脫硫飽和煙氣凝水對冷干直抽法SO2測量的影響

李婷彥

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097）

吸收塔出口氣態(tài)污染物SO2作為脫硫效果評價的重要參數(shù)，其測量的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性對整個脫硫系統(tǒng)節(jié)能降耗運(yùn)行意義重大。測量參數(shù)的穩(wěn)定性將直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，以及運(yùn)行人員的運(yùn)行方式。由于脫硫系統(tǒng)執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)后，環(huán)保參數(shù)排放限值要求較低（SO2＜35mg/Nm3),且吸收塔出口煙氣具有高濕低濃度的特點(diǎn)，因而對塔出口SO2測量提出了更高的要求。

1 冷干直抽法測量原理

目前吸收塔出口CEMS 主要采用冷干直抽法或稀釋法的取樣方式，將樣品氣采集送至氣體分析儀內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對SO2參數(shù)的檢測。其中稀釋法，是使用無污染的潔凈干燥氣以一定比例稀釋樣氣，使混合樣氣露點(diǎn)降低至環(huán)境溫度以下，從而無需除水即可進(jìn)行測量的一種抽取檢測方法。該測量方式在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)定性較好，但投資成本較高。

圖1 直接抽取+冷干法測量原理圖Fig.1 Direct extraction + cold dry measurement schematic

基于直接抽取+冷干法煙氣預(yù)處理的CEMS 系統(tǒng)，在實(shí)際脫硫項(xiàng)目中則應(yīng)用較為廣泛，該測量方式原理圖如圖1 所示。

樣氣由取樣泵從煙道中抽出，經(jīng)過高溫伴熱管線，被送至CEMS 機(jī)柜內(nèi)的預(yù)處理單元內(nèi)，經(jīng)過冷凝、除水、過濾后送至氣體分析儀中分析。該測量方式投資費(fèi)用較低，但脫硫執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)后，SO2含量大幅度降低，通常小于35mg/Nm3，使得該測量方式在實(shí)際脫硫項(xiàng)目中暴露出了較多問題。

2 冷干直抽法測量在實(shí)際應(yīng)用中的問題

圖2 為某電廠SO2參數(shù)瞬時跳變的曲線圖，圖中紅色曲線為出口SO2濃度值，綠色曲線為出口煙氣濕度。該項(xiàng)目脫硫出口CEMS 安裝在煙囪內(nèi)筒107.00m 取樣平臺處，測點(diǎn)安裝位置完全滿足HJ75 標(biāo)準(zhǔn)中對CEMS 測點(diǎn)前、后直管段的相關(guān)要求，煙氣流場穩(wěn)定性、測量成份分布均勻性較好，但在實(shí)際運(yùn)行中的一段時期內(nèi)，仍捕捉到了關(guān)鍵參數(shù)規(guī)律性跳變的曲線，如圖2 所示。由圖2 可見，SO2濃度在1h 內(nèi)出現(xiàn)了兩個峰值跳變，并且在這兩個明顯峰值出現(xiàn)前，濕度均先出現(xiàn)一個小的峰值波動，此現(xiàn)象非常具有代表性，并在運(yùn)行中多次規(guī)律出現(xiàn)。

圖3 為某電廠SO2測量問題曲線圖，該曲線主要存在兩個問題：一是穩(wěn)定性差，跳變頻繁；二是準(zhǔn)確性差，波動較大。該項(xiàng)目SO2取樣點(diǎn)在吸收塔出口混合煙道處，煙道條件復(fù)雜，煙氣流場紊亂；另外分析儀量程偏大，儀表誤差范圍較大，造成測量準(zhǔn)確性差；同時非常重要的一個因素是該項(xiàng)目煙氣濕度較大，對SO2測量產(chǎn)生了較大影響。

圖2 某電廠SO2參數(shù)瞬時跳變曲線圖Fig.2 Instantaneous jump curve of SO2 parameters in a power plant

除上述SO2測量跳變的實(shí)例外，現(xiàn)場SO2測量值失真的問題也較普遍，很多現(xiàn)場SO2排放值甚至低于10mg/Nm3。

圖3 某電廠SO2測量問題曲線圖Fig.3 Schematic diagram of SO2 measurement problem in a power plant

3 濕度對SO2測量影響的分析

上述兩個電廠SO2問題曲線的產(chǎn)生，均與飽和煙氣凝水造成SO2被吸收的原因密不可分。在冷干法直抽測量過程中，伴熱管線伴熱不佳造成的管線內(nèi)被測介質(zhì)凝水以及預(yù)處理系統(tǒng)中冷凝器凝水，都是SO2測量參數(shù)異常的主要問題環(huán)節(jié)。

取樣管線局部保溫伴熱存在問題，造成飽和煙氣冷凝。煙氣中的SO2被水吸收，凝結(jié)聚集的水滴滴落到高溫伴熱管線壁，被加熱蒸發(fā)，亞硫酸逆反應(yīng)分解成SO2和H2O，分解產(chǎn)生的SO2與煙氣SO2含量疊加，造成瞬間SO2數(shù)據(jù)異常高峰的現(xiàn)象。由此可見，濕度對冷干法完全抽取測量技術(shù)具有不容忽視的影響。

圖4 為在不同溫度下，100ml 水對SO2的吸收情況。由圖可看出，溫度越低，SO2越易溶于水。冷干法預(yù)處理系統(tǒng)中冷凝器的冷腔溫度通常設(shè)置在3℃～5℃，此溫度范圍下SO2的損失率極高，飽和煙氣凝水會吸收煙氣中的SO2，造成測量結(jié)果失真。

圖5 為濕度、SO2濃度及損失率關(guān)系曲線。由圖可知濕度越高，SO2濃度越低，其損失的比率也就越高；即在相同濕度下，SO2濃度越低，越易被水吸收。這也是超低之后，SO2數(shù)值失真的原因之一。

除對測量值的影響外，酸性冷凝水的析出也會導(dǎo)致系統(tǒng)的腐蝕，尤其是分析儀的零漂和氣室腐蝕。因此，嚴(yán)格控制飽和樣氣中水份對SO2的吸收，是實(shí)現(xiàn)精確測量SO2參數(shù)的前提，同時對測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，降低運(yùn)行維護(hù)工程量及成本具有不可忽視的作用。

圖4 SO2溶解率與溫度關(guān)系曲線[1]Fig.4 SO2 dissolution rate versus temperature curve[1]

圖5 濕度、SO2濃度及損失率關(guān)系曲線Fig.5 Humidity, SO2 concentration and loss rate curve

4 有效應(yīng)對措施

近年來各種抗冷凝、抗吸收技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如磷酸滴定冷凝預(yù)處理技術(shù)、基于納分管的前端預(yù)處理系統(tǒng)等，均在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好效果。

4.1 動態(tài)磷酸滴定技術(shù)

圖6 CEMS動態(tài)磷酸滴定預(yù)處理系統(tǒng)[2]Fig.6 CEMS Dynamic phosphoric acid titration pretreatment system[2]

針對直接抽取法，冷凝除水過程中SO2溶于水，影響測量準(zhǔn)確性的問題，可采用動態(tài)磷酸滴定技術(shù)改善。改造現(xiàn)有CEMS 煙氣預(yù)處理系統(tǒng)，在冷凝器中滴入磷酸，磷酸電離出的H+可有效抑制SO2溶解。反應(yīng)機(jī)理如下：

方程式（1）：磷酸電離出H+。

方程式（2）：磷酸電離出的H+，抑制了SO2的溶解。

磷酸滴定裝置采用5%～8%的磷酸溶液，通過可調(diào)速蠕動泵將磷酸動態(tài)滴入制冷器冷腔中，從而實(shí)現(xiàn)以上反應(yīng)，該過程可使SO2損失率得到有效抑制。系統(tǒng)如圖6 所示。

4.2 基于納分管的前端預(yù)處理系統(tǒng)

相對磷酸滴定技術(shù)，基于納分管（Nafine）技術(shù)的前端預(yù)處理系統(tǒng)，可從根本解決現(xiàn)有樣氣取樣系統(tǒng)及冷凝裝置凝水影響測量的問題，同時有效緩解SO2溶水后對設(shè)備產(chǎn)生的腐蝕。納分管結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示。

在不銹鋼、聚丙烯或橡膠管內(nèi)裝有多根Nafion 管，樣氣從管內(nèi)流過，低露點(diǎn)的凈化氣（儀用壓縮空氣）從管外流過，煙氣中水分子穿過Nafion 管半透膜被凈化氣帶走，從而達(dá)到機(jī)械除濕的效果。納分管的干燥原理不同于多微孔材料的滲透管，其本身是無孔的，利用的是管材中嵌入的具有親水性的離子基，以及被測介質(zhì)流經(jīng)納分管時納分管中水蒸氣的分壓（不是被測介質(zhì)的總壓），完成一個親水離子基向另一個離子基傳遞滲透直至管壁外，進(jìn)而被干燥凈化氣帶走的過程[3]。

圖7 納分管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the sub-pipe structure

該前端預(yù)處理裝置安裝在CEMS 取樣探頭后，取樣平臺處屬于近煙道安裝。在煙氣抽出后及時進(jìn)行氣態(tài)除濕且無冷凝水析出，可有效保留煙氣中的SO2氣體不被溶解，同時可有效避免因取樣管線保溫異常、冷凝器冷凝除水等環(huán)節(jié)引起的SO2溶于水的問題，最大程度地保證了SO2測量值的準(zhǔn)確性，降低凝水導(dǎo)致的測量參數(shù)跳變、失真問題。

上述兩種技術(shù)，均可在不改變現(xiàn)有CEMS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，在一定程度上緩解濕度對SO2測量造成的影響，改造較易實(shí)施。因此，適用所有改造及新建CEMS。

5 結(jié)束語

濕度對SO2測量的影響顯而易見，各地環(huán)保部門也給予了越來越多的重視。山西省環(huán)境保護(hù)廳曾于2015 年4 月7 日，發(fā)布晉環(huán)函[2015]339 號文，文件明確規(guī)定：“……若采用紅外法檢測，其采樣管和制冷劑對二氧化硫的損失不能超過8%……”；內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境保護(hù)廳，內(nèi)環(huán)測字[2016]33 號文《關(guān)于燃煤電廠超低排放改造自動監(jiān)測設(shè)備驗(yàn)收補(bǔ)充事宜的函》中，明確要求“濃度CEMS 預(yù)處理系統(tǒng)，必須采用較先進(jìn)的預(yù)處理技術(shù)，如絮凝過濾器+氣體干燥器預(yù)處理技術(shù)，反滲透膜+納米管預(yù)處理技術(shù)等?！毕冗M(jìn)的除水、抗吸收技術(shù)必將在項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中取得理想效果。