林源

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

便攜式煙氣預(yù)處理器技術(shù)在比對監(jiān)測中的應(yīng)用

林源

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

對2種便攜式煙氣預(yù)處理器在比對監(jiān)測中的實際應(yīng)用進(jìn)行探討，通過對2種煙氣預(yù)處理器工作原理及在實際應(yīng)用中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，顯示在“高濕低硫”條件下，電子冷凝預(yù)處理器析出的冷凝液會造成二氧化硫的損失，在應(yīng)用中應(yīng)加快除水，減少煙氣與冷凝水接觸的時間，并防止冷凝液出現(xiàn)在伴熱管線與預(yù)處理器煙氣入口之間。而便攜式Nafion預(yù)處理器由于具有獨特的干燥性能，抗干擾能力，在“高濕低硫”的比對監(jiān)測中具有較好的可比性和適用性。

預(yù)處理器；煙氣； Nafion干燥；電子冷凝；比對監(jiān)測

隨著《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)中提出的燃煤機(jī)組“超低排放”限值的實施[1]，對進(jìn)行燃煤機(jī)組煙氣中低濃度污染物監(jiān)測所使用的現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度、檢測限、準(zhǔn)確度等指標(biāo)提出了更高要求。盡管便攜式煙氣分析儀的不斷發(fā)展，使檢測精度得到了極大的提升，但仍常遇到“高濕低硫”煙氣中SO2監(jiān)測值幾乎為0的情況[2]，其主要原因是監(jiān)測系統(tǒng)中的便攜式預(yù)處理器在除濕過程中析出冷凝液，并與煙氣接觸，使煙氣中的SO2組分被冷凝液吸收[3]?，F(xiàn)針對這一現(xiàn)象，對2種不同除濕原理的便攜式預(yù)處理器在“高濕低硫”煙氣比對測試中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 便攜式煙氣預(yù)處理器——冷卻除濕法

1.1 基本原理

煙氣冷卻除濕一般分為壓縮機(jī)制冷和電子制冷2種方式，由于便攜式煙氣預(yù)處理器要求便攜的局限性，基本上采用的都是電子制冷器，即半導(dǎo)體制冷器[4]。電子制冷器通過改變電流的大小即可控制制冷溫度，因此電子制冷器具有容易控溫、無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件、無工作噪聲、無制冷劑的腐蝕和污染、可小型化等特點。

將電子制冷器的冷端與圓柱形薄壁熱交換器外罩緊密接觸，通過制冷器降低熱交換器外殼的溫度至設(shè)定值，煙氣流經(jīng)熱交換器時被迅速降溫，煙氣中的水蒸氣即被冷凝析出于熱交換器的內(nèi)壁上，并從內(nèi)壁滑落，通過蠕動泵從排水口排出，從而達(dá)到“除濕”的目的。電子制冷器除濕后煙氣的極限露點約為2～5 ℃。

1.2 應(yīng)用分析

連接便攜式采樣探頭，通電預(yù)熱，設(shè)定冷卻溫度，待預(yù)處理穩(wěn)定后，將采樣探頭放入煙道通過取樣泵抽取煙氣，煙氣流經(jīng)采樣探頭與伴熱管線后進(jìn)入煙氣預(yù)處理器進(jìn)行“除濕”和“除塵”，輸出干燥潔凈的煙氣至分析儀進(jìn)行分析。

在“超低排放”的實際應(yīng)用中，脫硫后的煙氣露點約為45～65 ℃。煙氣經(jīng)過高溫采樣探頭和高溫伴熱管線后進(jìn)入便攜式煙氣預(yù)處理器，但由于伴熱管線的后端至電子制冷器入口端的管線沒有任何的加溫或者保溫措施，煙氣中的水蒸氣在此段管路內(nèi)會出現(xiàn)冷凝，造成SO2組分被冷凝液吸收。其次，“高濕低硫”煙氣在熱交換器內(nèi)進(jìn)行冷卻除濕的過程中，會接觸熱交換器內(nèi)壁上析出的冷凝液而引起SO2組分的損失。研究發(fā)現(xiàn)，SO2組分在電子制冷器中的損失率為3%～10%，并隨著煙氣含水量的增大而增大；在相同水分含量的煙氣中，SO2組分的損失率則隨著SO2濃度的降低而增大[5]。

電子制冷器的制冷效果還受外部環(huán)境影響。環(huán)境溫度為25 ℃以下時，電子制冷器可以處理含水量30%左右的煙氣，至出口露點為5～8 ℃左右，除濕率約為95%；環(huán)境溫度為35 ℃以上時，電子制冷器制冷效率直線降低，直接影響煙氣的“除濕”效率，會將含有水蒸氣的煙氣送入分析儀，引起污染物濃度偏差。因此，便攜式電子制冷預(yù)處理適用的煙氣為：“低濕低硫”或“高濕高硫”煙氣。

2 便攜式煙氣預(yù)處理器——Nafion干燥法

2.1 基本原理

Nafion管為煙氣Nafion干燥法的核心部件。Nafion管的干燥原理完全不同于多微孔膜材料，沒有物理意義上的小孔，且不會基于氣體分子的大小來遷移氣體。相反，Nafion管中氣體的遷移以其對磺酸基的化學(xué)親和力為基礎(chǔ)。由于磺酸基具有很高的親水性，所以Nafion管壁吸收的氣態(tài)水分子，會從一個磺酸基向另一個磺酸基傳遞，直至到達(dá)另一側(cè)的管壁，然后被干燥的反吹氣帶走[6]。反吹氣由空氣干燥管抽取環(huán)境空氣進(jìn)行干燥制得。

因此，Nafion管除濕的驅(qū)動力是管內(nèi)外的濕度差。只要管內(nèi)外濕度差存在，水分子的遷移就可以進(jìn)行，因此Nafion的“除濕”過程，沒有任何機(jī)械傳動，無能量耗損，具有除濕反應(yīng)快速等特點。Nafion管除濕后煙氣的露點突破了電子制冷器的極限，到達(dá)0 ℃乃至-15 ℃。

2.2 應(yīng)用分析

便攜式Nafion干燥預(yù)處理器由于采用的是氣態(tài)除濕將煙氣內(nèi)的水分子遷移走，因此需要杜絕煙氣中水蒸氣發(fā)生冷凝。為此，便攜式預(yù)處理器內(nèi)設(shè)立了一個獨立的加溫區(qū)域，通常設(shè)定為70～75 ℃，煙氣干燥管的一半位于此區(qū)域。

在實際應(yīng)用中，便攜式的高溫采樣探頭和高溫伴熱管線連接至預(yù)處理器的煙氣入口，通電預(yù)熱并穩(wěn)定后，采樣探頭伸入煙道內(nèi)抽取煙氣。伴熱管線的末端管線雖然沒有加溫或保溫，但是連接在便攜式煙氣預(yù)處理的煙氣入口上，位于預(yù)處理的獨立加溫區(qū)，這樣就防止了此段管線內(nèi)冷凝水的出現(xiàn)，同時減少了SO2組分的損失。另外，其獨特的Nafion干燥技術(shù)在煙氣管路內(nèi)不會產(chǎn)生冷凝水，再次降低了SO2組分的損失率。研究發(fā)現(xiàn)，SO2組分在Nafion干燥管中的損失率為1%～2%，且受煙氣含水量及SO2濃度變化的影響不大[7]。

便攜式Nafion干燥預(yù)處理器可以處理含水量40%左右的煙氣，至出口露點約-5～0 ℃，除濕率約為98%～99%，并且受外部環(huán)境溫度影響較小，尤其適用于“高濕低硫”煙氣的監(jiān)測。盡管Nafion便攜式預(yù)處理器的除濕性能優(yōu)于冷凝便攜式預(yù)處理器，但是Nafion材質(zhì)的特性對其使用還有著些許限制。當(dāng)Nafion管內(nèi)附著大量顆粒污染物或油類聚集時，將導(dǎo)致除濕性能的急速衰減；雖然Nafion可以快速地遷移水分子，但是對于液態(tài)水卻無法迅速排出從而造成SO2組分丟失；此外，氨氣會導(dǎo)致Nafion管不可逆的破壞，因此Nafion管無法使用在氨法脫硫場合。

3 現(xiàn)場CEMS比對監(jiān)測實例分析

選用2套便攜式污染物濃度監(jiān)測系統(tǒng)，1套使用便攜式電子制冷預(yù)處理器，1套使用便攜式Nafion干燥預(yù)處理器，2套系統(tǒng)均采用便攜式PG-350型NDIR分析儀，以及相同型號的便攜式采樣探頭和伴熱管線。對常熟某燃煤電廠4號發(fā)電機(jī)組煙氣中的SO2、NOx和O2測定結(jié)果進(jìn)行比對分析。該發(fā)電機(jī)組的CEMS污染物監(jiān)測子系統(tǒng)使用ABB紅外分析儀，利用氣態(tài)污染物吸收光譜的特征進(jìn)行直接測量。比對監(jiān)測位置與CEMS監(jiān)測孔位均位于濕法脫硫后排放管道上。

采樣分析時，2套系統(tǒng)采樣探頭和伴熱管線設(shè)定溫度、NDIR分析儀量程及采樣流量均一致，且NDIR分析儀與CEMS時鐘校正同步。使用標(biāo)氣對手工比對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

比對監(jiān)測期間，鍋爐穩(wěn)定運行，電除塵和濕法脫硫設(shè)施運行正常，無GGH系統(tǒng)，煙氣含濕量為15%左右，煙氣溫度為55 ℃左右。按照文獻(xiàn)[8]的相關(guān)要求，進(jìn)行污染物濃度準(zhǔn)確度的比對測試。每組測試時間為5 min，重復(fù)測試9組，將獲得的SO2、NOx和O2數(shù)據(jù)與同時段煙氣CEMS的分鐘平均值進(jìn)行準(zhǔn)確度計算，結(jié)果見表1。

表1 CEMS與比對方法數(shù)據(jù)比較①

①1#系統(tǒng)采用的是便攜式Nafion干燥預(yù)處理器，2#系統(tǒng)采用的是便攜式電子冷凝預(yù)處理器。

由表1可見，2套便攜式污染物濃度監(jiān)測系統(tǒng)與CEMS進(jìn)行比對監(jiān)測，得到SO2、NOx、O2結(jié)果均符合文獻(xiàn)[8]的相關(guān)要求。但Nafion預(yù)處理器監(jiān)測系統(tǒng)相對于電子制冷預(yù)處理器監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測結(jié)果更接近CEMS的測量值。其中，SO2的濃度差異相對于NOx和O2含量更加明顯，原因是電子制冷預(yù)處理器在干燥煙氣的過程中析出了大量的冷凝液，造成了SO2組分的損失，但NOx和O2含量不會因冷凝液的產(chǎn)生而被吸收。

4 結(jié)語

比對監(jiān)測工作是保證污染源自動監(jiān)測系統(tǒng)有效性的一個重要質(zhì)控環(huán)節(jié)，便攜式預(yù)處理器作為煙氣冷-干抽取式比對監(jiān)測中的核心，將直接影響比對監(jiān)測的結(jié)果和有效性的判定。

在“高濕低硫”條件下，電子冷凝預(yù)處理器析出的冷凝液會造成SO2的損失，應(yīng)加快除水，減少煙氣與冷凝水接觸的時間，并防止冷凝液出現(xiàn)在伴熱管線與預(yù)處理器煙氣入口之間。

便攜式Nafion預(yù)處理器具有獨特的干燥性能，可以為NDIR分析儀提供良好的抗干擾能力，在“高濕低硫”的比對監(jiān)測中具有較好的可比性和適用性。

[1] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會辦公廳.煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)[Z]. 2014-09-12

[2] 徐宏. 大氣污染源低濃度二氧化硫監(jiān)測方法比較[J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警， 2012，4 (3)：18-20.

[3] 謝馨，柏松. 定電位電解法測定煙氣中的SO2的干擾問題及解決方法[J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警， 2010，2(5)：25-26.

[4] 徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)[M]. 上海： 上海交通大學(xué)出版社， 1992.

[5] 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)，2010 (5)： 48-51.

[6] 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，2010 (2)： 65-70.

[7] 李峰. 一種創(chuàng)新的冷干直抽法CEMS樣氣預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 分析儀器， 2013 (2)： 71-76.

[8] 國家環(huán)境保護(hù)總局. 固定污染源煙氣排放監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)：HJ/T 75—2007 [S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

Analysis of Portable Flue Gas Pre-conditioning Technology and Its Application in Comparison Monitoring

LIN Yuan

(MechanicalandElectricalEngineeringInstitute，SoochowUniversity，Suzhou，Jiangsu215006，China)

Practical applications of two portable flue gas pre-conditioning instruments in comparison monitoring were discussed. By comparing the principles of the two instruments and data obtained from practical applications， it was found that under the condition of high humidity and ultra-low emission，SO2loss would occur as a result of condensation fluid from electronic cooler. It was suggested that water should be removed more quickly during application， and reduce the contact time period between the gas and the condensation fluid. In addition， the condensation fluid should be prevented from present in between the thermos tube and the inlet of the pre-conditioning instrument. Portable Nafion pre-conditioning instrument has unique drying performance and capability of resisting interference， and it provides good compatibility and applicability in comparison monitoring test in high humidity and ultra-low emission.

Pre-conditioning instrument； Flue gas； Nafion dryer； Electronic cooler； Comparison monitoring

2016-07-25；

2016-09-27

林源(1985—)，男，助理工程師，碩士，主要從事煙氣預(yù)處理器研究開發(fā)工作。

X851

B

1674-6732(2016)06-0037-03