规格、性能指标、材质及工艺等。

4.3把样气处理系统对样气条件的适应性放在首位

在线分析的样气条件千差万别，严重缺乏均一性，不可能按期望预设。如下3个样气条件是样气处理系统的3个技术制高点：(1)水泥干法旋窑窑尾的样气条件：高温1400℃、高粉尘2000g/m3；(2)焦炉煤气样气条件：焦油和奈等污染物的重度污染，传统的过滤除尘、除污技术完全失效；(3)目前环保行业超低排放CEMS脱硫、脱硝的样气条件：对样气中超低含量SO2、NOX的保真要求很高。

对千差万别样气条件的针对性设计，样气处理系统必然大多是专用型的，有时还需要为工程用户特别定制整体解决方案。

4.4 为分析仪的高准确度检测提供有效保障

(1)为分析仪提供连续、稳定的合格样气，首先取样点要合理选择，样气传输及处理过程不能产生相变、化学吸附及化学反应，样气被测组份不能产生流失，样气必须洁净干燥，不至于污染、腐蚀分析仪的测量气室和检测器，更不容忍短周期内就损坏分析仪。

(2)样气处理系统的长寿命周期，是其性能和质量最直接的宏观表现，是在线分析系统实现长寿命周期最基本的前提条件。

(3)严格防止共生信息的广义干扰

样气非测量组分(即背景组分)中干扰组分产生的干扰误差，是传统意义的干扰，可称为“狭义干扰”。使在线分析系统检测信号偏离最佳检测状态下正确检测值的一切原因，定义为在线分析系统的“广义干扰”[8]。这可理解为朱良漪教授所论述的“共生信息干扰”，其来源主要是样气传输和处理过程中发生的相变、吸附或释放、渗透或泄漏、溶解流失等。

4.5 从少维护提升到免维护

样气处理系统少维护是朱良漪教授特别强调的难点和闪点，它是在线分析系统少维护的重要前提和技术基础。如能从少维护再提升到免维护的技术水平，才可能实现工程应用对人工介入的真正解放，危险场所工程应用的无人值守才有可能。

样气处理系统的免维护取样探头系统的定义：取样探头的清洁维护周期半年以上，预期寿命至少十年，样气保真措施具有针对性，工程应用证明确实有效，这类趋近于最终理想解的取样探头系统，定义为免维护取样探头系统[9]。目前的样气处理系统技术在工程上是基本上做得到免维护的。

5 样气处理系统技术的制高点举例

样气处理系统的高技术难度及其与众不同的特点，在攻克其制高点的过程中，体现得尤为明显。本文列举的重点实例是“原位整体式焦炉煤气干法样气处理装置”

5.1水泥旋窑窑尾循环液冷干法高温取样探头系统

(1)水泥旋窑窑尾的高温高粉尘样气条件：高温1400℃，2000g/m3。

(2)循环液冷干法高温取样探头实属大型成套设备，1991年开始进入中国市场的进口设备，曾经卖到令人乍舌的135万元高价。川分1998年国产化成功后，价格降了一半。干法高温取样探头系统的组成框图见图2。

(3)工程应用效果

国产化循环液冷干法高温取样探头系统在水泥行业占有垄断性优势，市场占有率高达70%左右。

某拉法基水泥厂应用工程师很有信心的评价：长期工程应用寿命周期可以达到10年。

由此说明：样气处理系统的高效除尘和防堵塞连续取样技术，早在20年前就已经是成熟技术。

图2 干法高温取样探头系统组成框图

5.2 原位整体式焦炉煤气干法样气处理装置

(1)焦炉煤气中的特殊污染物。焦炉煤气有焦油、萘以及粉尘的重度污染，由于高黏性，致使传统的过滤除尘、除污以及洗涤等处理方法完全失效。

(2)自上世纪八十年代末以来，国内近十家企业尝试遍了多级过滤、水洗涤、煤油洗涤、柴油洗涤、酰油洗涤等处理方法，不管是静态洗涤、两个大罐交替洗涤或定时切换洗涤，都没有真正成功过。只有仕富梅公司发明的蒸气喷射采样探头和动态水冷却洗涤器组合的技术方案，行业的认可度才较高。只可惜它同样是湿法技术路线，因为洗涤水中的溶解氧在处理过程中的部分释放，会造成正值的广义干扰误差，其大小约+0.1% O2左右，显然严重影响了检测准确度。

(3)原位整体式焦炉煤气干法样气处理装置

ABB公司的前身Hamp;B公司，早在35年前就坚决主导了样气处理的干法技术路线，这是确保在线分析高准确度最为有利的前提条件。

原位处理法是金义忠先生于2009年定义的新类型在线分析系统，已在“原位整体式煤矿瓦斯在线分析系统”项目上取得成功，外形图见图3，样机实现了连续工程应用8个多月的免维护。

图3 LKH103型原位整体式瓦斯样气处理装置外形图

原位整体式焦炉煤气干法样气处理装置如图4所示，由探头管组件，特殊结构的高效水冷却器和组合式高效除雾过滤分离器等三部分组成，探头管组件申到煤气管道中，其主体高度31公分，经原位处理后的粉尘和凝结、分离出的液态水等会靠自重自动回流到煤气管道中，实现了早期的免维护。

图4 LKH104型原位整体式焦炉煤气干法样气处理装置外形图

本项目的突破性创新体现在两方面：一是以干法技术路线颠覆了湿法技术路线；二是以不含氧组分的高温蒸汽(gt;140℃)去程控外反吹扫疏水型的探头过滤器(0.3μm，80Pa)，将可能聚焦在过滤器外表面的焦油、萘等污染物高温气化后，逆向吹回到煤气管道中去，从而实现长期工程应用的免维护。

(4)本项目已进入工程应用考核阶段。

5.3 环保领域超低排放的样气处理系统

(1)环保领域超低排放样气处理最突出的困难问题，是样气的高保真要求，即要切实做好广义抗干扰，广义干扰就是朱良漪所说的共生信息干扰。由于是微量在线分析，如数十毫克的SO2，以10-6计的微量氨，特别又是易溶于水，会产生相当大比例的流失。

(2)超低排放样气处理方法的优选

原位法在超低排放中有比较明显的局限性，特别是烟气粉尘含量较高的项目。直接抽取法造成微量被测组分流失的也风险很大，而且系统组成复杂，成本高。例如，Nafion膜式样气干燥器构成的样气处理系统虽然样气露点能够降至-10℃以下，样气保真也很好，但是高价格成为普遍推广的最大障碍。依托原位处理，采用整体优化设计的样气处理系统，往往表现出独特的技术优势。例如，原位整体式样气处理装置，旁路抽取式激光微量氧样气处理装置，直插式脱硝专用取样探头也属广义的原位处理法。

(3)环保领域超低排放的样气处理系统，已经取得了很多具有工程意义的成果，但是，尚未达到全行业的普遍解决，事实上，还处于全行业继续攻关的过程中。

6 讨论和初步结论

(1) 样气处理系统是复杂的、开放性、多层级的技术系统，这是基于在线分析系统应用型基础理论得出的基本结论，完全符合样气处理系统的技术现实。

(2)样气处理系统的核心问题是少维护，在少维护的基础上还要再追求免维护。

(3)在线分析系统检测结果的准确性问题，并非总是来自在线分析仪，而是往往来自样气处理系统。在线分析系统工程应用“失准、失灵、失效、失败”的真正原因，也更多来自样气处理系统。

(4)“质量源于设计(QbD)”，以协调进化五原则为核心的多目标整体优化设计，是构建和设计高可靠免维护样气处理系统切实可行的系统性方法。

(5)本论文的重点在于找准样气处理系统技术的创新突破方向和构建主体技术架构，其中体系性的贯通和协调，宏观诠释样气处理系统尤为重要。

[1]金义忠. 在线分析仪样气处理系统技术的应用及发展 [C]. 第二届在线分析仪器应用于发展国际论坛论文集, 2007:211-216.

[2]朱良漪. 必须积极开展系统工程学的研究 [M].朱良漪文集. 北京:化学工业出版社,2013:45-57.

[3] 杨清亮. 发明是怎样诞生的—TRIZ理论全接触 [M].北京：机械工业出版社,2006:11-24.

[4]徐义亨. 钱学森和工程控制论 [M]. 中国仪表和自动化产业发展60年史料(飞鸿踏雪泥)第二辑.北京：化学工业出版社，2014:2-5.

[5]许国志. 创建系统学的序 [M].创建系统学.太原：山西科学技术出版社,2001：1-5.

[6]朱良漪. 过程分析仪器的发展 [J]. 国际仪表与自动化，1998(6):17-23.

[7]金义忠. 在线分析系统可靠性的综合研究 [C].第七届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集, 2014: 124-130.

[8]金义忠，曹以刚，常武.在线分析系统的广义抗干扰研究[J]，分析仪器，2009，(6)：71-76.

[9]金义忠，杨永龙，李清玲，等.免维护取样探头系统的核心技术集成[C]第八届在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集，2015：106-113.

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

常寿兵，男，1978年生，北京航空航天大学电子与通讯工程硕士工程师，沃森测控技术(河北)有限公司技术总监，研究方向：燃煤锅炉的燃烧优化控制，仪器仪表和计算机软件控制系统设计，E-mail：stan.chang@walsn.com。