煙氣預(yù)處理裝置在二氧化硫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

朱澤軍，李紅亮，吉軍凱，李 斐，湯力同

（河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，鄭州 450004）

二氧化硫是一種無(wú)色且伴有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體，會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重影響。大氣中二氧化硫來(lái)源較為分散，其主要來(lái)源于燃煤電廠和化工企業(yè)[1]。面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，國(guó)家相繼出臺(tái)一系列政策和法規(guī)，其中規(guī)定：在2020年前將全面實(shí)施燃煤機(jī)組超低排放改造，現(xiàn)役機(jī)組二氧化硫排放不得超過(guò)35 mg/m3[2]。

伴隨大氣污染物防治工作穩(wěn)步推進(jìn)和污染排放限值越來(lái)越低，為了滿足監(jiān)測(cè)精度需要，測(cè)試方法也不斷地推陳出新。在諸多二氧化硫監(jiān)測(cè)方法中，比較常用有比色法、火焰光度法以及吸收光譜法。比色法和火焰光度法屬于化學(xué)測(cè)量方法，吸收光譜法屬于物理測(cè)量方法[3]。雖然化學(xué)測(cè)量方法測(cè)得結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是其設(shè)備比較復(fù)雜，操作煩瑣?，F(xiàn)廣泛采用紅外氣體分析儀，其原理是利用二氧化硫?qū)t外區(qū)的特征波長(zhǎng)紅外線具有選擇性吸收特性且吸收率與二氧化硫濃度緊密相關(guān)，雖然這種方法具有操作簡(jiǎn)單、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但煙氣中其他氣體組分對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾較大[4]。

實(shí)踐測(cè)量發(fā)現(xiàn)，煙氣中水蒸氣對(duì)二氧化硫監(jiān)測(cè)干擾最為嚴(yán)重。高濕煙氣流經(jīng)采樣管，煙氣溫度降低，煙氣中含有的水蒸氣將發(fā)生冷凝，成為水滴并附著于取樣管壁面上，而二氧化硫具有易溶于水的特性[5]。為了保證二氧化硫測(cè)定的準(zhǔn)確性，通常做法是在煙氣分析前加裝具有除濕功能的煙氣預(yù)處理裝置?！豆潭ㄎ廴驹磸U氣二氧化硫的測(cè)定 非分散紅外吸收法》（HJ 629-2011）和《固定污染源排氣中光氣的測(cè)定 苯胺紫外分光光度法》（HJ／T46-1999）均對(duì)煙氣預(yù)處理器的除濕性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)范，即煙氣除濕裝置應(yīng)使除濕后氣體中被測(cè)二氧化硫的損失不超過(guò)5%，但上述規(guī)定尚未給出詳細(xì)的測(cè)量方法[6-7]。本研究主要是在滿足現(xiàn)有二氧化硫監(jiān)測(cè)規(guī)范的前提下，提出合理的煙氣預(yù)處理方案，這對(duì)于二氧化硫測(cè)量方法的制定具有重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法及裝置

試驗(yàn)均按照國(guó)家固定污染源二氧化硫測(cè)定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行[6-7]。在測(cè)量準(zhǔn)備階段，筆者通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體樣本對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。測(cè)量設(shè)備選用的是德國(guó)RBR 公司生產(chǎn)的Ecom-J2KN Pro IN 型煙氣分析儀，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 Ecom-J2 KN Pro IN 型煙氣分析儀技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象及方案

測(cè)試對(duì)象為燃煤發(fā)電廠煙氣石灰-石膏濕法脫硫（WFGD）出口處。為了使試驗(yàn)具有對(duì)比性，在同一煙道取樣口位置上分別插入兩支相同規(guī)格、相同類型的取樣槍。其中，1 支取樣槍具有煙氣加熱后處理裝置，而另1 支取樣槍并未加裝煙氣預(yù)處理裝置，直接將抽取到煙氣通入煙氣分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試裝置系統(tǒng)和測(cè)試方案及安排分別如圖1、表2所示。試驗(yàn)以在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別比較不同取樣方法對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖1 二氧化硫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

表2 二氧化硫監(jiān)測(cè)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 方案1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 方案1 不同采樣裝置測(cè)得的SO2 濃度值

圖3 方案1 不同采樣裝置測(cè)得的SO2 濃度相對(duì)誤差

方案1 中，A、B 采樣槍所測(cè)得SO2濃度值以及測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差如圖2、圖3所示。從圖2可以看出，B 采樣槍所測(cè)結(jié)果僅略低于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此煙氣加熱到160 ℃，然后運(yùn)用帕爾貼+濃磷酸的方法可以使得測(cè)量更加準(zhǔn)確。從圖3可以看出，加熱煙氣+帕爾貼+濃磷酸方法所測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差明顯減小，其均值僅為8%。這主要是因?yàn)榕翣柼鋮s器能夠?qū)⒛Y(jié)水排除，很好地實(shí)現(xiàn)氣水分離。利用濃磷酸難揮發(fā)和吸水的特性，其不僅可以吸收煙氣中的水分，也可以促進(jìn)生成物亞硫酸的分解，具體化學(xué)反應(yīng)如式（1）、式（2）所示：綜上，加熱煙氣+帕爾貼+濃磷酸的測(cè)試方法，可以有效地提升二氧化硫監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2 方案2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

方案2 中A、B 采樣槍所測(cè)得SO2濃度值以及測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，加裝納分管（膜式除濕器）測(cè)量數(shù)據(jù)與在線測(cè)量所獲得數(shù)據(jù)幾乎吻合。根據(jù)圖5，加裝納分管后測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差值較小。煙氣中水蒸氣可與納分管中滲透膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得水蒸氣無(wú)法順利通過(guò)滲透膜，實(shí)現(xiàn)持續(xù)干燥煙氣和提升二氧化硫監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的目的。

圖4 方案2 不同采樣裝置測(cè)得的SO2 濃度值

圖5 方案2 不同采樣裝置測(cè)得的SO2 濃度相對(duì)誤差

2.3 方案3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6 方案3 不同采樣裝置測(cè)得的SO2 濃度值

圖7 方案3 不同采樣裝置測(cè)得的SO2 濃度相對(duì)誤差

方案3 中A、B 采樣槍所測(cè)得的SO2濃度值以及測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差如圖6、圖7所示。從圖6可以看出，僅使用帕爾貼與使用帕爾帖+濃H3PO4對(duì)煙氣干燥處理相比，測(cè)得二氧化硫值偏低。根據(jù)圖7，僅加裝帕爾貼作為煙氣預(yù)處理裝置，所獲得測(cè)量結(jié)果相對(duì)較大。通過(guò)計(jì)算相對(duì)誤差平均值可知，A 采樣槍所測(cè)得數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均值為12.71%，而B(niǎo) 采樣槍所測(cè)得數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均值為5.94%。煙氣預(yù)處理裝置中加裝帕爾帖必須同濃H3PO4配合使用，才能達(dá)到良好的測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.4 方案4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8 方案4 不同采樣裝置所測(cè)得SO2 濃度值

圖9 方案4 不同采樣裝置測(cè)得的SO2 濃度相對(duì)誤差

方案4 中，A、B 采樣槍所測(cè)得SO2濃度值以及測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差如圖8、圖9所示。從圖8可以看出，加裝納分管二氧化硫監(jiān)測(cè)值與在線監(jiān)測(cè)值兩者很好地重合。僅使用帕爾貼測(cè)量偏差過(guò)大，其原因不再贅述。根據(jù)圖8，僅加裝納分管所得到結(jié)果相對(duì)誤差均低于10%，計(jì)算表明，其相對(duì)誤差均值僅為5.95%，這表明僅加裝納分管的方法就可以保證在高濕條件下實(shí)現(xiàn)二氧化硫的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)論

在高濕度的環(huán)境條件下對(duì)低濃度二氧化硫進(jìn)行測(cè)定，煙溫降低煙氣中水蒸氣凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致二氧化硫測(cè)量值偏低，相對(duì)誤差過(guò)大，因此直接測(cè)定煙氣中二氧化硫的方法不能滿足測(cè)量準(zhǔn)確性的需要。使用高溫加熱+帕爾貼+磷酸脫水除濕或納分管脫水除濕，可顯著減小二氧化硫溶水性損失，相對(duì)誤差平均值均低于10%，其可以作為在高濕環(huán)境條件下二氧化硫的監(jiān)測(cè)方法。帕爾貼+磷酸或納分管除濕脫水的效果要明顯優(yōu)于僅使用帕爾冷凝脫水，其結(jié)果測(cè)量相對(duì)誤差過(guò)大，為了滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的需要，帕爾貼必須同濃磷酸配合使用。