(1.沃森測控技術(shù)(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(tǒng)技術(shù)的精髓
常壽兵1楊永龍2
(1.沃森測控技術(shù)(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(tǒng)是在線分析系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),是在線分析系統(tǒng)的三大技術(shù)基礎(chǔ)之一。本文從多個技術(shù)維度深刻思考樣氣處理系統(tǒng)的核心本質(zhì),緊密聯(lián)系工程實踐,探索樣氣處理系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的突破方向。要構(gòu)建和設(shè)計更可靠的免維護樣氣處理系統(tǒng),使在線分析系統(tǒng)的這個技術(shù)基礎(chǔ)更加堅實牢固,就得更好理解和抓住樣氣處理系統(tǒng)的精髓,以提高研發(fā)設(shè)計水平。
技術(shù)系統(tǒng) 微系統(tǒng) 子系統(tǒng) 樣氣處理系統(tǒng) 在線分析系統(tǒng) 在線分析系統(tǒng)集成(如分析小屋集成)
2007年,第二屆在線分析儀器應(yīng)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(shù)‘分析技術(shù)’與‘自動化’的系統(tǒng)集成”,標志分析儀器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,迎來歷史性轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時刻。
朱良漪當(dāng)年給金義忠先生的命題論文是“在線分析儀樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)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(shù)領(lǐng)域樣氣處理系統(tǒng)基礎(chǔ)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(tǒng)技術(shù)精髓”,找準樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新突破方向,并構(gòu)建起主體技術(shù)框架,在國家重點工程導(dǎo)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(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)。
2.1 “系統(tǒng)”概念和“技術(shù)系統(tǒng)”定義
朱良漪定義的系統(tǒng):“系統(tǒng)是由若干相關(guān)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(xiàn)某些作用”[2]。
前蘇聯(lián)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(shù)系統(tǒng):“一個產(chǎn)品或物體都可以看作是技術(shù)系統(tǒng),技術(shù)系統(tǒng)可以簡稱為系統(tǒng)。系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的,并通過子系統(tǒng)間的相互作用來實現(xiàn)一定功能[3]”。 技術(shù)系統(tǒng)還有更簡潔的表達:“每個可實現(xiàn)某種功能的事物都是技術(shù)系統(tǒng),每一個產(chǎn)品都是技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)合體”。
2.2 大師的教誨,永遠的教益
2.2.1 錢學(xué)森院士的系統(tǒng)學(xué)理論
(1) 錢學(xué)森院著《工程控制論》,其核心本質(zhì)由他概括為“一個系統(tǒng)的不同部分之間相互作用的定性性質(zhì),以及由此決定的整個系統(tǒng)總體的運行狀態(tài)”[4]。他十分強調(diào)“用系統(tǒng)學(xué)理論處理好局部和整體的關(guān)系”。
(2) 錢學(xué)森著《創(chuàng)建系統(tǒng)學(xué)》,許國志院士作的序有如下精辟概括:“系統(tǒng)學(xué)就是系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)理論”。“系統(tǒng)學(xué)是研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能(系統(tǒng)的演化、協(xié)同與控制)一般規(guī)律的科學(xué)”[5]。系統(tǒng)學(xué)最基本的概念就是系統(tǒng)。其規(guī)律一是系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu);二是系統(tǒng)的屬性,主要是開放性和復(fù)雜性。錢學(xué)森還指出:“整體就是一個系統(tǒng),而系統(tǒng)一定有清晰的層次和部門性的分系統(tǒng)”。
2.2.2 朱良漪教授工程導(dǎo)向的技術(shù)思想
(1)朱良漪兩次發(fā)表論文“以重點工程帶系統(tǒng),以系統(tǒng)帶儀表”(1984年)和“再論以重點工程帶系統(tǒng),以系統(tǒng)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(jié)了制約過程分析儀器(現(xiàn)在稱為在線分析儀器)發(fā)展的三大癥結(jié):過程分析的取樣和預(yù)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(diào)的“四大難點和閃點”[6]:取樣(探頭)系統(tǒng),可靠性,少維護,軟件技術(shù)。
2.2.3 阿奇舒勒的系統(tǒng)協(xié)調(diào)進化法則
TRIZ(萃智)的技術(shù)系統(tǒng)進化理論有八大技術(shù)系統(tǒng)進化法則[3],其中最被看重的是系統(tǒng)協(xié)調(diào)進化法則:“技術(shù)系統(tǒng)的進化是沿著各子系統(tǒng)相互之間更加協(xié)調(diào)的方向發(fā)展,即系統(tǒng)各個部件在保持協(xié)調(diào)的前提下,充分發(fā)揮各自的功能”。
3.1 樣氣處理系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)及開放性
樣氣處理系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 樣氣處理系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)圖
樣氣處理系統(tǒng)最重要的特性就是開放性:“樣氣處理系統(tǒng)與其工程應(yīng)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(fù)雜、動態(tài)的物質(zhì)交換、能量交換和信息交換”。處置和協(xié)調(diào)好所有這些“交換”,是設(shè)計樣氣處理系統(tǒng)最難完成,又必須完成的困難任務(wù)。
3.2 經(jīng)驗主義地解決工程應(yīng)用難題
樣氣處理系統(tǒng)肯定有比分析儀更顯著的 “工程技術(shù)”屬性,每個部件或許簡單,整個系統(tǒng)卻十分復(fù)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(tǒng)的設(shè)計要切實做到合理匹配、完善組合、有效集成和協(xié)調(diào),研發(fā)和設(shè)計出有持久生命力的產(chǎn)品技術(shù),經(jīng)驗主義地解決在線分析儀及其系統(tǒng)的工程應(yīng)用難題。
3.3 引用在線分析系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進化五原則[7]
在線分析系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進化五原則,對技術(shù)系統(tǒng)有普遍的實用性。
(1)很好保留了原系統(tǒng)的優(yōu)點。
(2)比較徹底地消除了原系統(tǒng)的局限和不足。
(3)新系統(tǒng)沒有變得更復(fù)雜和成本更高。
(4)新系統(tǒng)沒有引入新的缺陷和技術(shù)風(fēng)險。
(5)新系統(tǒng)更能長壽命周期地協(xié)調(diào)運行。
3.4 多目標整體優(yōu)化設(shè)計
樣氣處理系統(tǒng)要真正實現(xiàn)協(xié)調(diào)進化五原則,就是要不斷優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),不斷完善系統(tǒng)的功能和技術(shù)特性,促進大系統(tǒng)體系的協(xié)調(diào)進化和協(xié)調(diào)運行(即系統(tǒng)的進化、協(xié)調(diào)與控制),這個過程可歸結(jié)為一個多目標整體優(yōu)化的命題,并據(jù)此總結(jié)出一個系統(tǒng)性方法:“以協(xié)調(diào)進化五原則為核心的多目標整體優(yōu)化設(shè)計?!?/p>
4.1 開展工程教育,提高研發(fā)能力
在線分析技術(shù)(On-line Analytical Technology, OAT)是跨學(xué)科、跨專業(yè),整體有機聯(lián)系的綜合性工程技術(shù),有必要學(xué)習(xí)美國過程分析化學(xué)中心(CPAC)開展科學(xué)家和工程師教育培養(yǎng)項目的成功經(jīng)驗,把過程分析技術(shù)(即中國的在線分析技術(shù))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(yīng)用型基礎(chǔ)理論,又掌握工程技術(shù),又會應(yīng)用操作的專業(yè)技術(shù)人才。研發(fā)水平的突破性提高,是樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。
4.2氣路流程圖和技術(shù)配置方案是產(chǎn)品設(shè)計的核心表達
(1)樣氣處理系統(tǒng)最重要的技術(shù)表達方式,就是在線分析系統(tǒng)的氣路流程圖,即技術(shù)原理圖。所謂整體優(yōu)化設(shè)計,也最先和主要表現(xiàn)在氣路流程圖上。氣路流程圖還是判斷產(chǎn)品技術(shù)是否技術(shù)成熟和技術(shù)先進的主要依據(jù)。
(2)先進的氣路流程圖只是生產(chǎn)高端品質(zhì)在線分析系統(tǒng)的必要條件,專業(yè)化的技術(shù)配置方案,才是生產(chǎn)高端品質(zhì)在線分析系統(tǒng)的充分條件。例如,重點工程招標采購都會指定樣氣處理產(chǎn)品的專供生產(chǎn)商,以及產(chǎn)品的型號、規(guī)格、性能指標、材質(zhì)及工藝等。
4.3把樣氣處理系統(tǒng)對樣氣條件的適應(yīng)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(yù)設(shè)。如下3個樣氣條件是樣氣處理系統(tǒng)的3個技術(shù)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(tǒng)的過濾除塵、除污技術(shù)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(shè)計,樣氣處理系統(tǒng)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(chǎn)生相變、化學(xué)吸附及化學(xué)反應(yīng),樣氣被測組份不能產(chǎn)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(nèi)就損壞分析儀。
(2)樣氣處理系統(tǒng)的長壽命周期,是其性能和質(zhì)量最直接的宏觀表現(xiàn),是在線分析系統(tǒng)實現(xiàn)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(chǎn)生的干擾誤差,是傳統(tǒng)意義的干擾,可稱為“狹義干擾”。使在線分析系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)少維護是朱良漪教授特別強調(diào)的難點和閃點,它是在線分析系統(tǒng)少維護的重要前提和技術(shù)基礎(chǔ)。如能從少維護再提升到免維護的技術(shù)水平,才可能實現(xiàn)工程應(yīng)用對人工介入的真正解放,危險場所工程應(yīng)用的無人值守才有可能。
樣氣處理系統(tǒng)的免維護取樣探頭系統(tǒng)的定義:取樣探頭的清潔維護周期半年以上,預(yù)期壽命至少十年,樣氣保真措施具有針對性,工程應(yīng)用證明確實有效,這類趨近于最終理想解的取樣探頭系統(tǒng),定義為免維護取樣探頭系統(tǒng)[9]。目前的樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)在工程上是基本上做得到免維護的。
樣氣處理系統(tǒng)的高技術(shù)難度及其與眾不同的特點,在攻克其制高點的過程中,體現(xiàn)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(tǒng)
(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(shè)備,1991年開始進入中國市場的進口設(shè)備,曾經(jīng)賣到令人乍舌的135萬元高價。川分1998年國產(chǎn)化成功后,價格降了一半。干法高溫取樣探頭系統(tǒng)的組成框圖見圖2。
(3)工程應(yīng)用效果
國產(chǎn)化循環(huán)液冷干法高溫取樣探頭系統(tǒng)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(yīng)用工程師很有信心的評價:長期工程應(yīng)用壽命周期可以達到10年。
由此說明:樣氣處理系統(tǒng)的高效除塵和防堵塞連續(xù)取樣技術(shù),早在20年前就已經(jīng)是成熟技術(shù)。
圖2 干法高溫取樣探頭系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)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(shù)方案,行業(yè)的認可度才較高。只可惜它同樣是濕法技術(shù)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(dǎo)了樣氣處理的干法技術(shù)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(tǒng),已在“原位整體式煤礦瓦斯在線分析系統(tǒng)”項目上取得成功,外形圖見圖3,樣機實現(xiàn)了連續(xù)工程應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jīng)原位處理后的粉塵和凝結(jié)、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(xiàn)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(xiàn)在兩方面:一是以干法技術(shù)路線顛覆了濕法技術(shù)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(xiàn)長期工程應(yīng)用的免維護。
(4)本項目已進入工程應(yīng)用考核階段。
5.3 環(huán)保領(lǐng)域超低排放的樣氣處理系統(tǒng)
(1)環(huán)保領(lǐng)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(shù)十毫克的SO2,以10-6計的微量氨,特別又是易溶于水,會產(chǎn)生相當(dāng)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(fēng)險很大,而且系統(tǒng)組成復(fù)雜,成本高。例如,Nafion膜式樣氣干燥器構(gòu)成的樣氣處理系統(tǒng)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(shè)計的樣氣處理系統(tǒng),往往表現(xiàn)出獨特的技術(shù)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(lǐng)域超低排放的樣氣處理系統(tǒng),已經(jīng)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(guān)的過程中。
(1) 樣氣處理系統(tǒng)是復(fù)雜的、開放性、多層級的技術(shù)系統(tǒng),這是基于在線分析系統(tǒng)應(yīng)用型基礎(chǔ)理論得出的基本結(jié)論,完全符合樣氣處理系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)實。
(2)樣氣處理系統(tǒng)的核心問題是少維護,在少維護的基礎(chǔ)上還要再追求免維護。
(3)在線分析系統(tǒng)檢測結(jié)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(tǒng)。在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)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(tǒng)。
(4)“質(zhì)量源于設(shè)計(QbD)”,以協(xié)調(diào)進化五原則為核心的多目標整體優(yōu)化設(shè)計,是構(gòu)建和設(shè)計高可靠免維護樣氣處理系統(tǒng)切實可行的系統(tǒng)性方法。
(5)本論文的重點在于找準樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新突破方向和構(gòu)建主體技術(shù)架構(gòu),其中體系性的貫通和協(xié)調(diào),宏觀詮釋樣氣處理系統(tǒng)尤為重要。
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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(xué)電子與通訊工程碩士工程師,沃森測控技術(shù)(河北)有限公司技術(shù)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(tǒng)設(shè)計,E-mail:stan.chang@walsn.com。