Nafion除湿技术在“超低排放”CEMS中的应用

谢志勇

（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CEMS样气预处理技术。

关键词：Nafion ；超低排放；CEMS；冷干直抽法

1 背景

2014年5月，国家环保部发布了《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2014）；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（2014-2020）》的通知（发改能源〔2014〕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

脫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45～55℃，烟气的含湿量基本为饱和状态，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系统产生H2O15%和30%及SO2浓度分别为20μmol/mol、50μmol/mol和100μmol/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%的高湿度情况下，Nafion干燥管也可以有效保留SO2[2]。

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<1μm，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℃，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℃至80℃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℃，Nafion管控制温度设置为65℃，系统运行3小时；再将过滤器控制温度设置为90℃，Nafion管控制温度设置为75℃，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℃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。

参考文献

[1]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，2003，（1）：23-26.

[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，2000，（2）：65-70.

[3]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.

[4]王森.在线分析儀器手册[M].北京：化学工业出版社，2008：712-714.

[5]罗伯特E.谢尔曼.过程分析仪样品处理系统技术[M].北京：化学工业出版社，2004：78-80.