在线分析样品气前级冷却方案设计

侯成民，张 烈

（北京北分麦哈克分析仪器有限公司，北京 100095）

0 引言

在线分析仪器的制造和应用已有60 多年的历史。随着国内石化、冶金、电力及煤化工等行业的工业装置的大型化和整体技术装备水平的提升，以及对节能降耗，提高质量，治污减排和安全生产的日益追求，在线分析仪器的重要性和使用量与日俱增[1]。

在线分析是仪器分析的一个重要发展方向，是一个很有发展前途的分支[2]。目前，国外广泛使用在线分析仪器来代替实验室仪器，而国内流程工业中仍有相当一部分企业专注于实验室分析[2]。与传统的人工取气检测相比，在线自动化分析具有连续监测、精准度高、实时性好、操作方便等优势。它可以达到提高自动化水平，降低人工成本，精细化生产管理等目的。一些企业已经意识到这些问题，并正在逐步加大在线分析仪器的投资比例[1]。

近年来，随着全民环保意识的增强，以及相关主管部门对污染控制、减排和环境保护工作的高度重视和大力推进，在线分析仪器在烟气排放连续监测（CEMS）和挥发性有机物（VOCs）排放控制中的应用逐年增加，使其具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力[1]。

中国2022 年修订的《大气污染防治法》规定：“重点排污单位应当安装大气污染排放自动监测设备，与环境保护主管部门的监控设备联网，并保证监测设备正常运行”[1]。一些国外在线分析知名品牌和国内在线分析龙头企业纷纷开始涉入环保领域，一个在线分析的新时代即将开启。

1 前级降温预处理装置

1.1 设计必要性

如果说分析仪器是在线分析行业的核心，那么预处理装置就是在线分析行业的灵魂。样气处理系统通过降温、减压、过滤和干燥，确保分析仪器能够在最短的滞后时间内，获得最具代表性的工艺样品。分析仪器能否测量准确，甚至能否正常使用，全看预处理装置设计的合理性与可靠性。其中，降温装置的设计又成为重中之重。

根据样品气的温度和湿度的不同，有些高温工段的样品气一次降温即可，而有些超高温工段的样品气需要经过多次降温，甚至在取样探头处就要对其降温处理。而老式探头都不带有降温功能，所有降温的功能全部在后级预处理中实现，所以导致降温效果总是不理想。

对此，设计了水冷探头（水冷器）、风冷探头及风冷箱等，对高温样品气进行前级冷却的装置。

1.2 设计背景

本文是以江西九江心连心化肥60t/52t/40t 项目气化炉渣水出口和河南晋煤天庆煤化工合成氨装置气体在线分析设计预处理中所用到的前级冷却装置为例。以下具体介绍其设计内容。

2 风冷系统冷却装置设计

2.1 风冷降温系统

风冷降温系统是通过涡旋制冷管对样品气进行风冷降温的前级冷却装置。取样探头增加了对样品气进行降温的功能。由压缩空气作为驱动气，带动涡旋制冷管工作，对探头内腔进行风冷降温。

2.2 涡旋制冷管工作原理

涡旋制冷管是风冷探头和风冷箱制冷的关键，其为风冷探头提供吹扫冷风。

其工作原理为：常温压缩空气经喷嘴延切线方向喷入涡旋制冷管，由于切向喷嘴的作用[1]，在涡旋管中形成沿圆周方向以音速旋转前进的高速气流，顺涡旋管向右运动。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左运动，由冷端出口排出[1]。涡旋管工作原理如图1。

图1 涡旋管工作原理图Fig.1 The working principle of the vortex tube

涡旋制冷管的结构图如图2，是根据涡旋管的工作原理和参考美国EI 产品结构设计加工的。耗气量约为：50L/min ～100L/min；冷气温度能达到-5℃～0℃左右，热空气温度约100℃左右，且制冷效果好，噪声小，成本低，与美国EI 产品冷却效果相近，可根据不同场合选择使用。图3 为两种涡旋制冷管的实物对比图。

图2 涡旋管结构图Fig.2 Structural diagram of the vortex tube

图3 涡旋管实物对比图Fig.3 Comparison of the actual vortex tube

2.3 风冷探头设计

风冷探头是一级冷却装置，安装在取样管道闸阀之后，其前端可选配粗过滤器，对高温样品气进行前级冷却。其主体结构是不锈钢套管，内套焊接空翅片用于散热。法兰标配并带配对，也可以根据用户决定，整体焊接耐压＞2MPa，由涡旋制冷管提供冷风。

外管尺寸：整体φ60×5mm 不锈钢管材，材质：316 ss 不锈钢；内管尺寸：整体φ40×6mm 不锈钢管焊接，材质：316ss 不锈钢，并焊接空翅片。样品气出气管为：φ14×2mm 316ss 不锈钢抛光管。上部安装双金属温度计（量程：0℃～200℃），可对探头内温度进行直接观测。侧面安装涡旋制冷管，由现场压缩空气驱动，对探头内吹冷风，为内管的样品气进行降温。风冷探头结构如图4。

图4 风冷探头结构图Fig.4 Structure diagram of air-cooled probe

由于探头内腔空间大，并配有散热片，其冷却效果很好。经测试，现场350℃样品气经风冷探头后，可降至100℃以下，即使流速较大的样品气也能保证降温至150℃以下。

风冷探头适用条件：①温度：100℃～500℃；②压力：0MPa ～5MPa；③水含量：0%～25%；④样品气流量＜1000ml/min；⑤粉尘含量＜500mg/m3～1500mg/m3；⑥压缩空气：0.4MPa ～0.7MPa。风探头实物如图5。

图5 风冷探头实物图Fig.5 Physical map of the air-cooled probe

2.4 风冷箱设计

风冷箱是二级冷却装置，安装在风冷探头之后，进一步对样品气降温。其主体结构是不锈钢箱体，内置1 ～2组冷却盘管，可对1 ～2 路样品气进行冷却降温。

箱体尺寸：240×210×210（mm），材质：304ss 不锈钢。保温层厚度20mm，材质：防阻燃泡沫（内贴锡纸）。冷却盘管尺寸：φ100mm×9 圈，管径φ6×1mm，材质：316ss 不锈钢（内外抛光）。

此装置可室外放置。正面带门，门上安装双金属温度计（量程：0℃～100℃），可对箱内温度进行直接观测。箱体右侧安装涡旋制冷管，由现场压缩空气驱动，对箱内吹冷风，为盘管内的样品气进行降温。

经现场测试，涡旋制冷管通入0.6MPa 压缩空气5min 后，箱内温度降到5℃左右（环境温度约25℃），并稳定。入口通入120℃、流量500ml/min 的样品气，出口样品气温度可降为常温状态（30℃～40℃）。图6 为风冷箱结构示意图，图7 为安装完毕的风冷箱实物图。

图6 风冷箱结构图Fig.6 Structure diagram of air-cooled box

图7 风冷箱实物图Fig.7 Physical map of the air-cooled box

2.5 风冷探头整体安装设计

风冷探头与风冷箱配合使用，完成对高温样品气的前级降温处理，随后进入后级预处理系统。现场配置空气过滤控制阀及样品气根部阀，安装方式需竖直安装。这样可以将样品气中的杂质或冷凝水倒回工艺管道，防止长时间堵塞探头。使用时注意温度计的指示，必要时使用空气调节阀控制制冷量。图8 为整体安装示意图。

图8 整体安装示意图Fig.8 Schematic diagram of the overall installation

现场需要提供压缩空气，安装方便，使用成本低。由于冷气的比热容有限，所以此套系统适用于在样品气较高温状态的降温使用。当样品气为温度＞500℃或含水量＞25%（甚至饱和蒸汽）的高温场合时，则不推荐使用。

3 水冷系统冷却装置设计

3.1 水冷降温系统

水冷降温系统是通过冷却循环水对样品气进行水冷降温的前级冷却装置，取样探头增加了对样品气进行降温的功能。由现场提供冷却水，对探头内腔进行循环水冷降温。

3.2 水冷探头设计

水冷探头是一级冷却装置，安装在取样管道闸阀之后，其前端可选配粗过滤器，先对高温样品气进行前级冷却。

其主体结构是不锈钢套管，内套为φ14×2mm 316 ss 不锈钢抛光管。法兰标配并带配对，也可以根据用户决定。整体焊接耐压＞2MPa，由冷却循环水为样品气降温。

外管尺寸：整体φ60×5mm 不锈钢管材，材质：316ss不锈钢；样品气出气管为：φ14×2mm 316ss 不锈钢抛光管。上部安装双金属温度计（量程：0℃～200℃），可对探头内温度进行直接观测，侧面焊接进回水管。图9 为水冷探头结构图。

图9 水冷探头结构图Fig.9 Structure diagram of water-cooled probe

由于探头使用水冷，冷却循环水要求为一次水（温度不超过14℃），并且水的比热容很大。当循环水流量很大时，其冷却效果非常好。

进回水管根部常设有调节阀，用于控制水量。循环水压力控制在0.2MPa ～1MPa 之间，冷却后水温控制在50℃左右。如果表指示温度过高时，则开大调节阀。

经现场测试，现场500℃以上的样品气经水冷探头后，可降至200℃以下，并且适用于湿度较大的样品气。

水冷探头适用条件：①温度：100℃～800℃；②压力：0MPa ～5MPa；③水含量：0%～60%；④样品气流量＜1000ml/min；⑤粉尘含量＜500mg/m3～1500mg/m3；⑥循环水温：＜14℃。图10 为水冷探头实物图。

图10 水冷探头实物图Fig.10 Physical map of water-cooled probe

此探头适用温度广，冷却效果好，在很多现场均有使用。例如：河南心连心化肥合成氨项目、宁夏长城能源乙炔电石炉项目、山东联盟化工气化渣水项目等均在使用，并且效果非常好。

3.3 水冷探头整体安装设计

水冷探头同样与风冷箱配合使用，完成对高温或超高温样品气的前级降温处理，随后进入后级预处理系统。现场配设进回水控制阀及样品气根部阀，安装方式需竖直安装。这样可以将样品气中的杂质或冷凝水倒回工艺管道，防止长时间堵塞探头。使用时注意温度表的指示，必要时调节冷却水阀控制制冷量。图11 为整体安装示意图。

图11 整体安装示意图Fig.11 Schematic diagram of the overall installation

现场需要提供冷却循环水。由于水的比热容很大，并且流动速度快，所以冷却能力比风冷探头强。因此，此套系统适用于样品气温度很高或具有一定湿度状态的降温使用，更适用于水资源比较缺乏的地区，如甘肃、青海及新疆等。

3.4 水冷器设计

水冷器是一级冷却装置，安装在取样管道闸阀之后，专门用于低（中）压饱和蒸汽或者样品气含水量极高的前级冷却装置。由于水含量高必然会产生冷凝液，所以此装置本身具有排液功能。

其主体结构是不锈钢套管，内套为φ14×2mm 316 ss 不锈钢盘管，配有样品气控制阀和排液阀，整体焊接耐压＞2MPa，由冷却循环水为样品气降温。

外 罐 尺 寸：整 体φ220×8mm 不 锈 钢 管 材， 材质：316ss 不锈钢；顶部有端盖，以法兰形式连接，硅胶垫密封，耐压2MPa，不渗漏。样品气管为：φ14×2mm 316ss 不锈钢盘管；冷却盘管尺寸：φ150mm×16 圈，长度≈8m。侧面焊接进回水管，底部带安装底座，由地脚螺栓固定。图12 为水冷器结构图。

图12 水冷器结构图Fig.12 Structure diagram of water cooler

水冷器同样使用的是水冷，但是由于水冷器的容积比水冷探头更大，并使用φ14mm 盘管冷却。当循环水流量很大时，其冷却效果更好，冷却能力更强。

进回水管根部常设有调节阀，用于控制水量。循环水压力控制在0.2MPa ～1MPa 之间。冷却后，水温控制在＜30℃，使用时冷却循环水调节阀开启到最大。

经现场测试，现场800℃左右的饱和水蒸汽经水冷器后，可降至250℃以下。

水冷器适用条件：①温度：100℃～1000℃；②压力：正压＜5MPa；③水含量：＞60%～饱和水蒸汽；④样品流量＜1000ml/min；⑤粉尘含量＜500mg/m3；⑥循环水温＜14℃。图13 为水冷器实物图。

图13 水冷器实物图Fig.13 Physical map of water cooler

水冷器冷却速度快，适用条件广，但冷却水消耗量比水冷探头大。大多用在给饱和蒸汽或高温高湿的样品气降温使用，样气滞后时间比其他冷却探头长。

3.5 水冷器整体安装设计

水冷器同样与风冷箱配合使用，完成对高温高湿或者饱和蒸汽样品气的前级降温处理，随后进入后级预处理系统。安装方式为竖直安装，使用时冷却循环水调节阀开启到最大，注意罐体的温度不宜过高。如后级预处理配置抽气泵，则会从排液阀抽入空气，影响分析仪测量，所以本套系统只适用于样品气为正压的场合。图14 为整体安装示意图。

图14 整体安装示意图Fig.14 Schematic diagram of overall installation

现场同样需要提供冷却循环水，同时并加装取样探头，样品气压力条件必须为正压。由于此装置具有排液功能，样品气中的冷凝液由排液阀排入储水罐或排水沟。同样，适用于水资源比较缺乏的地区，如甘肃、青海及新疆等。

4 结论

综上所述，一套系统想要用好，必须在拥有高品质分析仪器的同时，还要设计出合理的预处理系统及高效的预处理部件。根据不同的工艺气特点，设计出最合适的预处理方案，尽可能地优化改造老产品，设计创新出新产品，使得其更加适应各种复杂环境[3]。

本文对在线分析样品气前级（探头及现场部分）冷却方案设计进行介绍，包括空冷及水冷系统的各种样品气前级冷却装置，有效地解决了高温样品气难以降温处理的问题，使得系统更加合理，更加完善。在保证仪器正常使用的同时，延长了仪器的使用寿命，节省了维护时间，降低了维护成本，增加了企业效益。