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1、Nafion 除湿技*在“超低排放CEMS 中的应用(大唐长春第二热电有限责任公司)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。如何整改或升级 现有的冷干直抽法CEMS，并使其适用于“超低排放”限值， 极具经济和社会效益。Nafion干燥管凭借其独特的气态膜除 湿、保留目标气态的特点，为冷干直抽法CEMS拓宽了一条原 位预处理的路径。而以Nafion管为核心的雪迪龙GZ-C3反渗 透干燥器，可彻底解决冷干直抽法CEMS中冷凝水析出和低量 程SO2溶于冷凝水的问题，是一种创新的冷干直取法CE
2、MS样 气预处理技术。关键词：Nafion ；超低排放；CEMS；冷干直抽法1背景20_年5月，国家环保部发布了锅炉大气污染物排放标 准(GB13271-20_)； 9月国家发改委、环保部以及国家能 源局下发了关于印发煤电节能减排升级与改造行动计划 (20-20)的通知(发改能源20_2093号)，要求 东部地区、中部地区、西部地区新建和在役燃煤发电机组大气 污染物排放浓度基本达到或接近达到燃气轮机机组排放限值 （即在基准氧含量6%条件下，氮氧化物、二氧化硫、烟尘排 放浓度分别不高于50、35、10毫克/立方米）。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，大量的工程应用以
3、及实验室反复测试表明，超低 排放改造后，如果不能在烟气进入氮氧化物、二氧化硫的测量 仪表前除去烟气中的水分，将严重影响CEMS系统测量的准确 性、真实性和稳定性。针对上述情况，本文介绍了通过Nafion除湿技术在“超 低排放”CEMS中的应用，消除了气体组分中水汽对测量的干 扰，保证了仪器准确性、真实性和稳定性。2超低排放改造后冷干直抽法CEMS对预处理技术的挑战脱硫系统由于涉及建设周期、建设成本和运行成本，目前 中国几乎所有的脱硫系统都没有通过GGH进行脱水。为了达到 “超低排放”的目的，燃煤电厂普遍采用高效脱硫或湿法电除 尘等环保技术，烟气的温度一般为4555笆，烟气的含湿量 基本为饱和状
4、态，甚至存在水雾或液滴的超饱和现象。对于在 这种工况下分析SO2来说显得非常的困难，水分容易对测量 SO2的分析仪产生干扰，在对样气进行冷凝除水时很难做到把 水分完全脱离干净，这样就会残余一部分的水分，容易产生极 大的测量误差。如果在气体除水测量之前没有处理好，SO2成 分很可能在除水过程中就随着水分丢失了，这是造成测量误差 的主要原因。燃煤电厂现用的CEMS，超过90%均为冷干直抽法。冷干直 抽法CEMS的分析仪普遍采用红外吸收光谱法，烟气中含水会 对SO2的测量产生影响。特别是超低排放改造后，烟气中的 SO2含量低到35mg/Nm3以下时，烟气中的水汽会对低量程红 外分析仪的检测精度造成很
5、大影响，必须尽量除去烟气中的水 汽，否则还会造成分析仪的气室腐蚀。超低排放改造后，如何 将现存的冷干直抽法CEMS，通过改造而适用于“超低排放” 改造后的烟气在线检测，是一个非常值得研究的技术课题。3超低排放改造后冷干直抽法CEMS的应对之道 Nafion干燥管除湿法。采用Nafion干燥管，通过Nafion膜选择性气态除湿的方 式不会有冷凝水析出，真实保留烟气中的SO2、NOX和O2组 分含量，确保分析的准确度。Nafion是聚四氟乙烯和全氟-3，6-二环氧-4-甲基-7-癸 烯-硫酸的共聚物。Nafion管中气态水的迁移以其对磺酸基的 化学亲和力为基础，与气体分子的大小无关。磺酸基具有很高
6、 的亲水性，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，水份蒸发到干 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。即使Nafion管内压力低于其 周围的压力，Nafion管照样能对样气进行干燥。只要管内外 湿度差存在，水蒸气的迁移就始终进行，因此需要干燥、洁 净、连续的反吹气（空气或氮气）在Nafion管的外侧反吹， 通常反吹气流量为湿烟气流速的两倍1。由于Nafion干燥管没有机械运动部件，气态除湿且无冷 凝水析出，所以比常见的冷凝器有许多优点。在实验室用湿热 发生
7、系统产生H2O15%和30%及SO2浓度分别为20mol/mol、 50mol/mol和100mol/mol的试验气体，分别通过电热冷 却器干燥系统和Nafion管干燥器后，用UV和FTIR分光计检 测，结果采用冷凝器除湿比采用Nafion管干燥器的SO2的流 失率大；就算是30%的高凛度情况下，Nafion干燥管也可以有 效保留SO22。和所有传统的样气除湿处理部件相比，在连续的除湿过程 中，Nafion管是唯一具有气态除湿并保持待测烟气组分不流 失优点的独特技术3。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
8、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突破和超越4, 5。4 Nafion管在使用中的局限性Nafion管在使用中也有局限：一是必须使用露点很低的 洁净仪表空气或氮气；二是不能有大量颗粒污染物或油类聚 集。通常建议Nafion管前的过滤精度1m,颗粒物聚集在 Nafion管表面，影响除湿效果；三是不能有液态水，否则 Nafion发生的自催化反应会导致Nafion管变冷，从而失去干 燥功能；四是Nafion管应避免和氨气接触，因为氨气会导致 Nafion管不可逆的破坏。为确保Nafion管平稳、高效除湿，样气和反吹气体必须 除油、除尘，并提高Nafion管的运行温度，保
9、证其高于烟气 露点温度，确保无液态水析出。5雪迪龙GZ-C3反渗透干燥器在“超低排放”CEMS中的 应用根据Nafion管的优点和局限性，对于冷干直抽法CEMS 样气处理技术，国内外一些致力于CEMS研发的公司，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”的应用提供了一种全新的整体技术方案。雪迪龙GZ-C3型反渗透干燥器采用Nafion管除湿技术， 在箱体内设计了两个温度区域，第一区域为高温控制区，该区 域内的控制温度为90笆，以保证烟气中的水份不会随着温度 的突然降低而液化析出，经伴热管线来的高温烟气在
10、该区域内 首先经过高效过滤器，将烟气中的大颗粒物、油气等进行过滤 分离，分离出的杂质被过滤器底部的射流泵抽取排出。过滤后 的烟气进入Nafion管进行除水，此处的Nafion管控制温度在 70笆至80笆之间，保证管壁上没有水滴聚集，进而影响 Nafion管的除水效率。除水后的烟气进入到常温区内进行进 一步的除水、降温。GZ-C3型反渗透干燥器在常温区内还设置了一个小型无热 干燥器，压缩空气经过干燥器进一步除湿后用于Nafion管的 反吹，干燥的反吹气可以保障Nafion管内外的湿度差，提高 除水效率。射流泵和压缩器的调压装置配合可以调节Nafion 管外反吹气的压力处于负压状态，和烟气压力保持
11、平衡。为观察高温区温度设置对二氧化硫测量的影响，某厂在超 低排放改造后的调试初期将高温区内过滤器控制温度设置为 75笆，Nafion管控制温度设置为65笆，系统运行3小时；再 将过滤器控制温度设置为90笆，Nafion管控制温度设置为 75笆，系统再运行3小时。通过前后各3小时的二氧化硫测量 曲线对比可以看出，高温区内温度设置对二氧化硫的测量存在 极大影响，前3个小时的二氧化硫测量数值波动较大，后3个 小时的二氧化硫测量数值较为平稳，因此高温控制区域内的控 制温度设置为90笆较为合理。6结论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干燥管为技术核心的烟气除湿技术，能够彻 底解决传统冷干直抽法CEMS不可避免的冷凝水析出问题，相 应也避免了因SO2溶入冷凝水而导致的损失问题，同时也彻底 根除了因SO2溶入冷凝水导致的CEMS测量仪表的酸液腐蚀问 题。冷干直抽法CEMS经过改造后能够适用于“超低排放”改 造后低浓度SO2的在线监测，可完全满足“超低排放”低温、 高湿、低量程SO2对CEMS中气态污染物监测系统的要求。
