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1、一种创新的冷干直抽法 CEMS 样气预处理 技术的应用研究 李 峰 (美国博纯有限责任公司上海办事处，上海 200051) 摘 要摘 要 样气预处理系统技术是冷干直抽法 CEMS 系统的核心和关键技术。在线样气预处理技术的重点和难点是样气的除湿和除尘处理。不同于传统的冷凝除湿，Nafion 管除湿具有其独特的特点， 是对现有除湿技术的一大补充。 而以 Nafion 管为核心的 GASS 样气预处理系统，则集取样、二次过滤除尘、除酸雾除氨气、Nafion 管干燥为一体，是一种创新的冷干直取法 CEMS 样气预处理技术，可彻底解决冷干直抽法 CEMS 中冷凝水和铵盐结晶问题。 关键词关键词 样气预
2、处理；CEMS；Nafion 管；GASS 系统；除湿；铵盐结晶；除氨；除酸雾 Application Research of An Innovative Cold Dry Directextractive CEMS pretreatment technology. Jeffrey Li (Perma Pure LLC Shanghai Office, Shanghai 200051, China) Abstract: Exhaust sample pretreatment system technology is the core and key technology for cold dr
3、y directextractive CEMS. The key point and difficulty of an online exhaust sample pretreatment technology lies in the dehumidification and dust removal. Unlike traditional condensation dehumidification, Nafion tubing has its unique features in dehumidification and is a major supplement to current ex
4、isting dehumidification technology for CEMS. GASS exhaust sample pretreatment system, with the Nafion tubing being its core, integrating probe, secondary filtration for dust removal, and acid mist removal, ammonia scrubber and Nafion tubing dryer together, is an innovative exhaust sample pretreatmen
5、t technology for cold dry directextractive CEMS, and can entirely solve the problem of condensated water and ammonium salt crystallization occurred in such CEMS systems. Key words: Exhaust pretreatment, CEMS, Nafion tubing, GASS, Dehumidification, Ammonia salt, Ammonia scrubber, Acid mist removal 1.
6、 冷干直抽法 CEMS 对预处理技术的挑战 据不完全统计， 近 5 年来在我国已安装的气态污染物 CEMS 中， 直接抽取法大约占 70%。直接抽取法又可分为冷干直接抽取法和热湿直接抽取法， 我国安装的基本为冷干直接抽取法1。所谓冷干和热湿是针对分析仪而言，分析仪分析的样气为热态(保持烟气在露点温度以上)未除湿的烟气称为热湿抽取法，反之则为冷干抽取法2。 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(除尘)、干燥(除湿)、常温样气，确保分析仪长期连续稳定、准确可靠、少维护地协调运行，并延长其使用寿命3。 冷干直抽
7、法 CEMS 除湿系统的主要作用是将烟气中的水蒸气去除，目前采用最常见的是冷却除湿法。冷却除湿法要求快速将水蒸气冷凝，以防止烟气和冷凝水接触。为避免冷凝水结冰，其冷凝温度大多控制在 35，通常采用的冷却除湿法为电子制冷和压缩机制冷。 预处理系统的一个重要目的就是除湿。烟气在冷凝时会产生冷凝水(一般热电厂的水含量为 6-10%，而垃圾焚烧可能高达 50-90%)4。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，都会造成以下问题： 1.1 冷凝水问题 冷凝水问题是所
8、有冷干直抽法 CEMS 系统最主要的问题之一。 伴热管线通常采用电伴热，目前我国在 CEMS 中所采用的伴热电缆大部分为恒功率型。但伴热管存在电阻丝衰减问题，在使用一定时间后其加热效果会下降；另外，通常伴热管线只连接到 CEMS 小屋内的控制机柜， 但机柜内有部分样气管线没有伴热， 非常容易发生冷凝，笔者观察过不少 CEMS 系统，均发现这一段样气管线内有明显的冷凝水滴析出。 关于冷凝器， 必须说明的是： 样气温度和样气湿度(或者说是样气露点)显然是不同的两个概念。常见冷凝器样气输出的技术指标，例如 1-5，事实上温度显示仪显示的是热交换器温度监测点处的温度， 和出口样气温度是存在差异的。 例
9、如冷凝器工作是在正压或是负压，样气露点就有明显的差别。将出口样气显示温度当作出口样气露点，是技术上的误解5-9。 就算是冷凝器显示出口温度为 4，仍然存在冷凝水析出问题。笔者观察过不少 CEMS系统， 发现不少冷凝器后至分析仪间样气管线内有明显的冷凝水滴析出， 或因蠕动泵排水问题而造成样气携带冷凝水进入分析仪的情况。 烟气中被测易溶性气体，例如 SO2、HCl 等，会溶于冷凝水而生成相应的酸，从而导致目标酸性气体的浓度测量值比实际值低，或发生完全测不出的问题。通过相关研究可知：含SO2烟气通过一定量冷凝水后, 烟气中 SO2的一部分总要被溶解吸收, 表现在测量系统的当量响应时间从数分钟延长到数
10、十分钟, 测量误差严重扩展；特别是测量 SO2浓度较低且含水量高的烟气时， 测量误差问题尤为严重。 例如在 170ppm SO2， 34.52%水气组成的模拟烟气中，SO2损失高达 60%。 而相应的酸具有较强的腐蚀性，会严重腐蚀分析仪的气室，导致分析仪的损坏，提高了CEMS 系统的维护成本和设备更换成本。 在现有的 CEMS 系统中，通常采用提高伴热温度；增加冷凝器，采用双级制冷；降低冷凝器温度；定期检查、更换蠕动泵管等方式来缓解冷凝水问题。但冷凝水析出的问题是很难避免的，例如 SO2溶入而导致分析误差的问题等10-18。 1.2 气溶胶和铵盐结晶问题 在湿式氨法脱硫中， 存在着氨逃逸和由此
11、导致的亚硫酸铵气溶胶二次污染问题， 而这个气溶胶问题也会发生在现存的 CEMS 中。氨极易挥发，且过量投加(120)， 降低了伴热管线的电力消耗； 其次，使用 Nafion 管干燥技术，样气中的 O2, CO2, CO, N2, NO, NO2, SO2, HCl, HF, H2S 等气态被全部保留下来，保证了在线分析系统检测的精确。目前该系统已平稳运行超过十年。 GASS 2040 自 2010 年用于美国明尼苏达州红翼垃圾焚烧厂(REW WING Steam Plant, Xcel Energy)CEMS 检测系统， 极大的提高了 HCl 和 SO2气体的监测精度， 因此可精确控制脱除 H
12、Cl的石灰用量，每年为该厂节省 20 万美元以上。 3.2 在克劳斯硫回收 CEMS 的应用 GASS 2040自2008年起应用于美国洛杉矶雪佛龙炼油厂(Chevron Products Company, El Segundo)的克劳斯硫回收 CEMS 系统，极大的提高了对烟气中 SO2气体的监测精度，彻底解决了因冷凝水析出而导致的分析误差和对分析仪的腐蚀问题。 GASS 2040 自 2009 年起应用于美国洛杉矶康菲炼油厂(ConocoPhilips Los Angeles Refinery)的克劳斯硫回收 CEMS 系统，极大的提高了对烟气中 SO2气体的监测精度，彻底解决了因冷凝水析
13、出而导致的分析误差和对分析仪的腐蚀问题。 3.3 在电厂的应用 GASS 2040 非常适用于：1. SCR 的 CEMS 系统，除了解决冷凝水和铵盐结晶问题外，GASS系统的“原位处理法”设计，可缩短冷干直抽法 CEMS 的分析滞后时间，且可大幅提高 CEMS的分析精度；2. 湿式氨法脱硫系统 CEMS，可避免 CEMS 系统的“假脱硫”现象，确保目标分析气体的准确监测；3. 低温、高湿且 SO2低含量 FGD 烟气 CEMS，确保 SO2分析的准确性，并完全克服凝结水的问题。 目前电厂相关案例都正在进行中。 4. 结论 4.1 现存直取法 CEMS 存在着冷凝水、气溶胶和铵盐结晶问题，及对
14、于低温、高湿且 SO2低含量烟气的预处理，微量、腐蚀性强、有毒、易溶气体排放的取样预处理的挑战； 4.2 Nafion 管具有耐腐蚀、对样气中的水分具有高选择性去除并完全保留待测气体、快速高效连续脱水能力、无活动部件、免日常维护等特性，非常适用于冷干直抽法 CEMS 的预处理，其局限性可完全予以控制； 4.3 以Nafion管为核心， 并结合Baldwin系列CEMS预处理相关技术而研发出的GASS系统，集取样、除尘除氨、除油除酸雾及 Nafion 管除湿技术于一体，避免了冷凝水的发生，并提前去除了烟气中的氨气，因此非常适用于高湿、低温、低 SO2 含量的 FGD CEMS，微量、高腐蚀性、有
15、毒、易溶气体的 CEMS 预处理。例如垃圾焚烧 CEMS、克劳斯硫回收 CEMS、SCR 的CEMS、湿式氨法脱硫 CEMS、低温、高湿且 SO2低含量的 FGD 烟气 CEMS 等。目前 GASS 2040在国内外有很多成功案例。 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，2010，26(5):18-26. 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，2010，(2):65-70. 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， 2010，(5):48-51.
16、 4 樊保国，祁海鹰 等. 烟气中的凝结水对 SO2浓度测量的影响J. 分析仪器燃烧科学与技术，2002，8(5):454-456. 5 金义忠，曹以刚 等. 样气处理系统技术应用及发展综论J. 分析仪器，2008，(6):46-53. 6 闻路红， 王欣 等. 采样式湿干两步法烟气排放连续监测技术J. 中国仪器仪表， 2009，(1):48-51. 7 张娟妮. 烟气排放连续监测系统常见故障分析及处理J. 煤(增刊)， 2010， (1):79-80. 8 朱珂. 关于烟气在线监测装置 SO2周期性异常的分析与处理J. 自动化博览，2008，(2):62-63. 9 陈晓鹏， 朱丹阳 等. CEMS 日常维护中存在的问题及分析处理J. 江苏机电工程， 2008，27(5):78-80. 10 王森. 在线分析仪器手册M. 北京：化学工业出版社，200
