煙氣CEMS樣氣除水技術及應用淺析

高煒，徐偉利

（北京雪迪龍科技股份有限公司，北京 102206）

1 引言

煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System，CEMS）一般由采樣探頭管線、樣品處理系統(tǒng)、分析儀表，以及數(shù)據(jù)采集、處理控制及傳輸系統(tǒng)等部分組成。其中樣品處理系統(tǒng)（Sampling Condition System，SCS）的基本功能包括：樣品提取、樣品傳輸、樣品處理、廢流排放等[1]，它的作用是“保證分析儀在最短的滯后時間內(nèi)得到具有代表性的樣品，樣品的狀態(tài)（溫度、壓力、流量和清潔程度）適合分析儀所需要的操作條件”[2]。

煙氣CEMS整體性能的好壞在很大程度上受到樣氣處理系統(tǒng)的影響。如果樣氣處理方式選擇不當或者樣氣處理系統(tǒng)故障，就會對測量結(jié)果的準確性造成較大影響，嚴重時甚至損壞分析儀表。實際應用中不同原理和品牌的氣體分析儀器以及不同的工況條件下需要采取不同的樣氣處理技術，而且日常運行過程中的定期維護和保養(yǎng)也很重要，因此樣氣處理系統(tǒng)的適用性和日常維護的及時性對煙氣CEMS的正常連續(xù)運行起著至關重要的作用，在實際工作中需要高度重視，至少要將樣品預處理系統(tǒng)放在和分析儀同等重要的位置來考慮[2]。

冷干法作為國內(nèi)煙氣CEMS的主流方法，具有干基測量符合環(huán)保要求、適應范圍廣、響應快、性價比高等諸多優(yōu)勢。冷干法煙氣CEMS的樣氣處理系統(tǒng)一般包括：除塵、除水、流量調(diào)節(jié)、樣品抽取、去除干擾組分等功能單元，最終需保證樣氣的真實性，即樣氣的成分及含量不發(fā)生變化，并能滿足分析儀所需的樣氣條件，進而保證必要的檢測準確度[3]。其采用的樣氣除水技術種類較多，相對復雜，且應用較為廣泛。鑒于上述原因，筆者對目前國內(nèi)市場上典型的煙氣CEMS樣氣除水技術及其應用進行了歸納總結(jié)和比較分析，提出了建議。

2 樣氣典型除水技術

2.1 壓縮冷凝除水

2.1.1 原理

如圖1所示，壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥之間用管道依次連接，形成一個密閉的卡諾循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化，與外界進行熱量交換，從而達到制冷的目的。具體而言：制冷劑蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮后在冷凝器中液化并放出熱量，再進入干燥器脫除可能夾帶的水分；毛細管的作用是產(chǎn)生一定的節(jié)流壓差，保持入口前制冷劑的受壓液化狀態(tài)，并使其在出口釋放壓力而膨脹汽化；制冷劑在汽化器中充分汽化并大量吸熱，使與之交換的樣氣冷卻降溫，從而將其中的水汽冷凝除去。

圖1 壓縮冷凝工作原理

2.1.2 結(jié)構

國內(nèi)某公司研發(fā)的CGC-03B型壓縮冷凝裝置采用機械制冷方式，由制冷壓縮機、熱交換單元（俗稱冷腔）、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、散熱片、風扇、感溫電阻、溫控器等組成。采用綠色環(huán)保制冷劑R600a（異丁烷），對臭氧層完全沒有破壞，并且溫室效應亦非常小。為了防止冷凝液結(jié)冰，通常將制冷溫度控制在2℃～5℃。其壓縮冷凝裝置和熱交換單元見圖2。

圖2 CGC-03B型壓縮冷凝裝置（左）和熱交換單元（右）

2.1.3 特點和應用

壓縮冷凝裝置可長時間連續(xù)運行，具有除水效果較好、啟動快、樣氣露點穩(wěn)定、價格較低等諸多特點。但在冷凝除水的過程中也存在水溶性氣體溶于水的現(xiàn)象，不僅會造成樣氣成分的變換及濃度損失，還會對采樣及預處理管路造成腐蝕。因此僅適用于煙氣污染物濃度較高或者不易溶于水氣體組分的工況。

2.2 半導體制冷除水

2.2.1 原理

半導體制冷器又稱電子冷卻器，其工作原理是基于帕爾帖效應，即當一塊N型半導體（電子型）和一塊P型半導體（空穴型）組成電路且通有電流時，電子從負極出發(fā)，首先經(jīng)過P型半導體，為了掙脫N型半導體晶格的束縛，從接頭處吸收熱量，再到N型半導體，在接頭處發(fā)生復合，并將復合前的動能和勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榻宇^處晶格的熱振動能。每經(jīng)過一個NP模塊（電子-空穴對），就有熱量由一邊被送到另外一邊造成溫差而形成冷熱端。帕爾帖效應所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變。電流越大，接頭處溫差越大[4]。半導體制冷工作原理見圖3。

圖3 半導體制冷工作原理

2.2.2 結(jié)構

基于半導體制冷的除濕裝置是將一個撞擊器（又稱射流熱交換器）裝在吸熱塊中，吸熱塊與帕爾貼元件的冷端連接，帕爾貼元件的熱端由一組散熱片散熱或用風扇將熱量驅(qū)散。通常設定制冷溫度為1℃～2℃。

2.2.3 特點和應用

半導體制冷器結(jié)構簡單、價格較低，不需要任何制冷劑，無需壓縮空氣，使用壽命長。但制冷效果一般，多用在樣氣溫度不高、除水要求不高的非防爆工藝場合和便攜式采樣設備上。

2.3 滲透干燥除水

2.3.1 原理

滲透干燥器（又稱滲透管）由親水性含氟高分子滲透膜材料制成，對水分子具有極強的選擇性和高滲透率，可快速將樣氣中的水分去除。其具體工作過程為：當含水樣氣流經(jīng)高選擇性中空纖維膜管，在滲透膜內(nèi)外濕度差的作用下，將水分子瞬間從膜管內(nèi)轉(zhuǎn)移到膜管外，并被逆向流經(jīng)膜管外的凈化氣帶走，從而連續(xù)得到干燥的樣氣。凈化氣可以采用干潔儀表氣或氮氣，也可以從滲透管出口氣流中引出一旁路作為凈化氣[6]（如圖4所示）。

圖4 SUNSEP滲透干燥原理[6]

2.3.2 特點和應用

滲透干燥器具有構造簡單、除濕能力強、速度快、選擇性好、耐腐蝕、免維護等特點，且在去除水分的同時不影響樣氣中其它氣體組分的完整性（成分和濃度），除濕后樣氣露點穩(wěn)定，可用于防爆區(qū)域。但只能去除氣態(tài)水而不能去除液態(tài)水，且樣氣必須經(jīng)過一定的凈化處理，以確保氣中不含塵、油、腐蝕性氣體、有機溶劑等，同時要求凈化氣露點遠低于樣氣，此外價格較高。多用于高濕度、低濃度煙氣工況條件，尤其在超低排放煙氣CEMS上得到了廣泛應用。

2.4 渦流制冷除水

2.4.1 原理

渦流制冷器又稱渦旋管冷卻器，其核心部件為渦流管，其能將從噴嘴進入的壓縮空氣分離成冷、熱兩個溫度不同的氣流，從而利用冷氣流對樣氣中的水分進行冷凝脫除或者其它設備降溫。渦流管的具體工作過程是：高壓壓縮空氣（或其它高壓惰性氣體）沿切線噴嘴進入渦旋發(fā)生器后膨脹加速，高速旋轉(zhuǎn)的氣流進入圓柱形的渦流管，旋轉(zhuǎn)的氣流在渦旋管內(nèi)沿內(nèi)壁高速向左運動，并在熱端產(chǎn)生能量的分離，外圈壓縮空氣通過調(diào)節(jié)閥以熱空氣的方式泄出，內(nèi)圈氣流受到閥芯的阻擋反向轉(zhuǎn)折向右運動，并向外圈氣流輸出熱量，最終以一個比進入氣體更低的溫度從冷端排出（渦流制冷器原理見圖5）。

2.4.2 結(jié)構

渦流制冷器一般由渦流管、控制閥、冷箱、蠕動泵等組成。壓縮空氣經(jīng)渦流制冷后與樣品氣體完成熱量交換，冷凝液由蠕動泵從旁路泄出。冷凝后的樣氣露點一般可降至-10℃或更低[5]（渦流管如圖6所示）。但在實際使用中，一般設定在1℃～5℃，以防止冷凝液凍結(jié)堵塞管道。SCS-900LS型抽取式氨逃逸連續(xù)測量系統(tǒng)中的機箱冷卻器即是采用了渦流制冷的原理。

圖6 機箱冷卻器

圖5 渦流制冷器原理圖

2.4.3 特點和應用

渦流制冷器結(jié)構簡單、啟動快、維護方便，無需用電和冷媒物質(zhì)，但對氣源要求高（包括壓力和質(zhì)量），耗氣量較大，使用成本較高，故一定程度上限制了其應用，但可用于防爆場合[5]。

2.5 干燥吸附除水

2.5.1 原理

利用干燥劑對水分的吸附特性，將水分從樣氣中分離出來。按照吸附機理又可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附?jīng)]有選擇性，且可逆，所以應當慎用。而化學吸附有一定的選擇性，不可逆，干燥劑吸附飽和后可再生，因此應用較多。常用的干燥劑有分子篩、硅膠及氧化鋁等。

2.5.2 結(jié)構和特點

國內(nèi)研發(fā)的CGC-03S型滲透除濕裝置中采用無熱干燥器對壓縮空氣進行除水，從而為滲透管提供干燥的凈化氣?；谧儔何降脑?，無熱干燥器由電磁閥、計時控制裝置以及兩個相同的干燥劑筒等組成，其中一個筒干燥壓縮空氣的同時，另一個筒進行再生，并由電磁閥控制切換（如圖7所示）。干燥吸附除水技術操作簡便、維護量小，對氣源要求較高（無油、無塵、不含腐蝕性氣體），多用于煙氣CEMS壓縮空氣或零級空氣的干燥除水，但應注意對測量組分不能有吸附作用。圖8為分子篩干燥劑（左起一）。

圖7 無熱干燥器

圖8 吸附干燥劑（左起一）

2.6 膜式過濾除水

2.6.1 原理

膜式過濾器也叫薄膜過濾器、疏水過濾器、阻水過濾器，利用小孔徑濾膜的過濾阻擋作用去除樣氣中的微小液滴。這種方法只能除去液態(tài)的水，而不能去除氣態(tài)的水，即氣體通過膜式過濾器后露點不會降低[5]。

2.6.2 結(jié)構和特點

膜式過濾器的過濾元件是一種微孔薄膜，多為聚四氟乙烯材質(zhì)，過濾孔徑最小可達0.01μm，有的也采用0.22μm醋酸纖維素膜。膜式過濾器結(jié)構簡單，維護方便，可去除少量微小液滴和顆粒物，多與其它除水技術配合使用，安裝于煙氣CEMS分析儀表的入口，起到進一步除水和保護儀表的作用（膜式過濾器結(jié)構見圖9，膜式過濾器見圖10）。

圖9 膜式過濾器結(jié)構

圖10 膜式過濾器

3 幾種除水技術的比較（見下表）

4 結(jié)論與建議

樣氣處理系統(tǒng)的適用性和日常維護的及時性對煙氣CEMS的正常連續(xù)運行起著至關重要的作用，實際工作中需要高度重視。冷干法作為國內(nèi)煙氣CEMS的主流方法，其采用的樣氣除水技術種類較多，相對復雜，且應用較為廣泛。任何一種樣氣除水技術均有其優(yōu)缺點和適用范圍，實際應用中應根據(jù)現(xiàn)場工況、污染物特征和環(huán)保要求進行合理選擇，并在后期的運行過程中定期加以維護，方可有效保障煙氣CEMS的連續(xù)正常運行。

幾種煙氣CEMS除水技術比較表

針對現(xiàn)場實際應用，提出如下建議：1）為了減少冷凝除水過程中某些酸性氣體（如SO2）溶于水現(xiàn)象的發(fā)生，可在冷凝器前端增加磷酸滴定裝置。磷酸濃度及滴定速率可根據(jù)現(xiàn)場工況條件進行調(diào)節(jié)；2）為了保證滲透除水效果，樣氣必須經(jīng)過一定的前處理，以確保樣氣中不含液態(tài)水、塵、油、腐蝕性氣體、有機溶劑等，同時要求凈化氣露點遠低于樣氣。

[1] 高喜奎.在線分析系統(tǒng)工程技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2014：364-367.

[2] 王森.在線分析儀器手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008：90-98.

[3] 金義忠，曹以剛，楊支明，等.樣氣處理系統(tǒng)技術應用及發(fā)展綜論[J].分析儀器，2008 （6）：46-53.

[4] 易江，梁永，李虹杰.固定源排放廢氣連續(xù)自動監(jiān)測（第二版）[M].北京：中國標準出版社，2010：192-194.

[5] 王強，楊凱.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）監(jiān)測技術及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2015：53-61.

[6] AGC ENGINEERING CO., LTD.. Advanced Technology Friendly to Enviroment：sunsepTM Principle of water vapor permeation [EB/OL]. http://www.agec.co.jp/e/en_genri.htm.