脫硫飽和煙氣凝水對冷干直抽法SO2測量的影響

李婷彥

（大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097）

吸收塔出口氣態污染物SO2作為脫硫效果評價的重要參數，其測量的準確性及穩定性對整個脫硫系統節能降耗運行意義重大。測量參數的穩定性將直接影響系統的調節品質，以及運行人員的運行方式。由于脫硫系統執行超低排放標準后，環保參數排放限值要求較低（SO2＜35mg/Nm3),且吸收塔出口煙氣具有高濕低濃度的特點，因而對塔出口SO2測量提出了更高的要求。

1 冷干直抽法測量原理

目前吸收塔出口CEMS 主要采用冷干直抽法或稀釋法的取樣方式，將樣品氣采集送至氣體分析儀內，實現對SO2參數的檢測。其中稀釋法，是使用無污染的潔凈干燥氣以一定比例稀釋樣氣，使混合樣氣露點降低至環境溫度以下，從而無需除水即可進行測量的一種抽取檢測方法。該測量方式在現場實際應用中，穩定性較好，但投資成本較高。

圖1 直接抽取+冷干法測量原理圖Fig.1 Direct extraction + cold dry measurement schematic

基于直接抽取+冷干法煙氣預處理的CEMS 系統，在實際脫硫項目中則應用較為廣泛，該測量方式原理圖如圖1 所示。

樣氣由取樣泵從煙道中抽出，經過高溫伴熱管線，被送至CEMS 機柜內的預處理單元內，經過冷凝、除水、過濾后送至氣體分析儀中分析。該測量方式投資費用較低，但脫硫執行超低排放標準后，SO2含量大幅度降低，通常小于35mg/Nm3，使得該測量方式在實際脫硫項目中暴露出了較多問題。

2 冷干直抽法測量在實際應用中的問題

圖2 為某電廠SO2參數瞬時跳變的曲線圖，圖中紅色曲線為出口SO2濃度值，綠色曲線為出口煙氣濕度。該項目脫硫出口CEMS 安裝在煙囪內筒107.00m 取樣平臺處，測點安裝位置完全滿足HJ75 標準中對CEMS 測點前、后直管段的相關要求，煙氣流場穩定性、測量成份分布均勻性較好，但在實際運行中的一段時期內，仍捕捉到了關鍵參數規律性跳變的曲線，如圖2 所示。由圖2 可見，SO2濃度在1h 內出現了兩個峰值跳變，并且在這兩個明顯峰值出現前，濕度均先出現一個小的峰值波動，此現象非常具有代表性，并在運行中多次規律出現。

圖3 為某電廠SO2測量問題曲線圖，該曲線主要存在兩個問題：一是穩定性差，跳變頻繁；二是準確性差，波動較大。該項目SO2取樣點在吸收塔出口混合煙道處，煙道條件復雜，煙氣流場紊亂；另外分析儀量程偏大，儀表誤差范圍較大，造成測量準確性差；同時非常重要的一個因素是該項目煙氣濕度較大，對SO2測量產生了較大影響。

圖2 某電廠SO2參數瞬時跳變曲線圖Fig.2 Instantaneous jump curve of SO2 parameters in a power plant

除上述SO2測量跳變的實例外，現場SO2測量值失真的問題也較普遍，很多現場SO2排放值甚至低于10mg/Nm3。

圖3 某電廠SO2測量問題曲線圖Fig.3 Schematic diagram of SO2 measurement problem in a power plant

3 濕度對SO2測量影響的分析

上述兩個電廠SO2問題曲線的產生，均與飽和煙氣凝水造成SO2被吸收的原因密不可分。在冷干法直抽測量過程中，伴熱管線伴熱不佳造成的管線內被測介質凝水以及預處理系統中冷凝器凝水，都是SO2測量參數異常的主要問題環節。

取樣管線局部保溫伴熱存在問題，造成飽和煙氣冷凝。煙氣中的SO2被水吸收，凝結聚集的水滴滴落到高溫伴熱管線壁，被加熱蒸發，亞硫酸逆反應分解成SO2和H2O，分解產生的SO2與煙氣SO2含量疊加，造成瞬間SO2數據異常高峰的現象。由此可見，濕度對冷干法完全抽取測量技術具有不容忽視的影響。

圖4 為在不同溫度下，100ml 水對SO2的吸收情況。由圖可看出，溫度越低，SO2越易溶于水。冷干法預處理系統中冷凝器的冷腔溫度通常設置在3℃～5℃，此溫度范圍下SO2的損失率極高，飽和煙氣凝水會吸收煙氣中的SO2，造成測量結果失真。

圖5 為濕度、SO2濃度及損失率關系曲線。由圖可知濕度越高，SO2濃度越低，其損失的比率也就越高；即在相同濕度下，SO2濃度越低，越易被水吸收。這也是超低之后，SO2數值失真的原因之一。

除對測量值的影響外，酸性冷凝水的析出也會導致系統的腐蝕，尤其是分析儀的零漂和氣室腐蝕。因此，嚴格控制飽和樣氣中水份對SO2的吸收，是實現精確測量SO2參數的前提，同時對測量系統穩定性的提高，降低運行維護工程量及成本具有不可忽視的作用。

圖4 SO2溶解率與溫度關系曲線[1]Fig.4 SO2 dissolution rate versus temperature curve[1]

圖5 濕度、SO2濃度及損失率關系曲線Fig.5 Humidity, SO2 concentration and loss rate curve

4 有效應對措施

近年來各種抗冷凝、抗吸收技術不斷涌現，如磷酸滴定冷凝預處理技術、基于納分管的前端預處理系統等，均在實際應用中取得了較好效果。

4.1 動態磷酸滴定技術

圖6 CEMS動態磷酸滴定預處理系統[2]Fig.6 CEMS Dynamic phosphoric acid titration pretreatment system[2]

針對直接抽取法，冷凝除水過程中SO2溶于水，影響測量準確性的問題，可采用動態磷酸滴定技術改善。改造現有CEMS 煙氣預處理系統，在冷凝器中滴入磷酸，磷酸電離出的H+可有效抑制SO2溶解。反應機理如下：

方程式（1）：磷酸電離出H+。

方程式（2）：磷酸電離出的H+，抑制了SO2的溶解。

磷酸滴定裝置采用5%～8%的磷酸溶液，通過可調速蠕動泵將磷酸動態滴入制冷器冷腔中，從而實現以上反應，該過程可使SO2損失率得到有效抑制。系統如圖6 所示。

4.2 基于納分管的前端預處理系統

相對磷酸滴定技術，基于納分管（Nafine）技術的前端預處理系統，可從根本解決現有樣氣取樣系統及冷凝裝置凝水影響測量的問題，同時有效緩解SO2溶水后對設備產生的腐蝕。納分管結構示意圖如圖7 所示。

在不銹鋼、聚丙烯或橡膠管內裝有多根Nafion 管，樣氣從管內流過，低露點的凈化氣（儀用壓縮空氣）從管外流過，煙氣中水分子穿過Nafion 管半透膜被凈化氣帶走，從而達到機械除濕的效果。納分管的干燥原理不同于多微孔材料的滲透管，其本身是無孔的，利用的是管材中嵌入的具有親水性的離子基，以及被測介質流經納分管時納分管中水蒸氣的分壓（不是被測介質的總壓），完成一個親水離子基向另一個離子基傳遞滲透直至管壁外，進而被干燥凈化氣帶走的過程[3]。

圖7 納分管結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of the sub-pipe structure

該前端預處理裝置安裝在CEMS 取樣探頭后，取樣平臺處屬于近煙道安裝。在煙氣抽出后及時進行氣態除濕且無冷凝水析出，可有效保留煙氣中的SO2氣體不被溶解，同時可有效避免因取樣管線保溫異常、冷凝器冷凝除水等環節引起的SO2溶于水的問題，最大程度地保證了SO2測量值的準確性，降低凝水導致的測量參數跳變、失真問題。

上述兩種技術，均可在不改變現有CEMS 系統結構的前提下，在一定程度上緩解濕度對SO2測量造成的影響，改造較易實施。因此，適用所有改造及新建CEMS。

5 結束語

濕度對SO2測量的影響顯而易見，各地環保部門也給予了越來越多的重視。山西省環境保護廳曾于2015 年4 月7 日，發布晉環函[2015]339 號文，文件明確規定：“……若采用紅外法檢測，其采樣管和制冷劑對二氧化硫的損失不能超過8%……”；內蒙古自治區環境保護廳，內環測字[2016]33 號文《關于燃煤電廠超低排放改造自動監測設備驗收補充事宜的函》中，明確要求“濃度CEMS 預處理系統，必須采用較先進的預處理技術，如絮凝過濾器+氣體干燥器預處理技術，反滲透膜+納米管預處理技術等。”先進的除水、抗吸收技術必將在項目的實際應用中取得理想效果。