GASS預處理器在電廠CEMS系統中的應用

杭建東

摘 要：燃煤電廠在大力推廣“超低排放”的同時，對CEMS氣態污染物監測系統中低量程SO2和 NOx在低溫、高濕度煙氣條件下的監測提出了極為苛刻的要求。本文提出了一種通過GASS預處理器在電廠冷干直抽法CEMS中的應用方法，解決了預處理系統中“除濕”的難題。

關鍵詞：GASS預處理系統;冷干直抽法;CEMS;超低排放;Nafion干燥管

1.引言

“霧霾”是近幾年中國使用頻率非常高的詞匯，促進了環保理念在民眾中的覺醒與普及。同時，國家對大氣污染治理日趨嚴格。眾所周知，化石燃料的燃燒是霧霾的主要來源，而占全國每年40億噸煤炭一半的燃煤電廠，則是減排的嚴控對象。

2014年9月，發改委、環保部和能源局分布了發改能源（2014）2093號文，制定了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，提出了燃煤機組 “超低排放”的要求和時間表。

隨著“超低排放”限值的實施，對環保設施穩定運行的要求越來越高;同樣做為連續監測煙氣排放系統（CEMS），其測量的準確性、可靠性、真實性和穩定性也被提到更高的層面上來。目前普遍采用的高量程的煙氣連續監測系統難以支撐“超低排放”監測數據的準確性，尤其是監測SO2和NOx的氣態污染物監測子系統。

國內常用的CEMS氣態污染物監測子系統，按技術分類可包含稀釋抽取法、冷干直抽法及熱濕直抽法等。但是從系統穩定性、成本、系統普及性等方面考慮，在解決低量程分析儀表的前提下，采用現存的冷干直抽法還是較好的選擇。典型的冷干直接抽取法取樣和預處理部分包括取樣探頭、取樣伴熱管線、過濾、除濕系統和取樣泵等部分，其目的是給分析儀器提供連續的潔凈、干燥、常溫樣氣，確保分析儀長期連續穩定、準確可靠、低維護地協調運行，并延長其使用壽命。冷干直抽法CEMS預處理系統的最重要目的就是除濕。煙氣在冷凝時會產生冷凝水 （一般熱電廠的水含量為 8～15%）。但如果伴熱管線加熱效果下降，有冷凝水析出;或冷凝器制冷效果不理想，樣氣中的水份沒有被分離而析出;或冷卻儀的冷凝水蠕動泵管老化，使得冷凝水不能及時排出而被樣氣攜帶進入后續管道或儀器。如圖1所示為SO2在不同溫度下的溶解度曲線，從圖1可知，隨著溫度的降低，SO2在水中的溶解度上升，也就是說，SO2在冷凝水中的溶解度升高，損失率升高。不同濕度情況下SO2的損失率曲線如圖2所示，表明濕度越高，冷凝水析出的越多;而SO2濃度越低，損失比率也會越高。那么，可以確認：在高濕度 （45～50℃超飽和水汽 ）、低量程SO2 （SO2<35mg/Nm3）情況下，SO2的損失率會非常高，在很多情況下都發生了測不出的現象。

本文介紹一種適用于冷干直抽法的預處理方式，那就是采用 Nafion干燥管，通過 Nafion膜選擇性氣態除濕的方式來徹底解決冷凝水析出的問題，同時保留煙氣中低量程的SO2、NOx和 O2，確保分析的精度和準確性。

2. GASS預處理器的介紹

2.1 Nafion干燥管

Nafion是聚四氟乙烯、全氟二環氧和甲基癸烯的共聚物。Nafion管中氣態水的遷移是以其對磺酸基的化學親和力為基礎的，而不是基于氣體分子的大小來遷移的。由于磺酸基具有很高的親水性，所以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的管壁，而水份全部蒸發到干燥的反吹氣中被帶走，這一現象稱為過蒸發。

Nafion管除濕的驅動力是管內外的水汽壓力梯度，即濕度差，而非壓力差或溫度差。Nafion管在連續的除濕過程中，完全保留煙氣中的SO2、SO3、NO、NO2、HCl、HF、O2、 CO、CO2等待測氣體，即只選擇性的去除煙氣中的水份。

和所有傳統的樣氣除濕處理部件相比，Nafion管是唯一具有在氣態情況下去除水分而保持待測煙氣組分不流失這一獨特優點的技術。Nafion的其它諸多優點，如反應快速 （<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。以上突出優點和特性是對各種傳統樣氣冷凝技術的極大突破和超越。

為確保Nafion管平穩、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，確保無液態水析出;采用干燥的反吹氣，連續的對 Nafion管進行反吹，以去除煙氣中的水汽。

2.2 解決方案

結合Nafion管的優點和局限性，并結合冷干直取法CEMS預處理技術，美國博純公司研發出了一種創新的樣氣預處理器-GASS，將取樣、除塵、除油除酸霧、Nafion管氣態除濕和酸性氣態在線露點監測等技術有機的融合起來，為冷干直抽法CEMS在“超低排放”的應用拓寬了一條方便和經濟之路。

外殼內有兩個溫度控制區。在第一個溫控區內（見標紅的高溫區），整體區域的溫度可以控制在 90～95℃，確保煙氣在這個區域內沒有冷凝發生。經過一次過濾的高溫煙氣 （在高溫取樣探頭內，為一次過濾器），進入凝聚微粒過濾器 （二次過濾器），將微粒雜質降低到 0.1?m，若含有酸霧，也能在此凝聚并自動排除。

在高溫區內，樣氣經過獨有的Nafion干燥器。為了更好地去除水分，干燥器被加熱至樣氣的露點溫度之上以防出現冷凝，最高控制溫度為95℃，保證在煙氣的露點溫度以上，無任何冷凝水析出。

在第二個溫度控制區內（圖中的常溫區 ），樣氣經過剩余的部分干燥器，將露點進一步降低，根據所選干燥器模型及樣氣流速的不同，最低可達到‐45℃（建議控制處理后煙氣露點為 0～‐5℃）。除此之外，還可以在此部分選擇安裝反吹氣所需的其他附件，如取樣泵或吹掃氣干燥器。該控制區在常溫下運行，以保證這些控制器及附件不會過熱。

2.3 安裝

建議將GASS預處理器直接原位安放在煙道旁，距離取樣探頭越近越好。GASS預處理器內有 PLC系統控制過濾器溫度及反吹時間，以及高溫區的背板加熱及 Nafion管在高溫區的單獨加熱。這樣，煙氣從煙道中被抽取出來后立即進行除塵、除濕的預處理，在確保分析的完整性的同時，還可以節省昂貴的加熱管線及維護量大的冷凝器，還能節省校準時間和標氣。只需要提供 220V電源和 0.6～0.8MPa無油、無顆粒物的壓縮空氣即可。安裝方便簡單，維護量低。

3.現場應用和結論

3.1 現場應用

在浙能嘉興發電廠8號機WESP（濕法電除塵）出口處的CEMS高溫探頭旁，安裝了GASS預處理器。經西安熱工院、浙能技術研究院、國家環境監測總站等單位對8號機煙氣抽樣監測，得到機組在滿負荷時煙囪總排口主要煙氣污染物排放數據：煙塵 2.12mg/Nm3， SO2 17.47mg/Nm3，NOx 38.94mg/Nm3，該“超低排放”系統完全達到了天然氣燃氣輪機組的排放標準。

從圖5可知，在27%的高濕度、低于41.9ppm（119.8mg/Nm3）SO2情況下（最低時SO2濃度為 0），經GASS預處理器除濕后，電化學分析儀的分析結果就可以和全高溫 FTIR結果及變化趨勢完全吻合，說明GASS預處理器在除濕的過程中，基本保留了目標監測氣體SO2。經GASS預處理器處理后，煙氣的露點溫度始終低于‐10℃（含水量約為 2，000mg/Nm3），徹底避免了冷凝水問題的發生，確保了分析儀的穩定運行。

GASS預處理器在嘉興發電廠使用了5個月，基本沒有額外的維護工作，系統運行穩定。

3.2 結論

如果在煙道原位安裝GASS預處理器，就可以將“超低排放”煙氣中低溫、高濕度煙氣中的大部分水汽在氣態下可去除，處理后煙氣的露點可確保在 0℃（4，518mg/Nm3）以下。相比采用冷凝器勢必產生冷凝水的傳統冷干直抽法CEMS，以 Nafion干燥管為核心，融合Baldwin其它輔助技術的GASS預處理器，則能夠在只提供220V電源和0.6～0.8MPa壓縮空氣的條件下，在煙道取樣處原位處理CEMS煙氣，處理后的煙氣可保證顆粒物<0.1um，且露點低于 0℃，可徹底解決冷凝法冷干直抽法CEMS不可避免的冷凝水析出問題，相應的也避免了因SO2溶入冷凝水而導致的損失問題，同時也徹底根除了因SO2溶入冷凝水、生成酸水而導致的CEMS酸液腐蝕問題。

參考文獻

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