样气预处理系统实际案例分析优化

气体取样探头是样品预处理系统的关键部件，图6-3-13为ABB公司PP1170探头[25]，该探头的过滤器为双层复合式结构的气体取样探头。取样探头单元包括：取样探头杆（1000mm）、探头加热器、高精度双层复合式探头过滤器、安装法兰、探头主体、探头防护箱等部件。该探头目前为采用最先进技术产品之一。过滤精度可达到（%单位）：3μ m/99.99%或0.5μm/99.8%或0.3μm/99.6%；过滤能力　≤2000g/Nm3；适应温度　≤750℃；采用固定式法兰安装；开孔尺寸为在工艺管道上开一¢65的孔；IP65级防护；并提供内、外脉冲式振动吹扫；基本免维护。

图6-3-13　PP1170探头

目前用于高粉尘、高湿度、烟气中含有易结晶成分、腐蚀性成分的气体取样装置，存在易堵塞，易腐蚀，测量组分易失真的问题。特别是在垃圾焚烧尾气监测装置、电炉煤气工艺烟气测量系统中类似问题比较严重。

本小节提供一个完整的加热型前置过滤气体取样探头产品案例（专利名称：气体取样探头总成，专利授权号：201320756826.1，授权日期：2014.07.16，发明人：严实，申请人：重庆川仪分析仪器有限公司）。该专利以低成本的方式解决了焚烧炉探头堵塞和防止烟气腐蚀问题。

垃圾焚烧烟气含有较高浓度的腐蚀性气体如氟化氢、氯化氢，且含有一定量的焦油、苯萘等易凝结物，水含量也接近饱和。对于烟气连续取样分析时，探头加热保温不好，常出现酸液对探头产生腐蚀，苯萘、颗粒物堵塞探头，造成无法连续采样工作的情况，在冬季由于昼夜温差大该现象尤为明显。特别是国内垃圾不分类，垃圾焚烧后尾气成分含量变化大。常规的取样探头仅仅是在后部过滤器采用环形加热器加热，金属探杆直接插入烟道中，常常出现腐蚀、烟气冷凝造成探杆、过滤器堵塞等问题。该类探头也不易使用在粉尘含量较高、烟气中存在低温易结晶、聚合的气体取样场合。

该专利探头探头由三部分组成，一、加热型三层取样杆，二、后置过滤单元，三、加热控制电器单元。其中加热型三层取样杆结构如图6-3-14所示，由两部分组成，前端是钛合金粉末过滤器（8）后端是3个同轴钢管（1、2、3）焊接在法兰盘（4）上，钛合金粉末过滤器（8）以螺纹形式连接在内管（2）上；管（3）为不锈钢材质，中空，内部插入电加热棒。管（1）与管（2）中的夹缝中放入热电阻；法兰盘（4）焊接有8个固定螺栓（6），两个面共8个螺栓，均匀对称分布在法兰盘上；

用于固定工艺管道上的法兰盘和后置过滤单元，其结构参见图6-3-15；探针延长管（5）安装时插入后置过滤单元内部，端面采用O型圈密封，防止泄露。法兰盘（4）下方留有螺纹接口（7），电加热棒和热电偶的引线有口（7）穿出。加热控制电器单元以螺纹形式连接在法兰盘（4）上。加热型三层取样杆的长度（L1+L2）应根据实际应用选择，探杆插入工艺管道内壁超过200mm即可，但总长度不得超过1500mm。钛合金粉末过滤器长度L1应根据实际工况中颗粒物含量决定，颗粒物含量过大者可适当延长L1长度。

图6-3-14　加热型三层取样杆内部原理

后置过滤单元的法兰盘（24）与加热型三层取样杆的法兰盘以螺栓固定连接，采用橡胶垫端面密封。探针延长管（5）插入口（9）中，端面以O型圈密封。筒（21）焊接在法兰盘（24），上部为用于连接气体进出的座（19），座（19）上有吹扫孔（12）和样气出气孔（18）。吹扫孔（12）与过滤器（10）外表面相通，样气出气孔（18）与过滤内部相通。过滤器（10）用拉杆（20）连接到盖（13）上。过滤器（10）的一端与拉杆（20）用石棉密封垫密封，一端以石棉密封垫密封与座（19）密封，并通过垃圾旋紧，防止漏气。(www.xing528.com)

拉杆（20）以螺纹形式连接到盖（13）上。座（19）上固定有固定架（16），固定架中部横梁（14）上有螺纹孔，带螺纹的T型把手（15）穿入横梁（14）并与盖（13）连接，并用螺栓（17）锁紧。当顺时针旋动把手（15）时把盖（13）压在座（19）上，并压紧接缝处的O型圈用于密封。当反时针旋动把手（15）时，可将拉杆（20）及上连接的过滤器（10）拉出用于更换过滤芯（10）以及O型密封圈。

图6-3-15　后置过滤单元结构

该设计的主要优势体现在以下几个方面：

解决腐蚀问题：通常的办法是改变探杆的材质使用耐腐蚀性能较好的金属，或者做防腐蚀的表面处理。但这些做法的成本相对较高。烟气中的HF、HCL等酸性气体在气态环境下其腐蚀并不强，要解决探杆的腐蚀性，就要防止其形成酸液。要快速的除掉烟气中的水分是不现实的，最直接的办法是，提高烟气温度，防止烟气结露。本发明采用三层探杆，对烟气进行加热，保温，并监控加热温度，烟气的加热温度始终保持在烟气露点温度15℃以上。有效防止烟气突然遇冷出现凝结现象。

为了解决探头杆腐蚀的问题，也可以将探头杆的材质更换为耐腐蚀性较好的其他材料，由于探杆完全插入在烟道内部长期受到烟气冲刷，探杆必须选择能抗冲刷的材质，通常选择哈氏合金材质，哈氏合金耐腐蚀、抗冲刷、耐高温新能较强是较理想的材料，缺点是价格较贵。

解决探头堵塞问题：探头的堵塞通常原因是三个方面：一、探头过滤器长期使用后吸附了过多的粉尘造成堵塞；二、颗粒物在探杆中聚集堵塞，聚集的原因可能是由于有液态无出现，也有可能是苯萘等物质粘连在探头杆上后，吸附颗粒物在表面逐渐形成堵塞。三、烟气中易结晶或结露的物质遇冷后结晶、结露后堵塞管道。本发明解决办法是，在探杆前段加装钛合金粉末过滤器，前段过滤可以有效的过滤掉颗粒物，防止颗粒物进入探杆内部，降低探杆内部堵塞的情况。钛合金粉末过滤器一直受烟气气流的冲刷，在受冲刷的过程中，颗粒物很难再表面聚集太多，有效的保证过滤的长期使用，结合探头后部的吹扫系统，钛合金粉末过滤器可以长期使用。

探头堵塞的问题只能通过过滤器解决，只有在烟气始终保持在气态的环境下，颗粒物可以用压缩空气吹扫掉。为了保证烟气不气体结露，就必须对外部安装法兰，过滤等进行全程的保温处理，必要时需对法兰等进行外加热，但法兰几乎都是现场焊接安装，实际使用中现场做保温施工难度较大。对于固态易结晶物质来讲，只能在高温环境下将这些固态过滤掉，如果过滤器在外部就需要更好的加热保温效果及密封材料，常见的密封材料很难再较高温度下长期工作，选用特殊部件将大幅度提高硬件成本。

本设计前置的过滤器，使用时直接插入到烟道内部。在抽取样气的时候，可以先将烟气中存在的颗粒物等过滤掉。少部分未过滤的颗粒物进入下一级过滤装置再过滤。前置的钛粉末过滤器，有较好的抗腐蚀性、抗冲刷性，可适用于大量工业场合。在表面的积累的颗粒物同时受到烟气自身流速的冲刷，很难积累过多的颗粒物，保证了过滤的长期使用。

过滤器与探杆连接，探杆内置加热棒。加热棒的目的是把抽取的烟气温度及探杆加热，加热的目的是防止烟气温度变化结露或烟气中的易结晶颗粒物结晶。有效防止管道堵塞和烟气中腐蚀性成分对探头的腐蚀。

该取样探头每个部分相对独立，在使用中可以根据实际使用条件进行针对性选择使用，本设计用简单易行、成本低廉的方式解决了常规取样探头的易腐蚀，易堵塞的问题。