羅 寧

（河北省環(huán)境科學(xué)研究院 河北石家莊 050000）

引言

隨著節(jié)能減排要求的日益提高,企業(yè)的脫硫、脫硝等環(huán)保設(shè)備的投入率和運(yùn)行率成為環(huán)境管理的重點(diǎn)。煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)CEMS通過實(shí)時監(jiān)測企業(yè)外排煙氣的污染物濃度，與環(huán)境保護(hù)行政主管部門實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，用于監(jiān)控企業(yè)減排設(shè)備的運(yùn)行情況。因此，CEMS已經(jīng)成為政府環(huán)保部門的主要執(zhí)法依據(jù)和控制手段，并直接關(guān)系到各企業(yè)的排污費(fèi)和脫硫電價補(bǔ)貼等，尤其是各級政府實(shí)行的排污IC卡制度，更是以CEMS的監(jiān)測結(jié)果作為管理的依據(jù)。因此煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)CEMS的穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)，無論是對企業(yè)還是對環(huán)境保護(hù)管理部門都是至關(guān)重要的。

1 目前CEMS系統(tǒng)存在的問題

CEMS用于火電廠等企業(yè)的外排煙氣監(jiān)測時，一般都是高溫、高粉塵、高濕度的含有腐蝕性組分的氣體，存在沖刷、堵塞、腐蝕等問題，造成CEMS監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)不穩(wěn)定或失真的情況。因此除塵、除濕和抗干擾是CEMS目前面臨的幾大難題：

（1）氣路連接復(fù)雜,分水器、制冷器、蠕動泵等設(shè)備繁多，管線和過濾器等被冷凝水和粉塵堵塞，氣體沒有達(dá)到室溫以下,除水不徹底。

（2）氣體中水溶性SO2、NOx組分流失，測量數(shù)值不準(zhǔn)確或者波動較大。

（3）水、粉塵或酸霧進(jìn)入分析儀，導(dǎo)致分析儀腐蝕，漂移，壽命縮短和損壞等嚴(yán)重故障，并將導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)和監(jiān)測停止。

（4）在線分析系統(tǒng)的性能，質(zhì)量和品質(zhì)不能得到有效協(xié)調(diào)和保障，維護(hù)周期短，維護(hù)工作量巨大，后期維護(hù)成本直線上升。

2 CEMS預(yù)處理國內(nèi)外現(xiàn)狀

針對目前CEMS存在的一系列問題，美國、日本等國家均進(jìn)行了一系列研究，主要是以Nafion管為核心部件進(jìn)行了相關(guān)研究，例如美國博純公司結(jié)合Baldwin系列的CEMS預(yù)處理技術(shù)研發(fā)出的一系列GAss系統(tǒng)，可有效解決電廠、垃圾焚燒廠等煙氣預(yù)處理問題。據(jù)調(diào)查，我國在相關(guān)領(lǐng)域研究較少，本次主要是在Nafion管為核心部件的基礎(chǔ)上，借鑒美國博純公司GAss系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，結(jié)合我國目前電廠、鋼鐵廠、垃圾焚燒廠等煙氣的主要特點(diǎn)，集成集除塵除氨除濕為一體的CEMS預(yù)處理裝置，并在電廠進(jìn)行工業(yè)示范。

3 基于滲透管技術(shù)的新型煙氣處理裝置的集成研究

3.1 滲透管的技術(shù)原理

滲透管的干燥原理完全不同于超微孔材料，它不是基于分子和微粒液霧粒度的大小來遷移氣體，而是以其材質(zhì)對水分子的化學(xué)親和力為基礎(chǔ)。滲透管是聚四氟乙烯和全氟-3,6-二環(huán)氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物，其材料散布著磺酸基，具有很強(qiáng)的親水性，所以滲透管壁吸收的水分，會從一個磺酸基向另外一個磺酸基傳遞，直到最終到達(dá)另外一側(cè)的管壁，水分則全部蒸發(fā)到干燥的反吹氣中被帶走。滲透管除濕的驅(qū)動力是管內(nèi)外的水汽壓力梯度（即濕度差），而不是壓力差和溫度差，也就是滲透管內(nèi)樣氣的水蒸氣分壓必須高于管外凈化氣的水蒸氣分壓。滲透管干燥器除濕過程見圖1。

圖1 滲透管干燥器除濕過程

滲透管在連續(xù)的除濕過程中，完全保留煙氣中的SO2、NOx等待測氣體成分，即只選擇性的去除煙氣中的水分。滲透干燥器的最大技術(shù)優(yōu)勢是樣氣露點(diǎn)突破了0℃的“極限”，比較容易達(dá)到-5～-10℃；環(huán)境溫度20℃下，理論上樣氣除濕后露點(diǎn)最低為-45℃。和傳統(tǒng)所有除濕方式的樣氣處理部件相比，它是具有水溶性分析組分不流失這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的唯一產(chǎn)品。此外滲透管還有耐腐蝕、快捷（<1s）、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等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 CEMS預(yù)處理裝置集成研究

本次研制的CEMS預(yù)處理設(shè)備分為兩個部分，左側(cè)箱體為電氣連接部分，保證整個設(shè)備在通電狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行；右側(cè)為整個設(shè)備的核心，包括綜合處理器Ⅰ、綜合處理器Ⅱ和排污泵等輔助設(shè)備。設(shè)備主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2，設(shè)備主要部件標(biāo)識見表1。

圖2 設(shè)備主要內(nèi)部構(gòu)造示意圖

3.2.1 綜合處理器Ⅰ

綜合處理器Ⅰ的主要功能為過濾大顆粒物質(zhì)并進(jìn)行除氨，同時用排污泵將此過程中產(chǎn)生的少量凝結(jié)水及顆粒物排出設(shè)備外，保證設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。綜合處理器Ⅰ的主要結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

表1 CEMS預(yù)處理設(shè)備主要部件標(biāo)識一覽表

圖3 綜合處理器Ⅰ的主要結(jié)構(gòu)示意圖

（1）過濾

熱電廠外排煙氣中含有大量的細(xì)小顆粒，為了保證后續(xù)儀器儀表的正常工作及使用壽命，在設(shè)計中需把0.1微米以下的顆粒物去除。本裝置采用微粒和凝聚物過濾雙層濾芯，去除95%的大于等于0.1微米的微粒，實(shí)現(xiàn)過濾和凝聚過濾物雙重目的。在濾芯材料選用上選擇耐高溫和腐蝕性的材料，同時要保證在過濾過程中壓降損失很小。凝聚液匯集至外殼的底部，通過設(shè)備下部排污泵排空，保持了低壓降和元件的使用壽命。

（2）除氨

電廠脫硝工藝中加入了大量的氨，當(dāng)氨出現(xiàn)在氣體采樣中時，它會迅速和其他化合物（如樣氣中的SO2）反應(yīng)形成氨鹽，鹽的沸點(diǎn)相對較低，在煙道和伴熱管線的高溫下它以氣態(tài)形式存在，當(dāng)樣氣經(jīng)過處理器冷卻時，它將沉淀為固體，堵塞干燥器和分析儀。本次設(shè)計時考慮增加脫氨工藝，力求保護(hù)下游的儀器儀表。除氨部分由不銹鋼外殼和填滿了含磷的洗滌介質(zhì)填料組成。采樣中的水氣激活洗滌介質(zhì)產(chǎn)生磷酸。磷酸在酸堿中和反應(yīng)下與氨反應(yīng)，產(chǎn)生氨磷。這種化合物即使在高溫下也是固體，作為可見殘留物很容易被處理。對于正常的運(yùn)行，除氨器應(yīng)保持在高于樣氣露點(diǎn)溫度，以避免水溶性分析物的損失。

3.2.2 綜合處理器Ⅱ

綜合處理器Ⅱ的主要設(shè)備為滲透管，由管內(nèi)外濕度差產(chǎn)生濕度梯度，水分子由高及低傳遞而使管內(nèi)的濕度不斷降低，從而達(dá)到干燥煙氣中水分的目的，同時最大限度的保留原有樣氣成分。綜合處理器Ⅱ的主要結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 綜合處理器Ⅱ的主要結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 工業(yè)現(xiàn)場示范

3.3.1 示范鍋爐基本情況

工業(yè)現(xiàn)場示范機(jī)組裝機(jī)容量為600MW，鍋爐型號為北京巴布科克·威爾科克斯（B&WB）有限公司生產(chǎn)的B&WB—1950/25.4—M型超臨界機(jī)組,半露天布置。過熱器蒸發(fā)量（BMCR）為1950 t/h，鍋爐排煙溫度（BMCR）127/121℃，校核煤種為晉北煙煤，煤耗量(校核煤種)245.1 t/h。該機(jī)組煙氣分別經(jīng)過脫硝、除塵、脫硫后進(jìn)入煙道排放。脫硝采用SCR法進(jìn)行，脫硝效率可達(dá)85%以上；除塵采用雙室四電場靜電除塵器，設(shè)計除塵效率為99.7%；通過脫硫增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)入濕法脫硫系統(tǒng)，脫硫效率≥90%，脫硫后的煙氣進(jìn)入240m高煙囪煙道。

3.3.2 CEMS預(yù)處理裝置安裝位置

在CEMS預(yù)處理裝置安裝前，煙氣經(jīng)取樣探頭經(jīng)加熱管線通過冷凝器后直接進(jìn)入在線監(jiān)測分析儀表。為了驗(yàn)證本裝置對CEMS裝置的預(yù)處理效果，該裝置安裝在煙道取樣探頭和在線檢測儀表中間部位，即取樣探頭的煙氣出口連接設(shè)備的入口，煙氣處理后的出口連接伴熱采樣管線，在經(jīng)過冷凝器后進(jìn)入在線檢測分析儀表。

圖5 安裝位置示意圖

3.3.3 技術(shù)參數(shù)設(shè)置

氣源：使用儀表氣源，壓力穩(wěn)定，且≥0.4MPa，并加裝濾水濾油過濾器。

煙氣流量：經(jīng)過設(shè)備的煙氣流量控制在1.1-1.2L/min。吹掃氣：流量控制為2.5L/min。

煙氣處理器II溫度：控制在80℃左右。

3.3.4 示范效果測試

（1）除濕效果測試

原有的直接抽取式CEMS系統(tǒng)，因伴熱管線加熱溫度不能滿足現(xiàn)場工況要求，在進(jìn)冷凝器前端產(chǎn)生冷凝水，造成分析儀表排出廢煙氣在冬季會結(jié)冰堵塞煙氣管路。本次示范對CEMS預(yù)處理裝置安裝前后采樣管凝結(jié)水產(chǎn)生情況進(jìn)行了比較。CEMS預(yù)處理裝置安裝前，采樣管處均有凝結(jié)水珠出現(xiàn)，每24小時有近200ml冷凝水產(chǎn)生，待CEMS預(yù)處理裝置安裝后，連續(xù)兩天采樣管凝結(jié)水明顯減少，待CEMS預(yù)處理裝置安裝后第三天采樣管處不再有凝結(jié)水滴產(chǎn)生，并且經(jīng)過近兩個月的觀察，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定時，采樣管凝結(jié)水不再產(chǎn)生。說明CEMS預(yù)處理裝置對煙氣的除濕效果良好。

圖6 凝結(jié)水產(chǎn)生現(xiàn)場示意圖

（2）煙氣污染物濃度變化測試

由于示范廠所在地區(qū)電廠實(shí)行超低排放，煙氣中各污染物濃度在實(shí)際生產(chǎn)中通過工況控制、脫硫脫硝設(shè)備控制等掌控?zé)煔獬隹谖廴疚餄舛?，以達(dá)到污染物超低排放的目的。本次示范無法獲得預(yù)處理裝置安裝前后完全相同工況的污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，但可以看出預(yù)處理裝置的影響不會引起在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯著變化。

（3）設(shè)備更換頻次測試

煙氣中酸性氣體溶于水形成酸性物質(zhì)，使采樣泵、儀表氣室、氧電池等設(shè)備造成腐蝕，更換頻率較高。本次示范對預(yù)處理裝置安裝前后使用一個月的氣室和氧電池進(jìn)行了比較，前者明顯腐蝕度較高，說明安裝本裝置之后，進(jìn)入儀表的煙氣較為干燥，酸性物質(zhì)較少，對氣室和氧電池腐蝕性較小，保護(hù)了設(shè)備，減少了設(shè)備的更換頻率，從而達(dá)到了節(jié)約成本的目的，通過企業(yè)的測算預(yù)計一臺機(jī)組年可節(jié)約成本4萬元。

3.3.5 示范效果結(jié)論

（1）對煙氣除濕性能良好，冷凝器入口處的管路不再有凝結(jié)水珠。

（2）減少了酸性物質(zhì)的生成，減少了設(shè)備腐蝕，延長了設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備更換頻率，節(jié)約了成本。

（3）凝結(jié)水的減少使得煙氣中各污染物成分損耗減少，減少了煙氣中各污染物的流失，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。示范廠家為了滿足超低排放的要求，通過工況控制、脫硫脫硝設(shè)備的控制等控制在線檢測儀監(jiān)測的各污染物的濃度，預(yù)處理裝置對各污染物濃度的影響沒有呈現(xiàn)顯著變化。

結(jié)語

隨著國家對環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，對煙氣中SO2、NOx排放限值的降低，使煙氣中的水汽對測量數(shù)值的影響逐步加大，造成測量數(shù)值的失真。本設(shè)備對煙氣中的水汽去除能力顯著，另一方面由于本設(shè)備能夠有效并且極大限度的去除了樣氣中的水分，保留了原始?xì)怏w成分，那么在使用過程中沒有了冷凝水形成的酸液，減少了對冷凝器、分析儀的維修和更換，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，也減少了污染。適用于高濕、高腐蝕性、含酸性氣體的線監(jiān)測裝置，具有很好的推廣前景。