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摘 要：燃煤电厂在大力推广“超低排放”的同时，对CEMS气态污染物监测系统中低量程SO2和 NOx在低温、高湿度烟气条件下的监测提出了极为苛刻的要求。本文提出了一种通过GASS预处理器在电厂冷干直抽法CEMS中的应用方法，解决了预处理系统中“除湿”的难题。
关键词：GASS预处理系统;冷干直抽法;CEMS;超低排放;Nafion干燥管
1.引言
“雾霾”是近几年中国使用频率非常高的词汇，促进了环保理念在民众中的觉醒与普及。同时，国家对大气污染治理日趋严格。众所周知，化石燃料的燃烧是雾霾的主要来源，而占全国每年40亿吨煤炭一半的燃煤电厂，则是减排的严控对象。
2014年9月，发改委、环保部和能源局分布了发改能源（2014）2093号文，制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》，提出了燃煤机组 “超低排放”的要求和时间表。
随着“超低排放”限值的实施，对环保设施稳定运行的要求越来越高;同样做为连续监测烟气排放系统（CEMS），其测量的准确性、可靠性、真实性和稳定性也被提到更高的层面上来。目前普遍采用的高量程的烟气连续监测系统难以支撑“超低排放”监测数据的准确性，尤其是监测SO2和NOx的气态污染物监测子系统。
国内常用的CEMS气态污染物监测子系统，按技术分类可包含稀释抽取法、冷干直抽法及热湿直抽法等。但是从系统稳定性、成本、系统普及性等方面考虑，在解决低量程分析仪表的前提下，采用现存的冷干直抽法还是较好的选择。典型的冷干直接抽取法取样和预处理部分包括取样探头、取样伴热管线、过滤、除湿系统和取样泵等部分，其目的是给分析仪器提供连续的洁净、干燥、常温样气，确保分析仪长期连续稳定、准确可靠、低维护地协调运行，并延长其使用寿命。冷干直抽法CEMS预处理系统的最重要目的就是除湿。烟气在冷凝时会产生冷凝水 （一般热电厂的水含量为 8～15%）。但如果伴热管线加热效果下降，有冷凝水析出;或冷凝器制冷效果不理想，样气中的水份没有被分离而析出;或冷却仪的冷凝水蠕动泵管老化，使得冷凝水不能及时排出而被样气携带进入后续管道或仪器。如图1所示为SO2在不同温度下的溶解度曲线，从图1可知，随着温度的降低，SO2在水中的溶解度上升，也就是说，SO2在冷凝水中的溶解度升高，损失率升高。不同湿度情况下SO2的损失率曲线如图2所示，表明湿度越高，冷凝水析出的越多;而SO2浓度越低，损失比率也会越高。那么，可以确认：在高湿度 （45～50℃超饱和水汽 ）、低量程SO2 （SO2<35mg/Nm3）情况下，SO2的损失率会非常高，在很多情况下都发生了测不出的现象。
本文介绍一种适用于冷干直抽法的预处理方式，那就是采用 Nafion干燥管，通过 Nafion膜选择性气态除湿的方式来彻底解决冷凝水析出的问题，同时保留烟气中低量程的SO2、NOx和 O2，确保分析的精度和准确性。
2. GASS预处理器的介绍
2.1 Nafion干燥管
Nafion是聚四氟乙烯、全氟二环氧和甲基癸烯的共聚物。Nafion管中气态水的迁移是以其对磺酸基的化学亲和力为基础的，而不是基于气体分子的大小来迁移的。由于磺酸基具有很高的亲水性，所以Nafion管壁吸收的水份，会从一个磺酸基向另一个磺酸基传递，直到最终到达另外一侧的管壁，而水份全部蒸发到干燥的反吹气中被带走，这一现象称为过蒸发。
Nafion管除湿的驱动力是管内外的水汽压力梯度，即湿度差，而非压力差或温度差。Nafion管在连续的除湿过程中，完全保留烟气中的SO2、SO3、NO、NO2、HCl、HF、O2、 CO、CO2等待测气体，即只选择性的去除烟气中的水份。
和所有传统的样气除湿处理部件相比，Nafion管是唯一具有在气态情况下去除水分而保持待测烟气组分不流失这一獨特优点的技术。Nafion的其它诸多优点，如反应快速 （<0.1秒）、耐温、耐压、选择性好、过程简单、体积小巧，没有可拆分的零部件，一般无需维护以及无能耗等。以上突出优点和特性是对各种传统样气冷凝技术的极大突破和超越。
为确保Nafion管平稳、高效除湿，必须保证：对样气和反吹气体进行除油、除尘;提高Nafion管的运行温度，保证其高压烟气露点温度，确保无液态水析出;采用干燥的反吹气，连续的对 Nafion管进行反吹，以去除烟气中的水汽。
2.2 解决方案
结合Nafion管的优点和局限性，并结合冷干直取法CEMS预处理技术，美国博纯公司研发出了一种创新的样气预处理器-GASS，将取样、除尘、除油除酸雾、Nafion管气态除湿和酸性气态在线露点监测等技术有机的融合起来，为冷干直抽法CEMS在“超低排放”的应用拓宽了一条方便和经济之路。
外壳内有两个温度控制区。在第一个温控区内（见标红的高温区），整体区域的温度可以控制在 90～95℃，确保烟气在这个区域内没有冷凝发生。经过一次过滤的高温烟气 （在高温取样探头内，为一次过滤器），进入凝聚微粒过滤器 （二次过滤器），将微粒杂质降低到 0.1?m，若含有酸雾，也能在此凝聚并自动排除。
在高温区内，样气经过独有的Nafion干燥器。为了更好地去除水分，干燥器被加热至样气的露点温度之上以防出现冷凝，最高控制温度为95℃，保证在烟气的露点温度以上，无任何冷凝水析出。
在第二个温度控制区内（图中的常温区 ），样气经过剩余的部分干燥器，将露点进一步降低，根据所选干燥器模型及样气流速的不同，最低可达到‐45℃（建议控制处理后烟气露点为 0～‐5℃）。除此之外，还可以在此部分选择安装反吹气所需的其他附件，如取样泵或吹扫气干燥器。该控制区在常温下运行，以保证这些控制器及附件不会过热。
2.3 安装 建议将GASS预处理器直接原位安放在烟道旁，距离取样探头越近越好。GASS预处理器内有 PLC系统控制过滤器温度及反吹时间，以及高温区的背板加热及 Nafion管在高温区的单独加热。这样，烟气从烟道中被抽取出来后立即进行除尘、除湿的预处理，在确保分析的完整性的同时，还可以节省昂贵的加热管线及维护量大的冷凝器，还能节省校准时间和标气。只需要提供 220V电源和 0.6～0.8MPa无油、无颗粒物的压缩空气即可。安装方便简单，维护量低。
3.现场应用和结论
3.1 现场应用
在浙能嘉兴发电厂8号机WESP（湿法电除尘）出口处的CEMS高温探头旁，安装了GASS预处理器。经西安热工院、浙能技术研究院、国家环境监测总站等单位对8号机烟气抽样监测，得到机组在满负荷时烟囱总排口主要烟气污染物排放数据：烟尘 2.12mg/Nm3， SO2 17.47mg/Nm3，NOx 38.94mg/Nm3，该“超低排放”系统完全达到了天然气燃气轮机组的排放标准。
从图5可知，在27%的高湿度、低于41.9ppm（119.8mg/Nm3）SO2情況下（最低时SO2浓度为 0），经GASS预处理器除湿后，电化学分析仪的分析结果就可以和全高温 FTIR结果及变化趋势完全吻合，说明GASS预处理器在除湿的过程中，基本保留了目标监测气体SO2。经GASS预处理器处理后，烟气的露点温度始终低于‐10℃（含水量约为 2，000mg/Nm3），彻底避免了冷凝水问题的发生，确保了分析仪的稳定运行。
GASS预处理器在嘉兴发电厂使用了5个月，基本没有额外的维护工作，系统运行稳定。
3.2 结论
如果在烟道原位安装GASS预处理器，就可以将“超低排放”烟气中低温、高湿度烟气中的大部分水汽在气态下可去除，处理后烟气的露点可确保在 0℃（4，518mg/Nm3）以下。相比采用冷凝器势必产生冷凝水的传统冷干直抽法CEMS，以 Nafion干燥管为核心，融合Baldwin其它辅助技术的GASS预处理器，则能够在只提供220V电源和0.6～0.8MPa压缩空气的条件下，在烟道取样处原位处理CEMS烟气，处理后的烟气可保证颗粒物<0.1um，且露点低于 0℃，可彻底解决冷凝法冷干直抽法CEMS不可避免的冷凝水析出问题，相应的也避免了因SO2溶入冷凝水而导致的损失问题，同时也彻底根除了因SO2溶入冷凝水、生成酸水而导致的CEMS酸液腐蚀问题。
参考文献
[1]杨凯，周刚，王强等，烟尘烟气连续自动监测系统技术现状和发展趋势[J]，中国环境监测，26（5）：18‐26，2010.
[2]金义忠，夏黎明，在线分析样气除湿新技术的应用研究[J]，分析仪器，2：65‐70，2010.
[3]陈莹，章曙，刘德允，冷‐干直接抽取法CEMS冷凝器的选型[J]，中国环保产业，5：48‐7051，2010.
[4]汪淑华，郇延富等，Nafion干燥器的去溶机理和日常维护[J]，分析仪器，1：23‐26，2003.
[5]李大鹏，CEMS设备在“近零排放”下的选型分析[J]，中国电机工程学会环境保护专业委员会年会论文集：107‐110，2014.
[6]石爱军，马俊文等，低浓度SO2和NOx自动监测系统性能评价方法[J]，环境监测管理与技术，26（1）：9‐13，2014.
关键词：GASS预处理系统;冷干直抽法;CEMS;超低排放;Nafion干燥管
1.引言
“雾霾”是近几年中国使用频率非常高的词汇，促进了环保理念在民众中的觉醒与普及。同时，国家对大气污染治理日趋严格。众所周知，化石燃料的燃烧是雾霾的主要来源，而占全国每年40亿吨煤炭一半的燃煤电厂，则是减排的严控对象。
2014年9月，发改委、环保部和能源局分布了发改能源（2014）2093号文，制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》，提出了燃煤机组 “超低排放”的要求和时间表。
随着“超低排放”限值的实施，对环保设施稳定运行的要求越来越高;同样做为连续监测烟气排放系统（CEMS），其测量的准确性、可靠性、真实性和稳定性也被提到更高的层面上来。目前普遍采用的高量程的烟气连续监测系统难以支撑“超低排放”监测数据的准确性，尤其是监测SO2和NOx的气态污染物监测子系统。
国内常用的CEMS气态污染物监测子系统，按技术分类可包含稀释抽取法、冷干直抽法及热湿直抽法等。但是从系统稳定性、成本、系统普及性等方面考虑，在解决低量程分析仪表的前提下，采用现存的冷干直抽法还是较好的选择。典型的冷干直接抽取法取样和预处理部分包括取样探头、取样伴热管线、过滤、除湿系统和取样泵等部分，其目的是给分析仪器提供连续的洁净、干燥、常温样气，确保分析仪长期连续稳定、准确可靠、低维护地协调运行，并延长其使用寿命。冷干直抽法CEMS预处理系统的最重要目的就是除湿。烟气在冷凝时会产生冷凝水 （一般热电厂的水含量为 8～15%）。但如果伴热管线加热效果下降，有冷凝水析出;或冷凝器制冷效果不理想，样气中的水份没有被分离而析出;或冷却仪的冷凝水蠕动泵管老化，使得冷凝水不能及时排出而被样气携带进入后续管道或仪器。如图1所示为SO2在不同温度下的溶解度曲线，从图1可知，随着温度的降低，SO2在水中的溶解度上升，也就是说，SO2在冷凝水中的溶解度升高，损失率升高。不同湿度情况下SO2的损失率曲线如图2所示，表明湿度越高，冷凝水析出的越多;而SO2浓度越低，损失比率也会越高。那么，可以确认：在高湿度 （45～50℃超饱和水汽 ）、低量程SO2 （SO2<35mg/Nm3）情况下，SO2的损失率会非常高，在很多情况下都发生了测不出的现象。
本文介绍一种适用于冷干直抽法的预处理方式，那就是采用 Nafion干燥管，通过 Nafion膜选择性气态除湿的方式来彻底解决冷凝水析出的问题，同时保留烟气中低量程的SO2、NOx和 O2，确保分析的精度和准确性。
2. GASS预处理器的介绍
2.1 Nafion干燥管
Nafion是聚四氟乙烯、全氟二环氧和甲基癸烯的共聚物。Nafion管中气态水的迁移是以其对磺酸基的化学亲和力为基础的，而不是基于气体分子的大小来迁移的。由于磺酸基具有很高的亲水性，所以Nafion管壁吸收的水份，会从一个磺酸基向另一个磺酸基传递，直到最终到达另外一侧的管壁，而水份全部蒸发到干燥的反吹气中被带走，这一现象称为过蒸发。
Nafion管除湿的驱动力是管内外的水汽压力梯度，即湿度差，而非压力差或温度差。Nafion管在连续的除湿过程中，完全保留烟气中的SO2、SO3、NO、NO2、HCl、HF、O2、 CO、CO2等待测气体，即只选择性的去除烟气中的水份。
和所有传统的样气除湿处理部件相比，Nafion管是唯一具有在气态情况下去除水分而保持待测烟气组分不流失这一獨特优点的技术。Nafion的其它诸多优点，如反应快速 （<0.1秒）、耐温、耐压、选择性好、过程简单、体积小巧，没有可拆分的零部件，一般无需维护以及无能耗等。以上突出优点和特性是对各种传统样气冷凝技术的极大突破和超越。
为确保Nafion管平稳、高效除湿，必须保证：对样气和反吹气体进行除油、除尘;提高Nafion管的运行温度，保证其高压烟气露点温度，确保无液态水析出;采用干燥的反吹气，连续的对 Nafion管进行反吹，以去除烟气中的水汽。
2.2 解决方案
结合Nafion管的优点和局限性，并结合冷干直取法CEMS预处理技术，美国博纯公司研发出了一种创新的样气预处理器-GASS，将取样、除尘、除油除酸雾、Nafion管气态除湿和酸性气态在线露点监测等技术有机的融合起来，为冷干直抽法CEMS在“超低排放”的应用拓宽了一条方便和经济之路。
外壳内有两个温度控制区。在第一个温控区内（见标红的高温区），整体区域的温度可以控制在 90～95℃，确保烟气在这个区域内没有冷凝发生。经过一次过滤的高温烟气 （在高温取样探头内，为一次过滤器），进入凝聚微粒过滤器 （二次过滤器），将微粒杂质降低到 0.1?m，若含有酸雾，也能在此凝聚并自动排除。
在高温区内，样气经过独有的Nafion干燥器。为了更好地去除水分，干燥器被加热至样气的露点温度之上以防出现冷凝，最高控制温度为95℃，保证在烟气的露点温度以上，无任何冷凝水析出。
在第二个温度控制区内（图中的常温区 ），样气经过剩余的部分干燥器，将露点进一步降低，根据所选干燥器模型及样气流速的不同，最低可达到‐45℃（建议控制处理后烟气露点为 0～‐5℃）。除此之外，还可以在此部分选择安装反吹气所需的其他附件，如取样泵或吹扫气干燥器。该控制区在常温下运行，以保证这些控制器及附件不会过热。
2.3 安装 建议将GASS预处理器直接原位安放在烟道旁，距离取样探头越近越好。GASS预处理器内有 PLC系统控制过滤器温度及反吹时间，以及高温区的背板加热及 Nafion管在高温区的单独加热。这样，烟气从烟道中被抽取出来后立即进行除尘、除湿的预处理，在确保分析的完整性的同时，还可以节省昂贵的加热管线及维护量大的冷凝器，还能节省校准时间和标气。只需要提供 220V电源和 0.6～0.8MPa无油、无颗粒物的压缩空气即可。安装方便简单，维护量低。
3.现场应用和结论
3.1 现场应用
在浙能嘉兴发电厂8号机WESP（湿法电除尘）出口处的CEMS高温探头旁，安装了GASS预处理器。经西安热工院、浙能技术研究院、国家环境监测总站等单位对8号机烟气抽样监测，得到机组在满负荷时烟囱总排口主要烟气污染物排放数据：烟尘 2.12mg/Nm3， SO2 17.47mg/Nm3，NOx 38.94mg/Nm3，该“超低排放”系统完全达到了天然气燃气轮机组的排放标准。
从图5可知，在27%的高湿度、低于41.9ppm（119.8mg/Nm3）SO2情況下（最低时SO2浓度为 0），经GASS预处理器除湿后，电化学分析仪的分析结果就可以和全高温 FTIR结果及变化趋势完全吻合，说明GASS预处理器在除湿的过程中，基本保留了目标监测气体SO2。经GASS预处理器处理后，烟气的露点温度始终低于‐10℃（含水量约为 2，000mg/Nm3），彻底避免了冷凝水问题的发生，确保了分析仪的稳定运行。
GASS预处理器在嘉兴发电厂使用了5个月，基本没有额外的维护工作，系统运行稳定。
3.2 结论
如果在烟道原位安装GASS预处理器，就可以将“超低排放”烟气中低温、高湿度烟气中的大部分水汽在气态下可去除，处理后烟气的露点可确保在 0℃（4，518mg/Nm3）以下。相比采用冷凝器势必产生冷凝水的传统冷干直抽法CEMS，以 Nafion干燥管为核心，融合Baldwin其它辅助技术的GASS预处理器，则能够在只提供220V电源和0.6～0.8MPa压缩空气的条件下，在烟道取样处原位处理CEMS烟气，处理后的烟气可保证颗粒物<0.1um，且露点低于 0℃，可彻底解决冷凝法冷干直抽法CEMS不可避免的冷凝水析出问题，相应的也避免了因SO2溶入冷凝水而导致的损失问题，同时也彻底根除了因SO2溶入冷凝水、生成酸水而导致的CEMS酸液腐蚀问题。
参考文献
[1]杨凯，周刚，王强等，烟尘烟气连续自动监测系统技术现状和发展趋势[J]，中国环境监测，26（5）：18‐26，2010.
[2]金义忠，夏黎明，在线分析样气除湿新技术的应用研究[J]，分析仪器，2：65‐70，2010.
[3]陈莹，章曙，刘德允，冷‐干直接抽取法CEMS冷凝器的选型[J]，中国环保产业，5：48‐7051，2010.
[4]汪淑华，郇延富等，Nafion干燥器的去溶机理和日常维护[J]，分析仪器，1：23‐26，2003.
[5]李大鹏，CEMS设备在“近零排放”下的选型分析[J]，中国电机工程学会环境保护专业委员会年会论文集：107‐110，2014.
[6]石爱军，马俊文等，低浓度SO2和NOx自动监测系统性能评价方法[J]，环境监测管理与技术，26（1）：9‐13，2014.