基于Nafion管干燥技術(shù)的研究和應(yīng)用初探

杭建東

摘要：燃煤電廠在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)測出現(xiàn)了測量不準、壽命不高等問題。本文提出的采用Nafion干燥管技術(shù)，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(yù)處理的路徑。Nafion管在連續(xù)的除濕過程中，完全保留煙氣中的待測氣體，同時Nafion管類似于Teflon，具有極強的耐酸性腐蝕能力。

關(guān)鍵詞：Nafion管;樣氣分析;原位冷干直抽法

一、背景

火電廠的煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）最令人頭疼的是氣體采樣中存有大量的氣體塵埃、腐蝕性和潮濕的氣體。目前火電CEMS系統(tǒng)預(yù)處理通用的做法是采用過濾、取樣管線加熱和壓縮機冷凝， 其常常表現(xiàn)出的問題有：采樣探頭堵塞、采樣管路漏氣、采樣泵流量降低、冷凝器除濕效率降低、冷凝器排水蠕動泵損壞、過濾元部件失效、銨鹽結(jié)晶等。為了有效去除樣氣中的酸霧、氣溶膠及氨氣，選擇性去除樣氣中的氣體水份，同時保留需要監(jiān)測的目標氣體，例如SO2、NO、O2、HCL和HF等，我們重新選擇了一種新的Nafion管干燥材料，來解決以上的除濕難題。

二、Nafion 管及其機理

Nafion是聚四氟乙烯（Teflon?）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)?；撬峄哂泻芨叩挠H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)（Pervaporation）。

Nafion 管的機理有：

· PTFE 骨架

· 具有磺酸基側(cè)鏈

· 極強的化學親水性

· 基于氣態(tài)水梯度差的水分轉(zhuǎn)移機理

Nafion管除濕過程如圖1所示，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。

三、fion 管的實驗室測試

1、Nafion管干燥和電熱冷凝器的測試比較

在實驗室用濕熱發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生H2O 15%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。

試驗結(jié)果表明，采用冷凝器除濕比采用Nafion管干燥器的SO2的流失率較大;就算是30%的高濕度情況下，Nafion干燥管也可以有效保留SO2。

2、Nafion干燥和其它多種冷凝方式的比較

2020年6月，在南京進行了針對高濕度、低量程SO2的試驗，試驗采用了安裝有Nafion干燥管的GASS樣氣處理系統(tǒng)，試驗結(jié)果見表2（SO2標準配置濃度：500ppm;煙氣溫度：120℃） 。

試驗結(jié)果表明：在高濕度的情況下，經(jīng)GASS樣氣處理系統(tǒng)處理后，相比起其它冷凝方式，SO2的流失率較低，最高為10%濕度時的3.2%。而在27%濕度條件時，SO2的流失率僅為0.8%。當進氣煙氣水含量為27%時，經(jīng)過GASS樣氣處理系統(tǒng)處理后，煙氣出口露點< -12℃（含水量2，150mg/Nm3），大大優(yōu)于樣氣露點 < 0℃的要求。

三、Nafion 管的優(yōu)缺點

通過多次試驗表明，和所有傳統(tǒng)的樣氣除濕處理部件相比，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)。除外，Nafion還具有其它諸多優(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。

但是，Nafion 管在使用中也有其局限性：1. 不能有大量顆粒污染物或油類聚集。通常建議Nafion管前的過濾濾徑<1μm，否則顆粒物會聚集在Nafion 管的表面，影響其除濕效果;另外，不能有油，否則一樣會污染Nafion 管表面;2. 干燥過程中不能有液態(tài)水，否則Nafion 發(fā)生的自催化反應(yīng)會導(dǎo)致Nafion 管變冷，從而失去干燥功能;3. Nafion 管應(yīng)避免和氨氣接觸，因為氨氣會導(dǎo)致Nafion 管不可逆的破壞。

四、應(yīng)用初探

為了保證 Nafion管的平穩(wěn)高效除濕，必須保證：對樣氣和反吹氣體進行除油、除塵;提高 Nafion管的運行溫度，保證其高壓煙氣露點溫度，確保無液態(tài)水析出;采用除氨器去除煙氣中的氨氣，確保 Nafion不和氨氣接觸。

申能漕涇發(fā)電廠CEMS系統(tǒng)中，原來采用傳統(tǒng)的冷干直抽法技術(shù)進行預(yù)處理，即采用高溫伴熱管+冷凝器除濕的辦法。該方法不僅測量不準確，存在成分丟失的現(xiàn)象，而且長期使用后發(fā)現(xiàn)測量傳感器存在嚴重的堵塞和腐蝕現(xiàn)象。

后來該廠經(jīng)過了設(shè)備改造，使用了原位冷干直抽法進行處理，即系統(tǒng)采用Nafion管除濕，并內(nèi)置除氨器、可去除酸霧的絮凝過濾器，因此不需要高溫伴熱管和冷凝器。既保留了分析氣體的成分 ，而且還提高了測量傳感器的使用壽命。

五、總結(jié)

與所有現(xiàn)存技術(shù)相比，應(yīng)用了Nafion干燥技術(shù)的干燥器和加濕器都具有更高的選擇性，在干燥過程中可以有選擇地完整保留工藝樣氣中的待測氣體。具體匯總?cè)缦拢?/p>

（1）樣氣能夠干燥至露點-45℃或加濕至100%RH;

（2）水分轉(zhuǎn)移迅速完成，短至幾分之一秒;

（3）全運行過程連續(xù)且自我再生;

（4）設(shè)備具備極強的耐腐蝕性;

（5）干燥及加濕過程無需使用電源，適用于高防爆等級的危險區(qū)域;

（6）無需任何冷凝處理，無水溶損失，增加Nafion干燥管的數(shù)量和長度可以適應(yīng)不同的樣氣測量的要求。

參考文獻：

[1] 楊凱，周剛，王強 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，2010，26（5）：18-26.

[2] 孟尚虎，宦培養(yǎng) 等. CEMS裝置煙氣預(yù)處理裝置的改進及維護[J]. 電力科學與工程，2011，27（4）：58-60.