謝志勇

（大唐長春第二熱電有限責(zé)任公司）

摘 要：燃煤電廠在大力推廣“超低排放”的同時(shí)，對(duì)CEMS氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中低量程SO2和NOX在低溫、高濕度煙氣條件下的監(jiān)測(cè)提出了極為苛刻的要求。如何整改或升級(jí)現(xiàn)有的冷干直抽法CEMS，并使其適用于“超低排放”限值，極具經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。Nafion干燥管憑借其獨(dú)特的氣態(tài)膜除濕、保留目標(biāo)氣態(tài)的特點(diǎn)，為冷干直抽法CEMS拓寬了一條原位預(yù)處理的路徑。而以Nafion管為核心的雪迪龍GZ-C3反滲透干燥器，可徹底解決冷干直抽法CEMS中冷凝水析出和低量程SO2溶于冷凝水的問題，是一種創(chuàng)新的冷干直取法CEMS樣氣預(yù)處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：Nafion ；超低排放；CEMS；冷干直抽法

1 背景

2014年5月，國家環(huán)保部發(fā)布了《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13271-2014）；9月國家發(fā)改委、環(huán)保部以及國家能源局下發(fā)了關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020）》的通知（發(fā)改能源〔2014〕2093號(hào)），要求東部地區(qū)、中部地區(qū)、西部地區(qū)新建和在役燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到或接近達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組排放限值（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放濃度分別不高于50、35、10毫克/立方米）。

隨著“超低排放”限值的實(shí)施，對(duì)環(huán)保設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來越高，大量的工程應(yīng)用以及實(shí)驗(yàn)室反復(fù)測(cè)試表明，超低排放改造后，如果不能在煙氣進(jìn)入氮氧化物、二氧化硫的測(cè)量儀表前除去煙氣中的水分，將嚴(yán)重影響CEMS系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和穩(wěn)定性。

針對(duì)上述情況，本文介紹了通過Nafion除濕技術(shù)在 “超低排放”CEMS中的應(yīng)用，消除了氣體組分中水汽對(duì)測(cè)量的干擾，保證了儀器準(zhǔn)確性、真實(shí)性和穩(wěn)定性。

2 超低排放改造后冷干直抽法CEMS對(duì)預(yù)處理技術(shù)的挑戰(zhàn)

脫硫系統(tǒng)由于涉及建設(shè)周期、建設(shè)成本和運(yùn)行成本，目前中國幾乎所有的脫硫系統(tǒng)都沒有通過GGH進(jìn)行脫水。為了達(dá)到“超低排放”的目的，燃煤電廠普遍采用高效脫硫或濕法電除塵等環(huán)保技術(shù)，煙氣的溫度一般為45～55℃，煙氣的含濕量基本為飽和狀態(tài)，甚至存在水霧或液滴的超飽和現(xiàn)象。對(duì)于在這種工況下分析SO2來說顯得非常的困難，水分容易對(duì)測(cè)量SO2的分析儀產(chǎn)生干擾，在對(duì)樣氣進(jìn)行冷凝除水時(shí)很難做到把水分完全脫離干凈，這樣就會(huì)殘余一部分的水分，容易產(chǎn)生極大的測(cè)量誤差。如果在氣體除水測(cè)量之前沒有處理好，SO2成分很可能在除水過程中就隨著水分丟失了，這是造成測(cè)量誤差的主要原因。

燃煤電廠現(xiàn)用的CEMS，超過90%均為冷干直抽法。冷干直抽法 CEMS的分析儀普遍采用紅外吸收光譜法，煙氣中含水會(huì)對(duì)SO2的測(cè)量產(chǎn)生影響。特別是超低排放改造后，煙氣中的SO2含量低到35mg/Nm3以下時(shí)，煙氣中的水汽會(huì)對(duì)低量程紅外分析儀的檢測(cè)精度造成很大影響，必須盡量除去煙氣中的水汽，否則還會(huì)造成分析儀的氣室腐蝕。超低排放改造后，如何將現(xiàn)存的冷干直抽法CEMS，通過改造而適用于“超低排放”改造后的煙氣在線檢測(cè)，是一個(gè)非常值得研究的技術(shù)課題。

3 超低排放改造后冷干直抽法CEMS的應(yīng)對(duì)之道——Nafion干燥管除濕法。

采用Nafion干燥管，通過Nafion膜選擇性氣態(tài)除濕的方式不會(huì)有冷凝水析出，真實(shí)保留煙氣中的SO2、NOX 和O2組分含量，確保分析的準(zhǔn)確度。

Nafion是聚四氟乙烯和全氟-3，6-二環(huán)氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物。Nafion管中氣態(tài)水的遷移以其對(duì)磺酸基的化學(xué)親和力為基礎(chǔ)，與氣體分子的大小無關(guān)?；撬峄哂泻芨叩挠H水性，Nafion管壁吸收的水份，會(huì)從一個(gè)磺酸基向另一個(gè)磺酸基傳遞，直到最終到達(dá)另外一側(cè)的管壁，水份蒸發(fā)到干燥的反吹氣中被帶走，這一現(xiàn)象稱為過蒸發(fā)。

Nafion管除濕的驅(qū)動(dòng)力是管內(nèi)外的水汽壓力梯度（即濕度差），而非壓力差或溫度差。即使Nafion管內(nèi)壓力低于其周圍的壓力，Nafion管照樣能對(duì)樣氣進(jìn)行干燥。只要管內(nèi)外濕度差存在，水蒸氣的遷移就始終進(jìn)行，因此需要干燥、潔凈、連續(xù)的反吹氣（空氣或氮?dú)猓┰贜afion管的外側(cè)反吹，通常反吹氣流量為濕煙氣流速的兩倍[1]。

由于Nafion干燥管沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，氣態(tài)除濕且無冷凝水析出，所以比常見的冷凝器有許多優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室用濕熱發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生H2O15%和30%及SO2濃度分別為20μmol/mol、50μmol/mol和100μmol/mol的試驗(yàn)氣體，分別通過電熱冷卻器干燥系統(tǒng)和Nafion管干燥器后，用UV和FTIR分光計(jì)檢測(cè)，結(jié)果采用冷凝器除濕比采用Nafion管干燥器的SO2的流失率大；就算是30%的高濕度情況下，Nafion干燥管也可以有效保留SO2[2]。

和所有傳統(tǒng)的樣氣除濕處理部件相比，在連續(xù)的除濕過程中，Nafion管是唯一具有氣態(tài)除濕并保持待測(cè)煙氣組分不流失優(yōu)點(diǎn)的獨(dú)特技術(shù)[3]。

Nafion的其它諸多優(yōu)點(diǎn)，如反應(yīng)快速（<0.1秒）、耐溫、耐壓、選擇性好、過程簡(jiǎn)單、體積小巧，沒有可拆分的零部件，一般無需維護(hù)以及無能耗等。以上突出優(yōu)點(diǎn)和特性是對(duì)各種傳統(tǒng)樣氣冷凝技術(shù)的突破和超越[4，5]。

4 Nafion管在使用中的局限性

Nafion管在使用中也有局限：一是必須使用露點(diǎn)很低的潔凈儀表空氣或氮?dú)?；二是不能有大量顆粒污染物或油類聚集。通常建議Nafion管前的過濾精度<1μm，顆粒物聚集在 Nafion管表面，影響除濕效果；三是不能有液態(tài)水，否則 Nafion發(fā)生的自催化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致 Nafion管變冷，從而失去干燥功能；四是Nafion管應(yīng)避免和氨氣接觸，因?yàn)榘睔鈺?huì)導(dǎo)致 Nafion管不可逆的破壞。

為確保 Nafion管平穩(wěn)、高效除濕，樣氣和反吹氣體必須除油、除塵，并提高 Nafion管的運(yùn)行溫度，保證其高于煙氣露點(diǎn)溫度，確保無液態(tài)水析出。

5 雪迪龍GZ-C3反滲透干燥器在“超低排放”CEMS中的應(yīng)用

根據(jù) Nafion管的優(yōu)點(diǎn)和局限性，對(duì)于冷干直抽法CEMS樣氣處理技術(shù)，國內(nèi)外一些致力于CEMS研發(fā)的公司，將取樣、除塵、除油、除酸霧、Nafion管氣態(tài)除濕和酸性氣態(tài)在線露點(diǎn)監(jiān)測(cè)等技術(shù)有機(jī)的融合起來，為冷干直抽法CEMS在“超低排放”的應(yīng)用提供了一種全新的整體技術(shù)方案。

雪迪龍GZ-C3型反滲透干燥器采用Nafion管除濕技術(shù)，在箱體內(nèi)設(shè)計(jì)了兩個(gè)溫度區(qū)域，第一區(qū)域?yàn)楦邷乜刂茀^(qū)，該區(qū)域內(nèi)的控制溫度為90℃，以保證煙氣中的水份不會(huì)隨著溫度的突然降低而液化析出，經(jīng)伴熱管線來的高溫?zé)煔庠谠搮^(qū)域內(nèi)首先經(jīng)過高效過濾器，將煙氣中的大顆粒物、油氣等進(jìn)行過濾分離，分離出的雜質(zhì)被過濾器底部的射流泵抽取排出。過濾后的煙氣進(jìn)入Nafion管進(jìn)行除水，此處的Nafion管控制溫度在70℃至80℃之間，保證管壁上沒有水滴聚集，進(jìn)而影響Nafion管的除水效率。除水后的煙氣進(jìn)入到常溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的除水、降溫。

GZ-C3型反滲透干燥器在常溫區(qū)內(nèi)還設(shè)置了一個(gè)小型無熱干燥器，壓縮空氣經(jīng)過干燥器進(jìn)一步除濕后用于Nafion管的反吹，干燥的反吹氣可以保障Nafion管內(nèi)外的濕度差，提高除水效率。射流泵和壓縮器的調(diào)壓裝置配合可以調(diào)節(jié)Nafion管外反吹氣的壓力處于負(fù)壓狀態(tài)，和煙氣壓力保持平衡。

為觀察高溫區(qū)溫度設(shè)置對(duì)二氧化硫測(cè)量的影響，某廠在超低排放改造后的調(diào)試初期將高溫區(qū)內(nèi)過濾器控制溫度設(shè)置為75℃，Nafion管控制溫度設(shè)置為65℃，系統(tǒng)運(yùn)行3小時(shí)；再將過濾器控制溫度設(shè)置為90℃，Nafion管控制溫度設(shè)置為75℃，系統(tǒng)再運(yùn)行3小時(shí)。通過前后各3小時(shí)的二氧化硫測(cè)量曲線對(duì)比可以看出，高溫區(qū)內(nèi)溫度設(shè)置對(duì)二氧化硫的測(cè)量存在極大影響，前3個(gè)小時(shí)的二氧化硫測(cè)量數(shù)值波動(dòng)較大，后3個(gè)小時(shí)的二氧化硫測(cè)量數(shù)值較為平穩(wěn)，因此高溫控制區(qū)域內(nèi)的控制溫度設(shè)置為90℃較為合理。

6 結(jié)論

相比采用冷凝器勢(shì)必產(chǎn)生冷凝水的傳統(tǒng)冷干直抽法 CEMS，以 Nafion干燥管為技術(shù)核心的煙氣除濕技術(shù)，能夠徹底解決傳統(tǒng)冷干直抽法 CEMS不可避免的冷凝水析出問題，相應(yīng)也避免了因SO2溶入冷凝水而導(dǎo)致的損失問題，同時(shí)也徹底根除了因SO2溶入冷凝水導(dǎo)致的CEMS 測(cè)量儀表的酸液腐蝕問題。冷干直抽法CEMS經(jīng)過改造后能夠適用于“超低排放”改造后低濃度SO2的在線監(jiān)測(cè)，可完全滿足“超低排放”低溫、高濕、低量程SO2對(duì)CEMS中氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]汪淑華，郇延富，等 .Nafion干燥器的去溶機(jī)理和日常維護(hù)[J].分析儀器，2003，（1）：23-26.

[2]金義忠，夏黎明.在線分析樣氣除濕新技術(shù)的應(yīng)用研究[J].分析儀器，2000，（2）：65-70.

[3]金義忠，曹以剛，等 .樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展綜論[J].分析儀器，2008，（6）：46-53.

[4]王森.在線分析儀器手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：712-714.

[5]羅伯特E.謝爾曼.過程分析儀樣品處理系統(tǒng)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：78-80.