基于Nafion管干燥技術的研究和應用初探

杭建東

摘要：燃煤電廠在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出現了測量不準、壽命不高等問題。本文提出的采用Nafion干燥管技術，憑借其獨特的氣態膜除濕、保留目標氣態的特點，為冷干直抽法CEMS 拓寬了一條原位預處理的路徑。Nafion管在連續的除濕過程中，完全保留煙氣中的待測氣體，同時Nafion管類似于Teflon，具有極強的耐酸性腐蝕能力。

關鍵詞：Nafion管;樣氣分析;原位冷干直抽法

一、背景

火電廠的煙氣連續排放監測系統（CEMS）最令人頭疼的是氣體采樣中存有大量的氣體塵埃、腐蝕性和潮濕的氣體。目前火電CEMS系統預處理通用的做法是采用過濾、取樣管線加熱和壓縮機冷凝， 其常常表現出的問題有：采樣探頭堵塞、采樣管路漏氣、采樣泵流量降低、冷凝器除濕效率降低、冷凝器排水蠕動泵損壞、過濾元部件失效、銨鹽結晶等。為了有效去除樣氣中的酸霧、氣溶膠及氨氣，選擇性去除樣氣中的氣體水份，同時保留需要監測的目標氣體，例如SO2、NO、O2、HCL和HF等，我們重新選擇了一種新的Nafion管干燥材料，來解決以上的除濕難題。

二、Nafion 管及其機理

Nafion是聚四氟乙烯（Teflon?）和全氟-3，6-二環氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物。Nafion管中氣態水的遷移以其對磺酸基的化學親和力為基礎，與氣體分子的大小無關。磺酸基具有很高的親水性，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，水份蒸發到干燥的反吹氣中被帶走，這一現象稱為過蒸發（Pervaporation）。

Nafion 管的機理有：

· PTFE 骨架

· 具有磺酸基側鏈

· 極強的化學親水性

· 基于氣態水梯度差的水分轉移機理

Nafion管除濕過程如圖1所示，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。即使Nafion管內壓力低于其周圍的壓力，Nafion管照樣能對樣氣進行干燥。只要管內外濕度差存在，水蒸氣的遷移就始終進行，因此需要干燥、潔凈、連續的反吹氣（空氣或氮氣）在Nafion管的外側反吹，通常反吹氣流量為濕煙氣流速的兩倍。

三、fion 管的實驗室測試

1、Nafion管干燥和電熱冷凝器的測試比較

在實驗室用濕熱發生系統產生H2O 15%和30%及SO2濃度分別為20μmol/mol、50μmol/mol和100μmol/mol的試驗氣體，分別通過電熱冷卻器干燥系統和Nafion管干燥器后，用UV和FTIR分光計檢測。

試驗結果表明，采用冷凝器除濕比采用Nafion管干燥器的SO2的流失率較大;就算是30%的高濕度情況下，Nafion干燥管也可以有效保留SO2。

2、Nafion干燥和其它多種冷凝方式的比較

2020年6月，在南京進行了針對高濕度、低量程SO2的試驗，試驗采用了安裝有Nafion干燥管的GASS樣氣處理系統，試驗結果見表2（SO2標準配置濃度：500ppm;煙氣溫度：120℃） 。

試驗結果表明：在高濕度的情況下，經GASS樣氣處理系統處理后，相比起其它冷凝方式，SO2的流失率較低，最高為10%濕度時的3.2%。而在27%濕度條件時，SO2的流失率僅為0.8%。當進氣煙氣水含量為27%時，經過GASS樣氣處理系統處理后，煙氣出口露點< -12℃（含水量2，150mg/Nm3），大大優于樣氣露點 < 0℃的要求。

三、Nafion 管的優缺點

通過多次試驗表明，和所有傳統的樣氣除濕處理部件相比，Nafion管是唯一具有氣態除濕并保持待測煙氣組分不流失優點的獨特技術。除外，Nafion還具有其它諸多優點，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。

但是，Nafion 管在使用中也有其局限性：1. 不能有大量顆粒污染物或油類聚集。通常建議Nafion管前的過濾濾徑<1μm，否則顆粒物會聚集在Nafion 管的表面，影響其除濕效果;另外，不能有油，否則一樣會污染Nafion 管表面;2. 干燥過程中不能有液態水，否則Nafion 發生的自催化反應會導致Nafion 管變冷，從而失去干燥功能;3. Nafion 管應避免和氨氣接觸，因為氨氣會導致Nafion 管不可逆的破壞。

四、應用初探

為了保證 Nafion管的平穩高效除濕，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;采用除氨器去除煙氣中的氨氣，確保 Nafion不和氨氣接觸。

申能漕涇發電廠CEMS系統中，原來采用傳統的冷干直抽法技術進行預處理，即采用高溫伴熱管+冷凝器除濕的辦法。該方法不僅測量不準確，存在成分丟失的現象，而且長期使用后發現測量傳感器存在嚴重的堵塞和腐蝕現象。

后來該廠經過了設備改造，使用了原位冷干直抽法進行處理，即系統采用Nafion管除濕，并內置除氨器、可去除酸霧的絮凝過濾器，因此不需要高溫伴熱管和冷凝器。既保留了分析氣體的成分 ，而且還提高了測量傳感器的使用壽命。

五、總結

與所有現存技術相比，應用了Nafion干燥技術的干燥器和加濕器都具有更高的選擇性，在干燥過程中可以有選擇地完整保留工藝樣氣中的待測氣體。具體匯總如下：

（1）樣氣能夠干燥至露點-45℃或加濕至100%RH;

（2）水分轉移迅速完成，短至幾分之一秒;

（3）全運行過程連續且自我再生;

（4）設備具備極強的耐腐蝕性;

（5）干燥及加濕過程無需使用電源，適用于高防爆等級的危險區域;

（6）無需任何冷凝處理，無水溶損失，增加Nafion干燥管的數量和長度可以適應不同的樣氣測量的要求。

參考文獻：

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