GASS預(yù)處理器在電廠CEMS系統(tǒng)中的應(yīng)用

杭建東

摘 要：燃煤電廠在大力推廣“超低排放”的同時(shí)，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。本文提出了一種通過GASS預(yù)處理器在電廠冷干直抽法CEMS中的應(yīng)用方法，解決了預(yù)處理系統(tǒng)中“除濕”的難題。

關(guān)鍵詞：GASS預(yù)處理系統(tǒng);冷干直抽法;CEMS;超低排放;Nafion干燥管

1.引言

“霧霾”是近幾年中國使用頻率非常高的詞匯，促進(jìn)了環(huán)保理念在民眾中的覺醒與普及。同時(shí)，國家對大氣污染治理日趨嚴(yán)格。眾所周知，化石燃料的燃燒是霧霾的主要來源，而占全國每年40億噸煤炭一半的燃煤電廠，則是減排的嚴(yán)控對象。

2014年9月，發(fā)改委、環(huán)保部和能源局分布了發(fā)改能源（2014）2093號文，制定了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃（2014—2020年）》，提出了燃煤機(jī)組 “超低排放”的要求和時(shí)間表。

隨著“超低排放”限值的實(shí)施，對環(huán)保設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來越高;同樣做為連續(xù)監(jiān)測煙氣排放系統(tǒng)（CEMS），其測量的準(zhǔn)確性、可靠性、真實(shí)性和穩(wěn)定性也被提到更高的層面上來。目前普遍采用的高量程的煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)難以支撐“超低排放”監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，尤其是監(jiān)測SO2和NOx的氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)。

國內(nèi)常用的CEMS氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)，按技術(shù)分類可包含稀釋抽取法、冷干直抽法及熱濕直抽法等。但是從系統(tǒng)穩(wěn)定性、成本、系統(tǒng)普及性等方面考慮，在解決低量程分析儀表的前提下，采用現(xiàn)存的冷干直抽法還是較好的選擇。典型的冷干直接抽取法取樣和預(yù)處理部分包括取樣探頭、取樣伴熱管線、過濾、除濕系統(tǒng)和取樣泵等部分，其目的是給分析儀器提供連續(xù)的潔凈、干燥、常溫樣氣，確保分析儀長期連續(xù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、低維護(hù)地協(xié)調(diào)運(yùn)行，并延長其使用壽命。冷干直抽法CEMS預(yù)處理系統(tǒng)的最重要目的就是除濕。煙氣在冷凝時(shí)會產(chǎn)生冷凝水 （一般熱電廠的水含量為 8～15%）。但如果伴熱管線加熱效果下降，有冷凝水析出;或冷凝器制冷效果不理想，樣氣中的水份沒有被分離而析出;或冷卻儀的冷凝水蠕動泵管老化，使得冷凝水不能及時(shí)排出而被樣氣攜帶進(jìn)入后續(xù)管道或儀器。如圖1所示為SO2在不同溫度下的溶解度曲線，從圖1可知，隨著溫度的降低，SO2在水中的溶解度上升，也就是說，SO2在冷凝水中的溶解度升高，損失率升高。不同濕度情況下SO2的損失率曲線如圖2所示，表明濕度越高，冷凝水析出的越多;而SO2濃度越低，損失比率也會越高。那么，可以確認(rèn)：在高濕度 （45～50℃超飽和水汽 ）、低量程SO2 （SO2<35mg/Nm3）情況下，SO2的損失率會非常高，在很多情況下都發(fā)生了測不出的現(xiàn)象。

本文介紹一種適用于冷干直抽法的預(yù)處理方式，那就是采用 Nafion干燥管，通過 Nafion膜選擇性氣態(tài)除濕的方式來徹底解決冷凝水析出的問題，同時(shí)保留煙氣中低量程的SO2、NOx和 O2，確保分析的精度和準(zhǔn)確性。

2. GASS預(yù)處理器的介紹

2.1 Nafion干燥管

Nafion是聚四氟乙烯、全氟二環(huán)氧和甲基癸烯的共聚物。Nafion管中氣態(tài)水的遷移是以其對磺酸基的化學(xué)親和力為基礎(chǔ)的，而不是基于氣體分子的大小來遷移的。由于磺酸基具有很高的親水性，所以Nafion管壁吸收的水份，會從一個(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，而水份全部蒸發(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。Nafion管在連續(xù)的除濕過程中，完全保留煙氣中的SO2、SO3、NO、NO2、HCl、HF、O2、 CO、CO2等待測氣體，即只選擇性的去除煙氣中的水份。

和所有傳統(tǒng)的樣氣除濕處理部件相比，Nafion管是唯一具有在氣態(tài)情況下去除水分而保持待測煙氣組分不流失這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)。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)和特性是對各種傳統(tǒng)樣氣冷凝技術(shù)的極大突破和超越。

為確保Nafion管平穩(wěn)、高效除濕，必須保證：對樣氣和反吹氣體進(jìn)行除油、除塵;提高Nafion管的運(yùn)行溫度，保證其高壓煙氣露點(diǎn)溫度，確保無液態(tài)水析出;采用干燥的反吹氣，連續(xù)的對 Nafion管進(jìn)行反吹，以去除煙氣中的水汽。

2.2 解決方案

結(jié)合Nafion管的優(yōu)點(diǎn)和局限性，并結(jié)合冷干直取法CEMS預(yù)處理技術(shù)，美國博純公司研發(fā)出了一種創(chuàng)新的樣氣預(yù)處理器-GASS，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)用拓寬了一條方便和經(jīng)濟(jì)之路。

外殼內(nèi)有兩個(gè)溫度控制區(qū)。在第一個(gè)溫控區(qū)內(nèi)（見標(biāo)紅的高溫區(qū)），整體區(qū)域的溫度可以控制在 90～95℃，確保煙氣在這個(gè)區(qū)域內(nèi)沒有冷凝發(fā)生。經(jīng)過一次過濾的高溫?zé)煔?（在高溫取樣探頭內(nèi)，為一次過濾器），進(jìn)入凝聚微粒過濾器 （二次過濾器），將微粒雜質(zhì)降低到 0.1?m，若含有酸霧，也能在此凝聚并自動排除。

在高溫區(qū)內(nèi)，樣氣經(jīng)過獨(dú)有的Nafion干燥器。為了更好地去除水分，干燥器被加熱至樣氣的露點(diǎn)溫度之上以防出現(xiàn)冷凝，最高控制溫度為95℃，保證在煙氣的露點(diǎn)溫度以上，無任何冷凝水析出。

在第二個(gè)溫度控制區(qū)內(nèi)（圖中的常溫區(qū) ），樣氣經(jīng)過剩余的部分干燥器，將露點(diǎn)進(jìn)一步降低，根據(jù)所選干燥器模型及樣氣流速的不同，最低可達(dá)到‐45℃（建議控制處理后煙氣露點(diǎn)為 0～‐5℃）。除此之外，還可以在此部分選擇安裝反吹氣所需的其他附件，如取樣泵或吹掃氣干燥器。該控制區(qū)在常溫下運(yùn)行，以保證這些控制器及附件不會過熱。

2.3 安裝

建議將GASS預(yù)處理器直接原位安放在煙道旁，距離取樣探頭越近越好。GASS預(yù)處理器內(nèi)有 PLC系統(tǒng)控制過濾器溫度及反吹時(shí)間，以及高溫區(qū)的背板加熱及 Nafion管在高溫區(qū)的單獨(dú)加熱。這樣，煙氣從煙道中被抽取出來后立即進(jìn)行除塵、除濕的預(yù)處理，在確保分析的完整性的同時(shí)，還可以節(jié)省昂貴的加熱管線及維護(hù)量大的冷凝器，還能節(jié)省校準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)氣。只需要提供 220V電源和 0.6～0.8MPa無油、無顆粒物的壓縮空氣即可。安裝方便簡單，維護(hù)量低。

3.現(xiàn)場應(yīng)用和結(jié)論

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用

在浙能嘉興發(fā)電廠8號機(jī)WESP（濕法電除塵）出口處的CEMS高溫探頭旁，安裝了GASS預(yù)處理器。經(jīng)西安熱工院、浙能技術(shù)研究院、國家環(huán)境監(jiān)測總站等單位對8號機(jī)煙氣抽樣監(jiān)測，得到機(jī)組在滿負(fù)荷時(shí)煙囪總排口主要煙氣污染物排放數(shù)據(jù)：煙塵 2.12mg/Nm3， SO2 17.47mg/Nm3，NOx 38.94mg/Nm3，該“超低排放”系統(tǒng)完全達(dá)到了天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組的排放標(biāo)準(zhǔn)。

從圖5可知，在27%的高濕度、低于41.9ppm（119.8mg/Nm3）SO2情況下（最低時(shí)SO2濃度為 0），經(jīng)GASS預(yù)處理器除濕后，電化學(xué)分析儀的分析結(jié)果就可以和全高溫 FTIR結(jié)果及變化趨勢完全吻合，說明GASS預(yù)處理器在除濕的過程中，基本保留了目標(biāo)監(jiān)測氣體SO2。經(jīng)GASS預(yù)處理器處理后，煙氣的露點(diǎn)溫度始終低于‐10℃（含水量約為 2，000mg/Nm3），徹底避免了冷凝水問題的發(fā)生，確保了分析儀的穩(wěn)定運(yùn)行。

GASS預(yù)處理器在嘉興發(fā)電廠使用了5個(gè)月，基本沒有額外的維護(hù)工作，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.2 結(jié)論

如果在煙道原位安裝GASS預(yù)處理器，就可以將“超低排放”煙氣中低溫、高濕度煙氣中的大部分水汽在氣態(tài)下可去除，處理后煙氣的露點(diǎn)可確保在 0℃（4，518mg/Nm3）以下。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干燥管為核心，融合Baldwin其它輔助技術(shù)的GASS預(yù)處理器，則能夠在只提供220V電源和0.6～0.8MPa壓縮空氣的條件下，在煙道取樣處原位處理CEMS煙氣，處理后的煙氣可保證顆粒物<0.1um，且露點(diǎn)低于 0℃，可徹底解決冷凝法冷干直抽法CEMS不可避免的冷凝水析出問題，相應(yīng)的也避免了因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、生成酸水而導(dǎo)致的CEMS酸液腐蝕問題。

參考文獻(xiàn)

[1]楊凱，周剛，王強(qiáng)等，煙塵煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]，中國環(huán)境監(jiān)測，26（5）：18‐26，2010.

[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，2：65‐70，2010.

[3]陳瑩，章曙，劉德允，冷‐干直接抽取法CEMS冷凝器的選型[J]，中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，5：48‐7051，2010.

[4]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，1：23‐26，2003.

[5]李大鵬，CEMS設(shè)備在“近零排放”下的選型分析[J]，中國電機(jī)工程學(xué)會環(huán)境保護(hù)專業(yè)委員會年會論文集：107‐110，2014.

[6]石愛軍，馬俊文等，低濃度SO2和NOx自動監(jiān)測系統(tǒng)性能評價(jià)方法[J]，環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，26（1）：9‐13，2014.