CEMS預處理裝置集成與示范

羅 寧

（河北省環境科學研究院 河北石家莊 050000）

引言

隨著節能減排要求的日益提高,企業的脫硫、脫硝等環保設備的投入率和運行率成為環境管理的重點。煙氣連續監測系統CEMS通過實時監測企業外排煙氣的污染物濃度，與環境保護行政主管部門實現聯網，用于監控企業減排設備的運行情況。因此，CEMS已經成為政府環保部門的主要執法依據和控制手段，并直接關系到各企業的排污費和脫硫電價補貼等，尤其是各級政府實行的排污IC卡制度，更是以CEMS的監測結果作為管理的依據。因此煙氣連續監測系統CEMS的穩定運行和維護，無論是對企業還是對環境保護管理部門都是至關重要的。

1 目前CEMS系統存在的問題

CEMS用于火電廠等企業的外排煙氣監測時，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監測結果出現不穩定或失真的情況。因此除塵、除濕和抗干擾是CEMS目前面臨的幾大難題：

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

（2）氣體中水溶性SO2、NOx組分流失，測量數值不準確或者波動較大。

（3）水、粉塵或酸霧進入分析儀，導致分析儀腐蝕，漂移，壽命縮短和損壞等嚴重故障，并將導致系統停機和監測停止。

（4）在線分析系統的性能，質量和品質不能得到有效協調和保障，維護周期短，維護工作量巨大，后期維護成本直線上升。

2 CEMS預處理國內外現狀

針對目前CEMS存在的一系列問題，美國、日本等國家均進行了一系列研究，主要是以Nafion管為核心部件進行了相關研究，例如美國博純公司結合Baldwin系列的CEMS預處理技術研發出的一系列GAss系統，可有效解決電廠、垃圾焚燒廠等煙氣預處理問題。據調查，我國在相關領域研究較少，本次主要是在Nafion管為核心部件的基礎上，借鑒美國博純公司GAss系統的相關技術，結合我國目前電廠、鋼鐵廠、垃圾焚燒廠等煙氣的主要特點，集成集除塵除氨除濕為一體的CEMS預處理裝置，并在電廠進行工業示范。

3 基于滲透管技術的新型煙氣處理裝置的集成研究

3.1 滲透管的技術原理

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，而是以其材質對水分子的化學親和力為基礎。滲透管是聚四氟乙烯和全氟-3,6-二環氧-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，直到最終到達另外一側的管壁，水分則全部蒸發到干燥的反吹氣中被帶走。滲透管除濕的驅動力是管內外的水汽壓力梯度（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優勢是樣氣露點突破了0℃的“極限”，比較容易達到-5～-10℃；環境溫度20℃下，理論上樣氣除濕后露點最低為-45℃。和傳統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特優點的唯一產品。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點。

3.2 CEMS預處理裝置集成研究

本次研制的CEMS預處理設備分為兩個部分，左側箱體為電氣連接部分，保證整個設備在通電狀態下穩定運行；右側為整個設備的核心，包括綜合處理器Ⅰ、綜合處理器Ⅱ和排污泵等輔助設備。設備主要內部結構見圖2，設備主要部件標識見表1。

圖2 設備主要內部構造示意圖

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并進行除氨，同時用排污泵將此過程中產生的少量凝結水及顆粒物排出設備外，保證設備連續穩定的運轉。綜合處理器Ⅰ的主要結構示意圖見圖3。

表1 CEMS預處理設備主要部件標識一覽表

圖3 綜合處理器Ⅰ的主要結構示意圖

（1）過濾

熱電廠外排煙氣中含有大量的細小顆粒，為了保證后續儀器儀表的正常工作及使用壽命，在設計中需把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，實現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，當氨出現在氣體采樣中時，它會迅速和其他化合物（如樣氣中的SO2）反應形成氨鹽，鹽的沸點相對較低，在煙道和伴熱管線的高溫下它以氣態形式存在，當樣氣經過處理器冷卻時，它將沉淀為固體，堵塞干燥器和分析儀。本次設計時考慮增加脫氨工藝，力求保護下游的儀器儀表。除氨部分由不銹鋼外殼和填滿了含磷的洗滌介質填料組成。采樣中的水氣激活洗滌介質產生磷酸。磷酸在酸堿中和反應下與氨反應，產生氨磷。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。對于正常的運行，除氨器應保持在高于樣氣露點溫度，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的主要設備為滲透管，由管內外濕度差產生濕度梯度，水分子由高及低傳遞而使管內的濕度不斷降低，從而達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的主要結構示意圖見圖4。

圖4 綜合處理器Ⅱ的主要結構示意圖

3.3 工業現場示范

3.3.1 示范鍋爐基本情況

工業現場示范機組裝機容量為600MW，鍋爐型號為北京巴布科克·威爾科克斯（B&WB）有限公司生產的B&WB—1950/25.4—M型超臨界機組,半露天布置。過熱器蒸發量（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。該機組煙氣分別經過脫硝、除塵、脫硫后進入煙道排放。脫硝采用SCR法進行，脫硝效率可達85%以上；除塵采用雙室四電場靜電除塵器，設計除塵效率為99.7%；通過脫硫增壓風機進入濕法脫硫系統，脫硫效率≥90%，脫硫后的煙氣進入240m高煙囪煙道。

3.3.2 CEMS預處理裝置安裝位置

在CEMS預處理裝置安裝前，煙氣經取樣探頭經加熱管線通過冷凝器后直接進入在線監測分析儀表。為了驗證本裝置對CEMS裝置的預處理效果，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備的入口，煙氣處理后的出口連接伴熱采樣管線，在經過冷凝器后進入在線檢測分析儀表。

圖5 安裝位置示意圖

3.3.3 技術參數設置

氣源：使用儀表氣源，壓力穩定，且≥0.4MPa，并加裝濾水濾油過濾器。

煙氣流量：經過設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，因伴熱管線加熱溫度不能滿足現場工況要求，在進冷凝器前端產生冷凝水，造成分析儀表排出廢煙氣在冬季會結冰堵塞煙氣管路。本次示范對CEMS預處理裝置安裝前后采樣管凝結水產生情況進行了比較。CEMS預處理裝置安裝前，采樣管處均有凝結水珠出現，每24小時有近200ml冷凝水產生，待CEMS預處理裝置安裝后，連續兩天采樣管凝結水明顯減少，待CEMS預處理裝置安裝后第三天采樣管處不再有凝結水滴產生，并且經過近兩個月的觀察，該裝置運行穩定時，采樣管凝結水不再產生。說明CEMS預處理裝置對煙氣的除濕效果良好。

圖6 凝結水產生現場示意圖

（2）煙氣污染物濃度變化測試

由于示范廠所在地區電廠實行超低排放，煙氣中各污染物濃度在實際生產中通過工況控制、脫硫脫硝設備控制等掌控煙氣出口污染物濃度，以達到污染物超低排放的目的。本次示范無法獲得預處理裝置安裝前后完全相同工況的污染物數據進行比對，但可以看出預處理裝置的影響不會引起在線監測數據的顯著變化。

（3）設備更換頻次測試

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

3.3.5 示范效果結論

（1）對煙氣除濕性能良好，冷凝器入口處的管路不再有凝結水珠。

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

（3）凝結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，使得監測數據更加準確。示范廠家為了滿足超低排放的要求，通過工況控制、脫硫脫硝設備的控制等控制在線檢測儀監測的各污染物的濃度，預處理裝置對各污染物濃度的影響沒有呈現顯著變化。

結語

隨著國家對環保要求的日益嚴格，對煙氣中SO2、NOx排放限值的降低，使煙氣中的水汽對測量數值的影響逐步加大，造成測量數值的失真。本設備對煙氣中的水汽去除能力顯著，另一方面由于本設備能夠有效并且極大限度的去除了樣氣中的水分，保留了原始氣體成分，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，具有一定的經濟效益，也減少了污染。適用于高濕、高腐蝕性、含酸性氣體的線監測裝置，具有很好的推廣前景。