在线分析仪器与分析系统设计与应用.ppt

在线分析仪器及分析系统 设计与应用技术讲座 第二部分(6),第一讲在线分析系统概述 第二讲样气取样处理系统 第三讲分析系统设计应用 主讲人 朱卫东 2011年,在线气体分析系统设计与 工程应用技术(第二部分),第一讲 在线分析系统概述 第二讲 样气取样及处理系统 第三讲 在线分析系统设计、集成与应用 第四讲 CEMS的烟气参数监测分析技术 第五讲 烟气脱硫脱硝CEMS的设计应用 第六讲 在线分析系统在石化行业的应用,第一讲 在线分析系统概述,1.1在线分析仪器与在线分析系统的发展,流程在线分析举例：燃煤电厂在线监测,在线分析仪器在过程控制上的应用,在线分析仪器又称过程分析仪器，通常指直接安装在工业生产流程或其他源流体现场，对被测介质组成的成分参数或物性参数进行自动连续分析测量的一类仪器。 过程分析中，在线分析仪器大致分为两类，一类是直接安装在流程工艺管线上的在线分析仪器（on-line），仪器传感器直接安装在工艺管道或设备中，也称为原位分析仪器； 另一类是通过简单的取样样品处理，将样气从工艺管线取出，送到安装在现场的过程分析仪器（in-line）检测。这类简单的取样样品处理被称为在线分析仪器的取样预处理部件。,在线分析仪器及在线分析系统已在石油化工、冶金、电力、建材、化肥、环境、安全监测等领域得到广泛应用。对流程工业的安全生产、产品质量、节能降耗和污染减排等发挥了重要作用 。 在线分析系统通常采取系统集成技术，根据不同在线分析要求，集成包括在线分析仪、其他相关检测参量及自动化技术等组合的分析系统。 在线分析系统的集成技术应用，除分析仪器、样品取样处理、数据处理传输技术外，还涉及到现代分析化学、物理学、机械、电子学、计算机技术及自动化等综合学科的交叉应用。,1.2在线分析系统的分类与基本组成,1.2.1在线气体分析系统的分类 在线气体分析系统的分类与在线分析仪器的分类相似。 按照在线分析仪器是否通过取样分析被分为：取样式在线分析系统及非取样式在线分析系统； 按照在线分析仪器传感器的安装位置又分为原位安装及现场安装； 按照对被分析的样品气是否进行除湿处理又分为干法分析及湿法分析。,在线气体分析系统,图1-1在线气体分析系统的分类框图,1.2.2抽取式分析系统的分类,1.2.3原位式在线分析系统的分类,原位式在线分析系统被分为点测量在线分析系统和线测量在线分析系统。 点测量原位式分析仪器的传感器探头直接安装在工艺管线上 。 线测量原位式分析通常是发射一束光横穿过流程管道，进行样品气的分析检测 。又分为单光程和双光程分析两种形式,1.2.4在线分析系统的应用分类,在线分析系统的应用主要分为两大类，一类是流程工业的过程控制工艺组分的在线成分量检测应用，一类是环境监测领域的固定源污染物排放连续监测系统（CEMS）。 流程工业的在线分析系统应用非常广泛，在线分析系统组成有各种类型。而环境监测领域的CEMS的组成类型也差不多。但CEMS的基本组成，已有国家标准明确规范。目前CEMS是我国在线分析系统中唯一有明确标准规范的分析系统。CEMS的系统组成框图参见下图。,环境监测 领域标准 规定的 CEMS组 成示意图,1.3在线气体分析系统的基本组成,1.3.1在线气体分析系统的基本组成概述 在线气体分析系统的的基本组成按照取样式和非取样式分类而不同。 取样式分析系统的基本组成主要包括样品取样处理系统、在线分析仪器、数据采集处理传输以及分析小屋或分析柜等。 非取样式在线分析系统，无需样品取样处理系统，如：原位式在线分析系统只包括原位式在线分析仪器及数据采集处理等部分。,图1-3 取样式在线分析系统组成框图,1.3.3冷干法抽取式在线分析系统的组成, 冷/干法样品处理系统要求 冷/干法的取样处理应保证样品气被测组分是真实的，保证能满足在线分析仪器对被测样品气的要求。 在线分析仪器要求：被测量的样品气，应该是无尘的（不含颗粒物）、干燥的（不含水汽）、并符合分析仪器要求的适宜的环境温度范围（常温）。,通常冷/干法分析系统的取样处理的除尘要求能达到0.10.3m；除湿器的设定冷凝温度一般为为3-5；除湿器出口的温度约在58，分析仪器传感器大多恒温在40左右，在分析检测中不会有水分析出。,常规冷/干法分析系统组成示意图,1.4在线分析系统的主要性能特性,1.4.1在线分析系统的可靠性 在线分析系统的可靠性是在线分析行业最关注的性能特性，是指按照客户的要求进行可靠性设计，保证产品有合理的可靠度，能满足客户的预期使用寿命的特性。,可靠性是产品在规定的条件下完成规定功能的能力，或者是在规定的时间能保持完成规定功能的能力，也可以理解为系统长期稳定运行的能力。可靠性是与时间（t）有关的函数，表征产品可靠性的指标有可靠度、失效率、可靠寿命、首次故障平均时间（MTTF）、平均无故障工作时间（MTBF）、维修度、可用度等。 在线分析仪器及系统常用MTBF表示。如：氧化锆氧分析仪的MTBF要求达到8000小时以上。,国内用于环境监测的烟气连续排放监测系统（CEMS），在标准中提出了至少连续运行90天的质量保证要求。在90天运行时间内，除系统正常维护外，不允许出现需要维修的故障；如出现故障维修后需重新检测，这也是对系统可靠性及长期稳定性的强制考核要求。,1.4.2在线分析系统的稳定性和准确性,分析系统的稳定性是指在规定的工作条件下，输入保持不变，在规定的时间内分析系统的输出信号（分析仪器示值）保持不变的能力。稳定性用噪声及漂移两个参数表征，噪声表示随机误差，漂移表示系统误差。常用检测指标有：基线噪声、零点漂移、量程漂移等。 在线分析系统的稳定性指标，一般用在检测期间内的零点漂移和量程漂移的相对示值误差表示，如：2%F.S./7d。对分析系统检测期间的时间间隔大多要求为7d（168h）。,分析系统的准确性是指系统测量的指示值与被测量真值保持一致的能力。主要取决于分析仪器的准确度，也包含系统取样处理带来的系统影响误差。系统的准确性的指标大多用准确度，即测量误差表示，常用指标为：绝对误差和相对误差。 分析系统在检测标定时，一般分为系统内标及外标。内标主要测定分析仪器的测量误差，外标要求从取样探头处通入标气进行系统标定。也可采用规定参比方法标准进行在线比对检测。,1.4.3在线分析系统的适应性,在线分析系统的适应性主要指分析系统对流程工业成份量检测项目需求的适应能力。包括满足被测项目的工艺组分成份量的检测要求，以及对被测项目的环境适应性要求。 适应性体现为系统的技术“解决方案”。应该从客户的需求分析出发，充分分析客户的工艺及环境条件，根据客户招标文件提出的项目技术可行性及成套性，提出适宜的技术解决方案，满足客户对成份量监测的要求。,从可靠性设计的要求出发，对客户预期的产品生命周期即使用寿命，应有适宜的目标。对产品的使用并不要特别追求更长的使用寿命，从产品的竞争要求和产品技术更新周期考虑，可靠性设计的目标是“寿命的平衡”。 事实上，客户的需求是变化的，技术进步很快，系统只要能满足客户的现在需求和潜在需求，并具有合理的生命周期就是适宜的。,1.4.4在线分析系统的安全性,在线分析系统的安全性主要包括系统电气安全、系统气路密封性、防爆安全及网络信息安全等。 系统电气安全包括系统防止触电、着火、防雷击、防电磁干扰等电气安全； 系统气路密封性是防止管路泄露造成毒害气体危及人身安全； 系统的防爆安全是系统在爆炸环境下的防爆设计的级别和能力，包括在线分析仪器及分析小屋的防爆设计要求；,系统的网络信息安全是系统输出的信息在传输中的安全性，以及分析仪器及系统的专业网络的安全性等。 在线分析系统的安全性又可分为硬件和软件的安全性，系统硬件的安全性主要指系统各功能部件的安全性和系统对内外部的安全性 软件安全主要指防病毒及通信安全，特别是信息数据的传输的安全。,1.4.5在线分析系统的可维护性,在线分析系统的可维护性是指系统通过预防性维护保证系统的正常运行，以及出现故障后通过维修恢复原有性能的特性。 通常用可维修度表达，其定义是“在可维修系统中，当按照规定的方法进行维修时，在规定的时间内，将设备恢复到原有性能的概率” 任何一个系统都可能出现故障或失效，提高系统的可维修度，可以增加系统的正常运行时间，需要对系统进行可维修性设计。,1.4.6在线分析系统的其他性能特性,1）在线分析系统的动态特性 系统的动态特性主要指系统的反应时间，要求系统的反应要快、要灵敏。 通常在线分析仪器已给出仪器的反应时间指标。 分析系统取样及处理系统会增加仪器的滞后时间。系统内部空间死体积要尽量减小，仪器尽量靠近取样点，减少样品气输送管线长度。 一般要求分析系统的总滞后时间不大于60s，为减小总滞后时间，可采取快速旁路加快反应速度。,2）在线分析系统的成套性 系统成套性是指在线分析系统满足客户要求的合理配置，包括硬件、软件配置，系统的辅助工程和备品备件等。 3）在线分析系统的工艺性 系统的工艺特性是系统设计制造水平的体现，系统的制造工艺，包括严格的装配调试工艺是确保分析系统产品质量的保证。,第二讲 样气取样及处理系统,2.1样气取样处理系统的基本功能 样品提取：从排放源取样点提取所需样品流的功能，简称取样。通常采用取样探头抽取样品流，并根据样品流工艺参数设计相应的功能。 样品传输：将样品流从取样点输送到在线分析仪器入口端的功能，根据样品流的特性，选择合适的样品传输管线及其控制参数。 样品处理：样品处理是指对样品流除去或改变那些障碍组分和干扰组分，使之符合在线分析仪器对样气检测的要求。样品处理要求只改变样品流的物理和（或）化学物质，而不改变其组分。,样品排放：样品排放包括分析仪器样气出口端的烟气排放，及旁通流（快速放散回路的烟气流）和废液的排放。 流路切换：分析系统流程设计主要有分析回路、标定回路、快速放散回路及探头反吹回路等，分析回路包括系统经样气处理后，供给一套或多套分析仪器的样品流路。,系统监控：样品处理系统通过PLC实现自动控制处理，包括系统流路切换、系统反吹控制及系统各主要部件的监控，如：烟气温度、流量、含水分的报警等功能；还包括对监测信号的采集，即系统的状态监控等。 公用设施：系统的公用设施主要是为分析仪器及样品处理各部件提供必要的工作条件，确保系统正常工作。,系统的气态污染物分析系统通常集成为气体分析柜，气体分析柜需要与其他设备安装在分析小屋内。 分析小屋应满足在线分析仪器的安装环境和使用要求。分析小屋的附属公用设施，主要包括：配电箱、反吹压缩空气源、标准气瓶、废气、废液排放设施、环境温度控制设备和安全保证措施等，从而保证在线分析系统的可靠、准确运行。,2.2样气取样处理系统的基本性能特性,滞后时间 样品处理系统的滞后时间是指样品从取样点传送到在线分析仪器入口端所经过的时间。又称样品传送滞后时间。样品传送滞后时间+分析仪器的响应时间=分析系统滞后时间，即指样品从取样点取出到得到分析结果的这段时间。 渗透率（泄漏率） 在规定工作压力范围内，单位时间渗入（如大气）或漏出样品处理系统或其部件的流体量。表示样品处理系统的密封性能。,综合误差 样品处理后的样品流和取样点被测组分浓度之差。其差异可能是由吸附、稀释、渗透或样品流中被测组分的相互作用而引起的。综合误差考察样品经过处理后是否失真及失真的程度。 安全指标 样品处理系统由各部件按照系统流程设计要求配置，包括系统的供电及控制系统。安全指标主要指对系统的绝缘及耐压等强制性安全指标，也包括：系统的接地、防静电、防雷击及抗电磁干扰等安全特性。,2.2.2样品处理系统的特殊性能特性,体积效应（富集效应） 体积效应是指由于从样品流中除去一些组分，导致处理样品流中的被测组分浓度升高的效应。 稀释效应 稀释效应是指向样品流注入惰性组分而形成的稀释流，导致被测组分浓度降低或特性发生变化的效应。 转换器效率 由转换器产生的特定实际摩尔浓度与被转换的理想最大摩尔浓度之比被称为转换器效率。,2.3样气取样及取样探头,2.3.1CEMS取样点选择及安装要求 取样点选择及安装的一般性要求 取样点的选择应符合国家标准规定的要求 ，应位于气态污染物混合均匀的位置。 CEMS取样点开孔位置的选择原则 优先选择在垂直管段和烟道负压区域应尽可能选择在气流稳定的断面,2.3.2常用取样探头,正压取样探头 取样探管直接插入管道，并安装球阀可在线更换探管。 内置过滤器取样探头 取样探头过滤器安装在探管头部（在烟道内）被称为内置过滤器式探头 。 外置加热过滤取样探头 探头过滤器装在烟道外部与法兰连接的圆筒内 ，通过加热过滤器，可以避免湿烟气冷凝，烟气从加热的过滤器中抽出，经加热样品管线，再送到样品处理系统,图2-2加热外置过滤器探头,图2-1外置过滤器式探头,外置高温加热取样探头 外置高温型取样探头，探头的温度控制范围为0320，探头过滤器的加热保温温度为300左右。常用于烟气脱硝的加热取样 。 普通型烟气加热取样探头的加热保温温度为150左右。常用于烟气脱硫的加热取样 设定探头过滤器保温温度的原则是确保在烟气在取样过滤探头不出现冷凝水，不能低于烟气酸露点以下,石化用的高温裂解取样探头 石油化工的取样及样品处理系统，其组分复杂应用难度很大。以乙烯裂解气为例：其样品也是高温、高含水以及高油尘，样品温度最大达到：650，压力最大到0.14MPa。 取样探头采用高温裂解取样探头技术。该取样探头装置先经过杂质过滤，采用涡旋制冷管产生制冷气源，通过列管冷却器使样品气的水分及重的烃类冷凝为液体，返回到工艺管道，样品温度通过温控器控制，其输出压力及流量达到预定要求。样品再经过除水及油雾后送在线色谱仪检测 。,图2-3 美国流体数据公司Py-Gas取样器系统示意图,建材用的高温、高粉尘取样探头 此探头专用于水泥旋转窑尾烟室及预分解炉的取样处理系统。其样品气温度高，窑尾样气温度达到1350，预分解炉样气达到900，相对湿度达到65%，粉尘含量达到2000g/m3,分析对象：CO/NOx/O2。 该系统的高温取样探头技术难度最大。由于现场条件太恶劣，高温探头经常出现堵塞，高温探头的维护量很大，可靠性还需要改进,图2-4 西门子CEMAT-GAS高温取样探头原理图,取样探头的反吹防堵 用高压气体对取样探头过滤器进行“反吹”，可使探头堵塞现象减至最低，反吹气体一般使用60100psi（0.40.7MPa）干燥、洁净的仪表空气，反向（与烟气流动方向相反）吹扫过滤器。反吹可以采取脉冲方式产生。过滤器的反吹周期间隔时间从15min8h不等，脉冲反吹持续时间为52s（10s）。 对于要求不能间断取样分析的系统，可以采用双探头取样技术。,2.4样气传输管线,2.4.1样品传输的基本要求 样品传输的基本要求是：样品在传输过程中保持样品被分析组分不失真，并满足分析系统的要求。 防止相变。样气传输过程中气态样品要保持为气态。冷/干法样气传输管线需要加热保温在烟气露点之上。对脱硫烟气分析的电加热传输管线应保温在110120。.对脱硝烟气分析的电加热传输管线应保温在280以上。,样气传输管线不得泄漏。以免样品气外泄或环境空气侵入，造成分析误差及污染环境。对源级抽取法的传输管线从取样探头到分析柜或除湿器整个管路，安装的倾斜度不得小于5。 样气传输管线应尽可能短。也就是要求取样点与分析柜的距离要尽量短，使得传输管线的容积尽可能小，样品气流速尽可能快，样气传输的滞后时间应小于30秒，最大不宜超过60秒。如达不到系统响应时间的要求，可采取快速循环回路或快速旁通回路，以缩短样品传输的滞后时间。,对冷/干法CEMS，样气传输管线的连接应特别注意电加热传输管线与取样探头的连接接头处，以及与分析柜内的除湿器接头处的加热与保温，防止在这些部位会出现因局部温度降低产生冷凝水，导致腐蚀管路及连接件。,2.4.2样品传输管线,样品传输管线是将样品从取样探头传输到样品处理系统或分析仪的管线 。样品传输管线的全过程传输要加热保温在烟气露点之上温度 。 样品传输管线的伴热保温方式有蒸汽伴热和电伴热两种。电伴热的温度较低在250左右，而蒸汽保温温度高可达到450，蒸汽伴热通常用在需伴热的温度较高的场合。一般情况下，冷/干法CEMS采用电加热样品传输管线。,电伴热组合管缆的电伴热带按加热控制方式可分为恒功率型、限功率型或称自限型、自调控型三种，CEMS中大多使用限功率型电伴热组合管缆。,图2-5典型的电伴热组合管缆,2.4.3电伴热带及电伴热管缆,电伴热带常用有：自调控电伴热带、恒功率电伴热带、限功率电伴热带、串联型电伴热带。 前三种均属于并联型电伴热带，它们是在两条平行的电源母线之间并联电热元件构成的。样品传输管线的电伴热大多选用自调控电伴热带无需配温控器。样品温度较高时采用限功率电伴热带。,2,5样气除水及除湿部件,2.5.1样品除水要求及方法 除水要求 通常把将气体样品露点降至常温（1520）叫做除水，而将样品露点降至常温以下叫做除湿或脱湿。,除水方法 冷却降温 有水冷（可降至30或环境温度）、涡旋管制冷（可降至-10或更低）、冷剂压缩制冷（可降至5或更低）、半导体制冷等。 惯性分离 有旋液分离器、气液分离罐等。前者利用离心作用进行分离，后者利用重力作用进行分离。,过滤 有聚结过滤器、旁通过滤器、膜式过滤器、纸质过滤器和监视（脱脂棉）过滤器等。 前三种用于脱除液滴，后两种用于分析仪之前的最后除湿。这些过滤器只能除去液态水，而不能除去气态水，即不能降低样气的露点。,Nafion管干燥器 Nafion管干燥器是一种除湿干燥装置，以水合作用的吸收为基础进行工作，具有除湿能力强、速度快、选择性好、耐腐蚀等优点，但它只能除去气态水而不能除去液态水。 干燥剂吸收吸附 所谓吸收，是指水分与干燥剂发生了化学反应变成另一种物质，这种干燥剂称为化学干燥剂；所谓吸附，是指水分被干燥剂（如分子筛）吸附于其上，水分本身并未发生变化，这种干燥剂称为物理干燥剂。某些干燥剂对气样中一些组分也有吸收吸附作用；随着时间推移，干燥剂脱湿能力会逐渐降低。,2.5.2冷却降温除水,样品降温除水常用的冷却器 涡旋管冷却器 根据涡旋制冷原理工作。 压缩机冷却器又称为冷剂循环冷却器，其工作原理和电冰箱完全相同。 半导体冷却器 根据帕尔帖热电效应原理工作。 水冷却器 通过与冷却水的换热实现样品的降温，有列管式、盘管式、套管式几种结构类型。,涡旋管冷却器、压缩机冷却器和半导体冷却器主要用于湿度高、含水量较大的气体样品降温除水。其中以压缩机冷却器除湿效果最好，但价格较高。半导体冷却器难以用在防爆场所，涡旋管冷却器对气源的要求高、耗气量大，适用于防爆场所。 涡旋管冷却器,图2-7涡旋管的结构示意图,涡旋管冷却器中，常温压缩空气经喷嘴沿切线方向喷入涡旋发生器，由于切向喷嘴的作用，在涡旋发生器中形成沿圆周方向以音速旋转前进的高速气流，顺涡旋管向左运动。热端装有控制阀，当气流到达热端时，外圈气流从控制阀阀芯周边排出，内圈气流受到阀芯的阻挡，反向折转沿涡旋管向右运动，由冷端出口排出。,涡旋管冷却器的结构简单，启动快，维护方便，但耗气量较大，可达50100L/min。采用较高气压时，气样的温度可降至-40-10。在实际使用中，温度给定不能太低，一般设定在15，使气样含水量降至0.6%0.8%左右即可。若低于0以下时，冷凝出的水冻结会堵塞管道。,涡旋管工作原理图,压缩机冷却器 压缩机冷却器的制冷原理和电冰箱完全相同，如图2-9所示。制冷剂蒸气经压缩机压缩后，在冷凝器中液化并放出热量，在进入干燥器脱除可能夹带的水分。毛细管的作用是产生一定的节流压差，保持入口前制冷剂的受压液化状态并使其出口释压膨胀汽化。制冷剂在汽化器中充分汽化并大量吸热，使与之换热的样品冷却降温。,压缩机冷却器的制冷原理图,压缩机冷却器的除湿装置示意见下图，它由一组放置在液体中的盘管组成。盘管材料有玻璃、Kynar(聚偏二氟乙烯)和Teflon（聚四氟乙烯）等，液体可以是水或某种防冻液，有时也采用空气。这些液体由制冷系统冷却，为了避免烟气中的水分在盘管中冻结，液体的温度不允许低于35（1.67）。水蒸气冷凝液由液体收集器集中，用蠕动泵定期或连续排出。,增加一组冷却盘管可进一步降低水分含量，但更为有效的措施是在第一级盘管之后加一个样品泵，从第一级冷却器加压向第二级冷却器传送样气。气体在压力下比在真空下更容易冷凝,压缩机冷却器的除湿装置,半导体冷却器 半导体冷却器如图2-11左图所示，半导体冷却器又称热点冷却器，其优点是：外形尺寸小，使用寿命长，工作可靠，维护简便，控制灵活方便，且容易实现较低的制冷温度。其缺点是制冷效率低，成本高。 半导体冷却器的除湿装置是将一个撞击器（impinger，又称射流热交换器jet stream heat exchangers）装在吸热块中，吸热块与珀尔帖元件的冷端连接，其装置图参见图2-12右图。珀尔帖元件的热端由一组散热片散热或用风扇将热量驱散。,图2-11半导体冷却器的除湿装置图,气体冷却除湿单元装置 气体冷却除湿单元是由冷却器、精细过滤器、隔膜泵及蠕动泵等组成的独立单元。气体样品在隔膜泵的抽吸作用下进入冷却器，冷却脱湿后的样品经精细过滤器后由隔膜泵排出。冷凝出来的水分经粗过滤器后由蠕动泵排出，蠕动泵的作用是阻气排液。此外，该冷却单元内配有温控系统，可以将气样出口温度控制在50.1之内，气样温度精确控制意味着气样含水量的精确控制，便于从分析结果中扣除水分造成的干扰和影响。,水冷却器 气体样品冷却除水采用的水冷却器大多为盘管式水冷却器。,2.5.3惯性分离除水,旋液分离器 样气沿切线方向进入分离器，经过分离片时由于旋转而产生离心力，水分被甩到器壁上，沿壁流下。样气中如果还有灰尘，经过滤器过滤后进入分析仪进行分析。气室下部的积水达到一定液位高度时，浮子浮起，带动膜片阀开启，把积水排出。其结构如图2-12左边所示。 K.O.罐 用于分离气体样品中液滴。结构如图2-12右边所示，气样中液滴在惯性和重力作用下滴落入罐中。,图2-12旋液分离器结构及气液分离罐结构示意图,聚集过滤器 聚结器也称凝结器，是一种能将样品中的微小液体颗粒聚集成大的液滴，在重力作用下将其分离出来的装置。聚结器中的分离元件是一种压紧的纤维填充层，通常采用玻璃纤维（俗称玻璃棉）。当气样流经分离元件时，玻璃纤维拦截悬浮于气体中的微小液滴，液滴在重力作用下，向着纤维填充层的下部流动，并在重力作用下滴落到聚结器的底部出口排出。,聚结器能有效实现气雾状样品的气液分离。聚结器只能除去液态的水雾，而不能除去气态的水蒸气，即气样通过聚结器后，其露点不会降低。,图2-13左边是聚结器的典型结构。 图2-13右边是一种水平式聚结器。,2.5.4膜式过滤器,膜式过滤器（membrane filter）又称薄膜过滤器，用于滤除气体样品中的微小液滴。过滤元件是一种微孔薄膜，多采用聚四氟乙烯材料制成。 气体分子或水蒸气很容易通过薄膜的微孔，样气通过膜式过滤器后不会改变其组成，正常操作条件下，即使是最小的液体颗粒，薄膜都不允许其通过。因而，膜式过滤器只能除去液态的水，而不能除去气态的水，气样通过膜式过滤器后，其露点不会降低。图2-14是A+公司200系列Genis膜式过滤器的结构及其在样品处理中的应用。,图2-14 Genis膜式过滤器的结构及应用示意图,膜式过滤器有以下主要特点。 过滤孔径最小可达0.01m。 PTFE薄膜具有优良的防腐蚀性能，除氢氟酸外，可耐其他介质腐蚀。 PTFE薄膜与绝大多数气体都不发生化学反应，且具有很低的吸附性，因而不会改变样气的组成和含量，可用于10-6甚至10-9级的微量分析系统中。 操作压力最高可达5000psi（350bar G） 薄膜不但持久耐用，而且非常柔韧。,聚结薄膜组合过滤器 图2-15左是一种聚结薄膜组合过滤器。 聚结薄膜组合过滤器由聚结器过滤器和薄膜过滤器两部分组成，聚结器过滤器位于下部，过滤元件采用烧结多孔材料，呈筒形；薄膜过滤器位于上部，过滤元件采用疏水性微孔PTFE薄膜。气体从入口进入并被直接向下导入聚结过滤器。聚结过滤器将所有的颗粒物捕获，并不断将颗粒物由底部排液口排出。样气向上流到薄膜过滤器的上游一侧，流经薄膜滤室后从下游一侧的旁通口流出。薄膜位于滤室上方，经薄膜进一步滤除残留微小液体颗粒后的样气由顶部样气出口排出。,图2-15聚结薄膜组合过滤器及聚结薄膜组合过滤器的应用,2.5.5Nafion管干燥器,Nafion管干燥器（Nafion dryer）是Perma Pure公司开发生产的一种除湿干燥装置，其结构如图2-16所示。在一个不锈钢、聚丙烯或橡胶外壳中装有多根Nafion管，样品气从管内流过，净化气从管外流过，样品气中的水分子穿过Nafion管半透膜被净化气带走，从而达到除湿目的。 Nafion管的干燥原理完全不同于多微孔材料的渗透管，渗透管基于气体分子的大小来迁移气体，而Nafion管本身并没有孔，它是以水合作用的吸收为基础来进行工作的。,Nafion管干燥器示意图,Nafion管干燥器的特点和优点 除湿能力强。常温常压下，样气经Nafion管干燥后可达到的最大露点温度是-45，相当于含水量为100L/L。 除湿速度快。由于水合作用的吸收是一个一级化学反应，这个过程会在瞬间完成。 样气经干燥后其组成和含量基本不变。气态水分子可以随意通过Nafion管，而其他分子基本上都不能通过。,Nafion管和聚四氟乙烯一样，具有极强的耐腐蚀性能，即使是氢氟酸或别的凝结酸，Nafion管都可以承受。耐温、耐压能力较好，Nafion管可以承受的最高温度为190，最高压力为1 MPaG。Nafion 管干燥器无可移动部件，一般无需维护。,使用维护注意事项 谨防液态水进入Nafion管干燥器 Nafion管只能分离气态水而不能分离液态水，聚结器和膜式过滤器只能分离液态水而不能分离气态水，Nafion管则恰好与之相反。 要定期对Nafion管进行清洗 要想使Nafion管干燥器发挥最大效率，则必须定期对管的内、外表面进行清洗，,操作温度 其最高操作温度建议为110。 操作压力 应注意避免咋Nafion管内造成负压 净化气 净化气可以采用干的空气或氮气，净化气流速设定为湿样品气流速的2倍 。,2.5.6冷凝液的排出,采用自动浮子排液阀排液 自动浮子排液阀的结构如图2-17所示。当液位引起浮子上升时打开阀门，使液体排出。样气压力较高时不适用。 采用手动排液装置排液 手动排液装置的结构如图2-18所示。该方法适用于压力较高的场合。 采用蠕动泵自动排液 适合对少量冷凝液连续自动排放，用于冷凝除湿器冷凝液自动排放，同时能阻止气体的排出。蠕动泵要定期维护，每30-60天进行预防性更换。,2.6样气除尘及除尘部件,2.6.1样品除尘要求及方法 过滤除尘 主要用来滤除样品中的固体颗粒物，有时也用于滤除液体颗粒物（水雾、油雾等） 旋风分离除尘 旋风分离器是一种惯性分离器，利用样品旋转产生的离心力将气/固、气/液、液/固混合样品加以分离。广泛用于液样，对含尘粒度较大的气样效果也很好。 静电除尘 水洗除尘,2.6.2过滤除尘,粗过滤器 筛网过滤器 采用金属丝网 烧结过滤器 采用不锈钢粉末冶金过滤器和陶瓷过滤器，烧结过滤器滤芯孔径较小，属于细过滤器。 纤维或纸质过滤器，滤芯孔径小，也属于细过滤器 膜式过滤器 采用多微孔塑料薄膜 ，滤除非常微小的颗粒 ，属于精细过滤器。,2.6.3精细过滤器（fine filter）,精细过滤器有两种类型： 表面过滤器和深度过滤器。 表面过滤器是一个简单的纸质过滤器，它能够把某一粒径的颗粒物排除在外。 深度过滤器在散装的过滤材料内部收集颗粒物。过滤材料通常采用石英玻璃纤维，过滤材料的装填密度和厚度足以将细小的颗粒物拦截下来。,2.6.4直通个和旁通过滤器,直通过滤器又称在线过滤器（on-line filter），它只有一个出口，样品全部通过滤芯后排出。 旁通过滤器（by-pass filter）又称为自清扫式过滤器，它有两个出口，一部分样品经过滤后由样品出口排出，其余样品未经过滤由旁通出口排出。,图2-19 Nupro FW系列在线过滤器的结,图2-210Nupro F系列和TF系列在线过滤器的结构,2.6.5气溶胶过滤器,所谓气溶胶（aerosol）是指气体中的悬浮液体微粒，如烟雾、油雾、水雾等，其粒径小于1m，采用一般的过滤方法很难将其滤除。 气溶胶过滤器的有关技术数据如下：样品温度：max.+80；样品压力：0.22bar abs.；样品流量：max.300NL/h；样品通过过滤器后的压降：1kPa；过滤效果：粒径大于1m的微粒99.9999%被滤除。,图2-21CLF系列气溶胶过滤器结构,2.7样品抽气泵,2.7.1样品泵（sample pumps）的要求 样品系统中使用的泵有隔膜泵、喷射泵、膜盒泵、电磁泵、活塞泵、离心泵、齿轮泵、蠕动泵等多种类型，其结构简图见图2-22。 对于压力不大于0.01MPa的微正压或负压的气体样品取样都要使用泵抽吸被测气样，保证样品达到分析仪要求的流量，常用隔膜泵及喷射泵。在样品增压排放系统中，常用电磁泵、活塞泵、离心泵等进行输送。在气液分离系统中，常用蠕动泵替代气液分离阀起阻气排液作用。,2.7.2隔膜泵,隔膜泵是无油泵，避免了油蒸汽污染的问题。隔膜泵的工作原理是机械冲程活塞或由连接棒移动使软隔膜扩张和收缩抽取气体。隔膜为圆形，由软金属片、聚四氟乙烯、聚氨酯或其他合成橡胶制成。隔膜往复运动，以短脉冲方式移动气体，当隔膜向下移动时，气流通过气体进口吸气阀进入泵的内腔；当隔膜向上移动时，吸气阀关闭同时排气阀打开，泵腔中的气体从气体出口进入采样管。因为只有泵腔、隔膜和阀门与气体接触，故气体被污染的可能性很小。,图2-23隔膜泵的工作原理示意图,样品系统所用的泵，其体积流量远小于工艺装置中所用的泵，泵送效率和动力消耗是不太重要的，而高可靠性、样品不受污染、耐腐蚀性则是最重要的问题。 以德国M&C分析仪器公司MP47-EX型防爆隔膜泵为例，其主要性能指标如下。泵送流量：最大6L/min（在一个大气压下）；泵送压力:0.42.2bar abs.；样品温度范围：-30+80；配管尺寸：1/4in；部件材质：泵头PTFE(聚四氟乙烯)，隔膜PTFE（聚四氟乙烯）；防爆等级：2G EEXe，qT3；防护等级：IP44EN60529。,2.7.3喷射泵,喷射泵又称为文丘里抽吸器，它是一种利用高速第二流体（水、空气或蒸汽，又称工作流体）在文丘里管中产生的低压把样品抽吸出来的装置。喷射泵的结构如图2-24所示。 工作流体经喷射进入吸入腔体，形成低压区，从而把低压样品吸入，再经扩压管中的喉管将混合流体升压后排出，控制第二流体入口压力，就能控制样品的吸入量。 由于样品经过泵后与第二流体发生混合，因而喷射泵应位于分析仪之后,图2-24喷射泵的结构示意图,2.8样品流量与压力调节部件,2.8.1样品流量调节 球阀（ball valves） 球阀的阀芯呈球形，用于切断或接通样品流路。样品处理系统中大量使用的是二通球阀和三通球阀，根据驱动方式，二通、三通球阀又可分为手动、气动、电动三种。此外，有时还在少数场合使用四通、五通、七通球阀。图2-25是二通、三通球阀的结构。,图2-25 二通、三通球阀结构,旋塞阀 阀芯呈圆柱形，其作用同二通阀，不同之处是它有全开、全关和节流（半开）三种开度。,图2-26 旋塞阀结构图,单向阀 又称止逆阀、止回阀，只允许样品单向流动，而不能逆向流动。,图2-27 两种单向阀结构,针阀（needle valves） 针阀的阀芯呈圆锥形，用于微调样品流量和压力。图2-28是两种针阀的结构,图2-28 两种针阀结构,稳流阀 用于稳定样品流量和压力。稳流阀的结构有多种形式，但它们都具有在输入压力或输入负载变化时，能自动保持输出流量恒定的性能。 稳流阀的稳流性能 是有条件的，只有 当输入压力 变化不 太大时，输出才具 有高稳定性。因此， 一般稳流阀需串接 稳压阀或针阀。,限流阀（restrictor） 限流阀用以限制样品流量不超过某一允许值，起安全保护作用。 浮子流量计（flowmeter） 又称转子流量计，用于指示样品流量。其锥形圆管材料有玻璃和金属两种，浮子材料有不锈钢、铜、铝、塑料等几种。样品系统中多使用带针阀的浮子流量计，即可指示流量，也可调节流量。有时也使用带低流量报警接点的浮子流量计，当样品流量低于规定值时发出报警信号，以免分析仪发出错误的测量信号。,2.8.2样品压力调节,压力调节阀（pressure regulator） 压力调节阀也称为减压阀，是取样和样品处理系统中广泛使用的减压和压力调节部件。按照被调介质的相态，可分为气体减压阀和液体减压阀两类，气体减压阀又有多种结构类型，如普通减压阀、高压减压阀、背压调节阀、双级减压阀、带蒸汽或电加热的减压阀等。 稳压阀和稳压器 稳压阀的结构及工作原理和稳流阀完全相同，稳流必须稳压，只有稳定了压力，流量才能稳定。,泄压阀（relief valves） 泄压阀又称安全阀，用以保护分析仪和某些耐压能力有限的样品处理部件免受高压样品的损害。图2-33右图是一种安全泄压阀的结构。 压力表（pressure gauge） 测量氨气、氧气等介质压力时，应采用氨气、氧气压力表等专用压力表。测量强腐蚀性介质压力时，可选用隔膜压力表。,2.9其他特殊功能部件,2.9.1氮氧化物转换炉 氮氧化物转换炉较多采用金属钼作催化剂，在高温下将NO2催化还原为NO，其反应式如下： 3NO2+Mo3NO+MoO3 钼转化炉的反应温度为37550，反应转化率96%，钼在反应过程中会逐步消耗，转化率会逐步下降。在钼将耗尽时，转化率将急剧下降，这时钼需要再生或更换。钼催化剂经再生可反复使用，再生反应为： 3H2+ MoO3Mo+3H2O,2.9.2除有害物质过滤器,采用吸附过滤器可去除微量有害组分。吸附过滤器的结构参见图2-31。吸附过滤器的容积根据样气流量及有害组分及干扰组分的含量确定，高度在100200mm之间。样气由入口进入后，先沿狭窄流路向下流动，再转向上流动，样气与吸附剂充分接触，增强吸附效果，同时冷凝液滴直接滴落到过滤器底部。可用的吸附材料及适用范围参见表2-2。,图2-31 吸附过滤器的结构示意图,2.10配管及管材, 管材及管件 1）直通式样品取样管通常采用316不锈钢管。 2）正压式传输管线应优先采用316不锈钢无缝Tube管。 3）需要电加热保温的样品传输管线，其样品管道大多采用耐腐蚀及耐高温（200以下）的聚四氟乙烯管道。,4）管子的连接应采用压接方式，使用双卡套式压接接头，管件（接头、阀门）材质、规格应与管子相同和配套。 5）常用气体样品管采用6mm或1/4inOD Tube管。用于反吹以及快速放散的管道一般为10mm或3/8in。应注意管壁厚度符合耐压的要求。, Pipe管与Tube管 Pipe管与Tube管是两种规格、系列的管子。 Pipe管是大口径管子，在151500mm（1/260in）之间，用公称直径DN表示管子管径规格，常用于工艺管道及公用工程管道 。 Tube管是小管径管子，在312mm(1/81/2in)之间，用外径OD表示管子管径规格，其管壁很薄，不允许套螺纹，只能用卡套方式连接。外径相同的管子和管件之间可以用卡套连接。其厚度采用实际壁厚表示。仅用于仪表系统的测量管路、气动信号管路及在线分析仪的样品管路。, 配管安装要求 样品处理系统的配管和部件应能承受1.5倍最大操作压力而无泄漏和损坏；所有进出分析柜的管子均应通过穿板接头；压力表安装应采用压力表转换接头；所有压接接头均应采用双卡套型。 当需要采用其他软管连接时，对软管的材质及连接方式应提出设计要求，软管必须保证耐腐蚀以及少吸附，常用聚四氟乙烯管等，采用装用的连接接头，确保系统的密封。,第三讲 在线分析系统的设计与应用,3.1冷干法CEMS的分析流程设计 （1）冷/干法CEMS的设计要求 包括对取样点的选择及安装设计、样品处理系统的流程的设计及分析仪器的选型设计等。 冷干法CEMS各监测系统的取样点选择及安装设计应符合国家环保标准HJ/T75-2007固定污染源烟气排放连续监测技术规范规定的要求。通常由用户与供应商共同确定合适的取样点，供应商提供取样点开孔及安装法兰要求，以确保分析系统到现场后的正确安装 。,冷干法CEMS气态污染物取样处理系统设计 气态污染物分析系统的设计主要包括：样品取样处理系统的流程设计及各部件的配置和分析仪器的选型等。 应充分了解用户取样点的烟气参数及环境条件，主要包括：烟气压力、温度、流量、含尘量、含水分、被测组分的浓度范围及其环境条件。根据以上条件，在分析系统设计中采取适宜的样品处理流程。,样品处理流程设计的基本要求应保证： 样品气满足分析仪器对样品气的要求； 样品气被分析的组分不能失真（与排放源烟气中的被测组分及含量一致）； 样品的消耗量最少； 系统构成尽量简单； 易于操作和维护； 能长期安全可靠工作。,分析仪器的选型设计 冷/干法CEMS配套的分析仪器是常用的工业在线分析仪器如：红外、紫外、热磁、电化学等分析仪器。 按照被分析组分及其浓度范围选择适宜的分析仪器，可选择单一组分分析仪或多组分分析仪器。选择适宜的分析仪器应注意其：测量范围、分析精度及干扰气体的影响度，并有较高的性价比。,（2）样品处理系统各功能部件的要求及典型设计参数 取样探头：采用加热过滤型式，探头应加热保温到150180，探头内置粗过滤器，其除尘精度可达2-3微米。内置过滤器采用陶瓷过滤器或不锈钢烧结过滤器，过滤器作为对烟气的粗过滤。过滤器外部采用电加热带，并进行恒温控制，温控设计范围在0180可调。 样气输送管线：要求加热保温在110120左右，采用电加热一体化管缆，管缆通常包括样气管线、标气管线及反吹气管线。,冷凝除湿器：按照烟气含水量多少，采取一级或两级除湿，一级除湿可采用电子除湿器或单头的压缩机式除湿器；二级除湿大多采取双头的压缩机除湿器，冷凝除湿的温度一般设定为3-5； 烟气除尘：按照烟气含尘量多少，采取2-3级除尘，除取样探头内设粗过滤器外，样品处理系统设有气溶胶过滤器，实现精过滤除尘和除去烟气中的酸雾滴；再通过第三级过滤-精细过滤器，其除尘过滤精度达到0.1-0.3微米。,抽气泵：通常烟道气的压力是负压或微正压，系统需要烟气压力选取合适取样泵抽取烟气，冷/干法CEMS取样泵大多采用膜式泵，通常设置除湿器后或两级除湿器中间，取样流量约3-5L/min。 流路设计：烟气经过除尘、除湿处理后进入系统的分析回路，通过压力流量调节进入分析仪器分析。为保证取样探头的可靠工作，系统设有探头反吹回路。此外，系统还设有分析仪器标定回路及快速放散回路和废气废液排放回路。,系统报警及自动控制：为保证分析系统正常工作，系统设有温度、压力、流量、湿度等报警器。分析系统的自动控制由PLC控制，实现自动反吹、自动/手动标定，自动报警以及采集报警和分析测量信号。 分析柜及分析小屋：样气处理系统及分析仪器集成安装在分析柜内。分析小屋内安装分析柜等，以及满足分析仪器环境要求的公共条件：供电电源、供气（仪表空气）、环境温度（空调）及安全设施等。分析小屋又分为土木结构及金属结构两种。,（3）冷/干法CEMS气态污染物分析系统流程典型设计,3.1.2冷/干法CEMS样品处理流路设计,冷/干法CEMS的样品处理流路设计主要包括：分析回路、标定回路、反吹回路、快速放散回路、废气废液排放回路等。 分析回路设有流量、压力调节装置，保证分析仪器对被测样气的压力流量要求，一般单台分析仪器样气流量约1L/min。 标定回路通过切换阀、稳压阀及调节阀等管路、阀件，将标准气通入分析仪器进行自动或手动标定，通常仪器标定从仪器入口通入标气（内标），对CEMS的系统标定按标准要求必须从取样探头通入标气（外标）。,反吹回路，主要是对探头反吹防堵，也有对管路、探头同时实现反吹.采取加热脉冲式吹扫，出厂时由PLC设定反吹周期为8小时，脉冲反吹为5分钟左右，脉冲反吹的频次为52s=10s,停5s，反吹的仪表空气要经过预热 . 快速放散回路，是为了加快系统分析速度，满足分析系统的响应时间要求,放散流量约1.5-2L/min。 废气废液排放回路，是通过排放总管后排出分析小屋，注意对毒害气体排放应经过处理。 系统设有各种报警功能，如：湿度报警、流量报警及加热温度报警等功能。,3.2冷干法CEMS分析系统的集成与应用,3.2.1气态污染物监测系统 包括：采样及传输系统、样气处理系统、分析仪器、控制单元及组件、分析仪表柜或分析小屋，以及配电设备，校正系统等公用工程设施。 系统典型设计技术包括：分析系统的流程设计、分析系统的电气设计、分析系统的控制设计PLC设计、分析系统柜或分析小屋的设计等。 分析系统的流程设计决定系统各功能部件的选择与配置，系统的除尘设计，一般采取三级除尘技术，其除尘精度达到0.30.1m，保证分析仪器要求。,系统的除湿设计，一般采取一级或两级除湿技术，一级除湿大多采用电子除湿器或单头压缩机式冷凝除湿器；两级除湿一般采用双头压缩机式冷凝除湿器，并将膜式抽气泵，安放在一级除湿后，二级除湿之前，除湿器的冷凝温度控制在35，冷凝器出口样气温度约在58，满足分析仪器的常温要求。 系统抽气泵采用膜式抽气泵提供抽取烟气的动力，要求耐腐蚀、抽气性能强，能满足分析系统对样气的流量要求。 系统压力及流量调节、标定按分析流程要求。 系统的自动控制及报警设计，采用PLC 实现对分析流程的自动控制及报警，并实现与DAS通讯。,3.2.2颗粒物监测系统,颗粒物监测系统是一个独立的CEMS检测系统，常采用光学透射法、散射法、静电法及射线法等测尘仪器在线监测烟尘浓度。 烟尘含量较高（大于200mg/m3）时，大多选用光学透射法测量烟尘仪器；烟尘含量较低（小于200mg/m3）时，选用后向散射法测量烟尘仪器由于除尘技术改进，其出口含尘量只达到几十mg/m3 ，大多采用后向散射法测尘仪。 静电法及射线法测尘仪在CEMS中应用较少 。射线法测尘仪能直接测量烟尘的质量浓度，有较好应用前景。,3.2.3烟气参数监测系统,烟气参数监测系统主要有烟气流速仪、烟气湿度仪及烟气含氧量检测仪等组成。其中：烟气流速仪通常为烟气温度、压力及流速三位一体化检测系统组成。 国内CEMS的配置选型大多选用皮托管流速仪及阻容式湿度仪，氧含量检测常采用氧化锆氧分析仪、磁氧分析仪及电化学测氧仪。,3.2.4 数据采集处理系统（DAS）,数据采集处理系统（DAS）的主要功能，包括：数据采集，数据控制、数据处理（包括：显示、存贮、图表生成、打印）及数据通信等功能。 通常DAS的硬件：工业控制计算机可以安装在分析小屋或控制室，也有