Nafion除濕技術(shù)在“超低排放”CEMS中的應(yīng)用

謝志勇

（大唐長春第二熱電有限責任公司）

摘 要：燃煤電廠在大力推廣“超低排放”的同時，對CEMS氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)中低量程SO2和NOX在低溫、高濕度煙氣條件下的監(jiān)測提出了極為苛刻的要求。如何整改或升級現(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)濟和社會效益。Nafion干燥管憑借其獨特的氣態(tài)膜除濕、保留目標氣態(tài)的特點，為冷干直抽法CEMS拓寬了一條原位預處理的路徑。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準》（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)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》的通知（發(fā)改能源〔2014〕2093號），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)電機組大氣污染物排放濃度基本達到或接近達到燃氣輪機機組排放限值（即在基準氧含量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”限值的實施，對環(huán)保設(shè)施穩(wěn)定運行的要求越來越高，大量的工程應(yīng)用以及實驗室反復測試表明，超低排放改造后，如果不能在煙氣進入氮氧化物、二氧化硫的測量儀表前除去煙氣中的水分，將嚴重影響CEMS系統(tǒng)測量的準確性、真實性和穩(wěn)定性。

針對上述情況，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測量的干擾，保證了儀器準確性、真實性和穩(wěn)定性。

2 超低排放改造后冷干直抽法CEMS對預處理技術(shù)的挑戰(zhàn)

脫硫系統(tǒng)由于涉及建設(shè)周期、建設(shè)成本和運行成本，目前中國幾乎所有的脫硫系統(tǒng)都沒有通過GGH進行脫水。為了達到“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。對于在這種工況下分析SO2來說顯得非常的困難，水分容易對測量SO2的分析儀產(chǎn)生干擾，在對樣氣進行冷凝除水時很難做到把水分完全脫離干凈，這樣就會殘余一部分的水分，容易產(chǎn)生極大的測量誤差。如果在氣體除水測量之前沒有處理好，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，煙氣中含水會對SO2的測量產(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，煙氣中的水汽會對低量程紅外分析儀的檢測精度造成很大影響，必須盡量除去煙氣中的水汽，否則還會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，是一個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)除濕的方式不會有冷凝水析出，真實保留煙氣中的SO2、NOX 和O2組分含量，確保分析的準確度。

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)水的遷移以其對磺酸基的化學親和力為基礎(chǔ)，與氣體分子的大小無關(guān)。磺酸基具有很高的親水性，Nafion管壁吸收的水份，會從一個磺酸基向另一個磺酸基傳遞，直到最終到達另外一側(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管照樣能對樣氣進行干燥。只要管內(nèi)外濕度差存在，水蒸氣的遷移就始終進行，因此需要干燥、潔凈、連續(xù)的反吹氣（空氣或氮氣）在Nafion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干燥管沒有機械運動部件，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。在實驗室用濕熱發(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分光計檢測，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)除濕并保持待測煙氣組分不流失優(yōu)點的獨特技術(shù)[3]。

Nafion的其它諸多優(yōu)點，如反應(yīng)快速（<0.1秒）、耐溫、耐壓、選擇性好、過程簡單、體積小巧，沒有可拆分的零部件，一般無需維護以及無能耗等。以上突出優(yōu)點和特性是對各種傳統(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：一是必須使用露點很低的潔凈儀表空氣或氮氣；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)會導致 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，因為氨氣會導致 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管的運行溫度，保證其高于煙氣露點溫度，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)點和局限性，對于冷干直抽法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)在線露點監(jiān)測等技術(shù)有機的融合起來，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)計了兩個溫度區(qū)域，第一區(qū)域為高溫控制區(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隨著溫度的突然降低而液化析出，經(jīng)伴熱管線來的高溫煙氣在該區(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。過濾后的煙氣進入Nafion管進行除水，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，進而影響Nafion管的除水效率。除水后的煙氣進入到常溫區(qū)內(nèi)進行進一步的除水、降溫。

GZ-C3型反滲透干燥器在常溫區(qū)內(nèi)還設(shè)置了一個小型無熱干燥器，壓縮空氣經(jīng)過干燥器進一步除濕后用于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)置對二氧化硫測量的影響，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)運行3小時；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)再運行3小時。通過前后各3小時的二氧化硫測量曲線對比可以看出，高溫區(qū)內(nèi)溫度設(shè)置對二氧化硫的測量存在極大影響，前3個小時的二氧化硫測量數(shù)值波動較大，后3個小時的二氧化硫測量數(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溶入冷凝水而導致的損失問題，同時也徹底根除了因SO2溶入冷凝水導致的CEMS 測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，可完全滿足“超低排放”低溫、高濕、低量程SO2對CEMS中氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

參考文獻

[1]汪淑華，郇延富，等 .Nafion干燥器的去溶機理和日常維護[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[M].北京：化學工業(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：化學工業(yè)出版社，2004：78-80.