浅析便携式烟气预处理器技术及在比对监测中的应用比较

计划（2014—2020年）》，提出了燃煤机组“超低排放”的要求和时间表。东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值（即在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10 mg/Nm³、35 mg/Nm³、50 mg/Nm³）。

随着“超低排放”限值的逐步实施，这种低浓度SO²的排放现状，对各级环境监测部门在执行适用性检测、技术验收以及比对监测过程中使用的现场监测系统的灵敏度、检测限、准确度等指标，提出了更高要求。

尽管各级环境监测部门使用的便携式烟气分析仪不断的更新换代，从早期定电位电解法便携式烟气分析仪到现在的非分散红外吸收法（NDIR）便携式烟气分析仪、非分散紫外吸收法（NDUV）便携式分析仪及差分光学吸收法（DOAS）便携式分析仪等。便携式分析仪的SO₂检测量程也从早期的0～1000 ppm到0～200ppm，再到近年来0～50 ppm乃至更低量程，目的都是为了能够在“超低排放”下更好、更稳定准确地测量出烟气中气态污染物的浓度。但常常会遇到在“高湿低硫”的烟气监测中，监测值几乎为零的情况，其主要原因则是便携式预处理器没能减少冷凝液的析出，造成烟气与冷凝液接触，烟气中的SO₂组分被冷凝液吸收而引起。

针对這个问题，本文探讨了两种类型的便携式预处理器结构原理以及在“高湿低硫”烟气比对测试中的应用。

1便携式烟气预处理系统

烟气预处理系统的主要功能就是将烟气在不影响待测物浓度的情况下处理成接近标准气般的高品质气体，以满足分析仪的准确、稳定的分析要求，这主要就是指烟气的除尘和除湿。

便携式烟气预处理系统一般包括过滤器、烟气除湿器、采样泵、蠕动泵和相关的控制部件，其中最为核心的就是除湿器。目前，最常见的就是冷凝器来对烟气除湿，采用的是冷却除湿法；冷凝器控制冷却温度位于2℃～5℃，将烟气中的水蒸气快速冷凝从而脱除水分，达到“除湿”的目的。另一种，独特技术的Nation管进行烟气除湿，采用的是渗透除湿法；Nation管是以磺酸基的化学亲和力为基础，管内外的湿度差为驱动力进行水分子迁移，达到除湿的目的。

2便携式烟气预处理器——冷却除湿法

2.1系统结构

烟气冷却除湿的方法一般分为压缩机制冷和电子制冷两种方式，由于便携式烟气预处理器要求便携的局限性，基本上采用的都是电子制冷器，即半导体制冷器。

如图1中间区域所示，采用冷却除湿的便携式烟气预处理器由除湿器（一级冷凝器/二级冷凝器）、蠕动泵、抽气泵、过滤器和流量计等内部部件，及烟气进出口以及排水口等外部部件构成。

2.2基本原理

半导体制冷是由J.C.A.珀耳帖在1834年发现了热电致冷和致热现象，即温差电效应，由N、P型材料组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象，称这种现象为珀尔帖效应。

通过改变电流的大小即可控制制冷温度，因此电子制冷器具有容易控温、无机械转动部件、无工作噪声、无制冷剂的腐蚀和污染、可小型化等特点应用在便携式烟气预处理器中。

将电子制冷器的冷端与圆柱形薄壁热交换器的外罩上紧密接触，通过制冷器来降低热交换器外壳的温度至设定值，烟气流经热交换器内时被迅速降温，烟气中的水蒸气冷凝，析出冷凝液存于热交换器内的内壁上，并逐渐从内壁上滑落，通过蠕动泵将冷凝液从排水口排出。烟气在通过热交换器后，去除存于烟气中的水蒸气而达到除湿的目的。电子冷凝器除湿后烟气的极限露点约为2℃～5℃。

2.3应用分析

连接便携式采样探头，通电预热，设定冷却温度并待预处理稳定后，将采样探头放入烟道抽取烟气。烟气通过预处理内的取样泵进行抽取，流经采样探头与伴热管线后，进入烟气预处理器进行除湿和除尘，输出干燥洁净的烟气至分析仪进行污染物的浓度分析。

在“超低排放”的实际应用中，脱硫后的烟气露点为45%～65℃。烟气经过高温采样探头和高温伴热管线后进入便携式烟气预处理器，但由于伴热管线的后端至冷凝器入口端的管线没有任何的加温或者保温措施，烟气中的水蒸气会在此段管路内出现冷凝现象，造成SO₂组分被冷凝液吸收。其次，“高湿低硫”的烟气在热交换器内进行冷却除湿的过程中，同样会接触热交换器内壁上析出的冷凝液而引起SO₂组分的损失。研究发现，SO₂组分根据不同条件在电子冷凝器中的丢失率为3%～10%，并随着烟气含水量的增大而增大；而在相同水分含量的烟气中，SO₂组分的丢失率随着SO₂浓度的降低而增大。

此外，由于电子冷凝器本身的局限性，制冷的效果将受到外部环境的影响，当环境温度升高至35℃以上后，其制冷效率将直线降低，这将直接影响烟气的“除湿”效率，会将含有水蒸气的烟气送入分析仪，进而造成污染物浓度的偏差。

3便携式烟气预处理器——Nafion干燥法

3.1系统结构

烟气Nation干燥的方法主要运用Nation管这个核心部件，Nation管内外的湿度差为驱动力进行水分子迁移，进行气态除湿。

如图2中间区域所示，采用Nation干燥的便携式烟气预处理器由烟气干燥管、空气干燥管、抽气泵、过滤器和流量计等内部部件，及烟气进出口以及排水口等外部部件构成。

3.2基本原理

Nation管的干燥原理完全不同于多微孔膜材料，没有物理意义上的小孔，且不会基于气体分子的大小来迁移气体。相反，Nation管中气体的迁移是以其对磺酸基的化学亲和力为基础的。由于磺酸基具有很高的亲水性，所以Nation管壁吸收气态水分子，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，而气态水分子则会被干燥的反吹气带走。

因此，Nation管除湿的驱动力是管内外的湿度差，而非压力差或温度差。即使Nation管内压力低于其周围的压力，Nation管照样能对气体进行干燥。只要管内外湿度差存在，水分子的迁移就始终进行，因此Nation的“除湿”过程，没有任何机械传动，无能量耗损，除湿反应快速等特点应用于便携式烟气预处理器中。

便携式预处理采用了独特的设计方式，使用两根Nation管来创建湿度差来进行烟气干燥。空气干燥管则是抽取环境空气进行干燥，将产生的干燥、洁净空气作为烟气干燥管的反吹气持续地对烟气进行干燥，将Nation管内烟气里的水分子通过管壁迁移至管外，再由反吹气将水分子带走，进而达到“除湿”的目的。Nation管除湿后烟气的露点突破了电子冷凝器的极限，到达0℃乃至-15%烟气露点。

3.3应用分析

便携式Nation干燥预处理器在“超低排放”的应用中，由于采用的是气态除湿将烟气内的水分子迁移走，需要杜绝烟气中水蒸气的冷凝的发生。便携式预处理器内则设立了一个独立的加温区域，通常设定至70%～75℃，烟气干燥管的一半位于此区域，防止在水分子的迁移过程中产生冷凝。

在实际使用中，便携式的高温采样探头和高温伴热管线连接至预处理器的烟气入口，通电预热并稳定后，采样探头伸入烟道内抽取烟气。伴热管线的末端管线虽然没有加温或保温，但是连接在便携式烟气预处理的烟气入口上，位于预处理的独立加温区，这样就防止了此段管线内冷凝水的出现，同时减少了SO₂组分丢失率。另外，其独特的Nation干燥技术在样气管路内不会产生冷凝水，再次大大降低了SO₂组分的丢失率。研究发现，SO₂组分根据不同条件在Nation干燥管中的丢失率为1%～2%，而且烟气含水量的变化及SO₂浓度的变化对此影响不大。

尽管Nation便携式预处理器的除湿性能要高于冷凝便携式预处理器，但是Nation材质的特性对其使用还有些许限制。当Nation管内附着大量颗粒污染物或油类聚集，将导致除湿性能的急速衰减；虽然Nation可以快速地迁移水分子，但是对于液态水却无法迅速排出从而造成SO₂组分丢失；此外，氨气会导致Nation管不可逆的破坏。

4现场CEMS比对监测实例分析

4.1实验场所

比对实验选取的是常熟某燃煤电厂4号发电机组，CEMS污染物监测子系统使用的是ABB红外分析仪，利用气态污染物吸收光谱的特征进行直接测量。比对监测位置与CEMS监测孔位均位于湿法脱硫后排放管道上。

4.2实验条件

比对监测期间，锅炉稳定运行，电除尘和湿法脱硫设施运行正常，无GGH系统，烟气含湿量约为15%，烟气温度在55℃左右。按照《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》（HJ/T 75—2007）中相关要求，进行污染物浓度的准确度的比对测试。

4.3实验内容

使用两套便携式污染物浓度监测系统，选取同样型号的便携式NDIR分析仪，相同型号的便携式采样探头和伴热管线。一个使用的便携式电子冷凝预处理器，另一个则使用便携式Nation干燥预处理器进行污染物浓度比对监测，包括二氧化硫、氮氧化物和氧量。每组测试时间为5 min，重复获得9组测试数据与同时段烟气CEMS的分钟平均值进行准确度计算。

4.4实验准备

将便携式采样探头、伴热管线、预处理器以及NDIR分析仪连接完整，打开电源，将采样探头和伴热管线设定相同的温度，NDIR分析仪里设定相同的量程并与CEMS时钟校正同步，预处理则设定相同的流量。确认系统气密性良好，预热30 min待系统稳定后，使用標气对手工比对系统进行校准。

4.5比对监测

将采样探头放入烟道中进入测量，从分析仪显示界面上确认数据基本稳定后，两套系统同时进入正式测试阶段，记录测试数据见表1。

4.6结果分析与讨论

比对监测污染物浓度的准确性结果见表1，其结果表明CEMS与比对监测的二氧化硫的浓度绝对误差均小于6 μmol/mol，氮氧化物的相对误差均小于20%，氧含量的相对准确度小于15%，符合HJ/T75—2007《固定污染源烟气排放监测技术规范》中的相关要求。

使用Nation预处理器的监测系统的监测结果相对于使用电子冷凝预处理器的监测系统更加的接近于CEMS的测量值。其中，二氧化硫的浓度差异相对于氮氧化物和氧含量来说则更加的明显，原因是电子冷凝预处理器在干燥烟气的过程中析出了大量的冷凝液，造成了二氧化硫组分的丢失，但氮氧化物和氧含量不会因冷凝液的产生而被吸收。

5结论

（1）比对监测工作是保证污染源自动监测系统有效性的一个重要质控环节，便携式烟气预处理器作为冷-干抽取式的比对监测中的核心，将直接影响比对监测的结果和有效性的判定。

（2）在“高湿低硫”条件下，使用电子冷凝预处理器析出的冷凝液将会造成二氧化硫损失，应加快除水效率并减少烟气与冷凝水接触的时间，同时还需防止冷凝液出现在伴热管线与预处理器烟气入口之间。

（3）便携式Nation预处理器具有独特的干燥性能，使用时可以为NDIR分析仪提供良好的抗干扰能力，在“高湿低硫”的比对监测中具有较好的可比性和适用性。