烟气CEMS样气除水技术及应用浅析

高炜，徐伟利

（北京雪迪龙科技股份有限公司，北京 102206）

1 引言

烟气在线监测系统（Continuous Emission Monitoring System，CEMS）一般由采样探头管线、样品处理系统、分析仪表，以及数据采集、处理控制及传输系统等部分组成。其中样品处理系统（Sampling Condition System，SCS）的基本功能包括：样品提取、样品传输、样品处理、废流排放等[1]，它的作用是“保证分析仪在最短的滞后时间内得到具有代表性的样品，样品的状态（温度、压力、流量和清洁程度）适合分析仪所需要的操作条件”[2]。

烟气CEMS整体性能的好坏在很大程度上受到样气处理系统的影响。如果样气处理方式选择不当或者样气处理系统故障，就会对测量结果的准确性造成较大影响，严重时甚至损坏分析仪表。实际应用中不同原理和品牌的气体分析仪器以及不同的工况条件下需要采取不同的样气处理技术，而且日常运行过程中的定期维护和保养也很重要，因此样气处理系统的适用性和日常维护的及时性对烟气CEMS的正常连续运行起着至关重要的作用，在实际工作中需要高度重视，至少要将样品预处理系统放在和分析仪同等重要的位置来考虑[2]。

冷干法作为国内烟气CEMS的主流方法，具有干基测量符合环保要求、适应范围广、响应快、性价比高等诸多优势。冷干法烟气CEMS的样气处理系统一般包括：除尘、除水、流量调节、样品抽取、去除干扰组分等功能单元，最终需保证样气的真实性，即样气的成分及含量不发生变化，并能满足分析仪所需的样气条件，进而保证必要的检测准确度[3]。其采用的样气除水技术种类较多，相对复杂，且应用较为广泛。鉴于上述原因，笔者对目前国内市场上典型的烟气CEMS样气除水技术及其应用进行了归纳总结和比较分析，提出了建议。

2 样气典型除水技术

2.1 压缩冷凝除水

2.1.1 原理

如图1所示，压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀之间用管道依次连接，形成一个密闭的卡诺循环系统，制冷剂在系统中不断地循环流动，发生状态变化，与外界进行热量交换，从而达到制冷的目的。具体而言：制冷剂蒸汽经压缩机压缩后在冷凝器中液化并放出热量，再进入干燥器脱除可能夹带的水分；毛细管的作用是产生一定的节流压差，保持入口前制冷剂的受压液化状态，并使其在出口释放压力而膨胀汽化；制冷剂在汽化器中充分汽化并大量吸热，使与之交换的样气冷却降温，从而将其中的水汽冷凝除去。

图1 压缩冷凝工作原理

2.1.2 结构

国内某公司研发的CGC-03B型压缩冷凝装置采用机械制冷方式，由制冷压缩机、热交换单元（俗称冷腔）、蒸发器、节流阀、散热片、风扇、感温电阻、温控器等组成。采用绿色环保制冷剂R600a（异丁烷），对臭氧层完全没有破坏，并且温室效应亦非常小。为了防止冷凝液结冰，通常将制冷温度控制在2℃～5℃。其压缩冷凝装置和热交换单元见图2。

图2 CGC-03B型压缩冷凝装置（左）和热交换单元（右）

2.1.3 特点和应用

压缩冷凝装置可长时间连续运行，具有除水效果较好、启动快、样气露点稳定、价格较低等诸多特点。但在冷凝除水的过程中也存在水溶性气体溶于水的现象，不仅会造成样气成分的变换及浓度损失，还会对采样及预处理管路造成腐蚀。因此仅适用于烟气污染物浓度较高或者不易溶于水气体组分的工况。

2.2 半导体制冷除水

2.2.1 原理

半导体制冷器又称电子冷却器，其工作原理是基于帕尔帖效应，即当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）组成电路且通有电流时，电子从负极出发，首先经过P型半导体，为了挣脱N型半导体晶格的束缚，从接头处吸收热量，再到N型半导体，在接头处发生复合，并将复合前的动能和势能转变为接头处晶格的热振动能。每经过一个NP模块（电子-空穴对），就有热量由一边被送到另外一边造成温差而形成冷热端。帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变。电流越大，接头处温差越大[4]。半导体制冷工作原理见图3。

图3 半导体制冷工作原理

2.2.2 结构

基于半导体制冷的除湿装置是将一个撞击器（又称射流热交换器）装在吸热块中，吸热块与帕尔贴元件的冷端连接，帕尔贴元件的热端由一组散热片散热或用风扇将热量驱散。通常设定制冷温度为1℃～2℃。

2.2.3 特点和应用

半导体制冷器结构简单、价格较低，不需要任何制冷剂，无需压缩空气，使用寿命长。但制冷效果一般，多用在样气温度不高、除水要求不高的非防爆工艺场合和便携式采样设备上。

2.3 渗透干燥除水

2.3.1 原理

渗透干燥器（又称渗透管）由亲水性含氟高分子渗透膜材料制成，对水分子具有极强的选择性和高渗透率，可快速将样气中的水分去除。其具体工作过程为：当含水样气流经高选择性中空纤维膜管，在渗透膜内外湿度差的作用下，将水分子瞬间从膜管内转移到膜管外，并被逆向流经膜管外的净化气带走，从而连续得到干燥的样气。净化气可以采用干洁仪表气或氮气，也可以从渗透管出口气流中引出一旁路作为净化气[6]（如图4所示）。

图4 SUNSEP渗透干燥原理[6]

2.3.2 特点和应用

渗透干燥器具有构造简单、除湿能力强、速度快、选择性好、耐腐蚀、免维护等特点，且在去除水分的同时不影响样气中其它气体组分的完整性（成分和浓度），除湿后样气露点稳定，可用于防爆区域。但只能去除气态水而不能去除液态水，且样气必须经过一定的净化处理，以确保气中不含尘、油、腐蚀性气体、有机溶剂等，同时要求净化气露点远低于样气，此外价格较高。多用于高湿度、低浓度烟气工况条件，尤其在超低排放烟气CEMS上得到了广泛应用。

2.4 涡流制冷除水

2.4.1 原理

涡流制冷器又称涡旋管冷却器，其核心部件为涡流管，其能将从喷嘴进入的压缩空气分离成冷、热两个温度不同的气流，从而利用冷气流对样气中的水分进行冷凝脱除或者其它设备降温。涡流管的具体工作过程是：高压压缩空气（或其它高压惰性气体）沿切线喷嘴进入涡旋发生器后膨胀加速，高速旋转的气流进入圆柱形的涡流管，旋转的气流在涡旋管内沿内壁高速向左运动，并在热端产生能量的分离，外圈压缩空气通过调节阀以热空气的方式泄出，内圈气流受到阀芯的阻挡反向转折向右运动，并向外圈气流输出热量，最终以一个比进入气体更低的温度从冷端排出（涡流制冷器原理见图5）。

2.4.2 结构

涡流制冷器一般由涡流管、控制阀、冷箱、蠕动泵等组成。压缩空气经涡流制冷后与样品气体完成热量交换，冷凝液由蠕动泵从旁路泄出。冷凝后的样气露点一般可降至-10℃或更低[5]（涡流管如图6所示）。但在实际使用中，一般设定在1℃～5℃，以防止冷凝液冻结堵塞管道。SCS-900LS型抽取式氨逃逸连续测量系统中的机箱冷却器即是采用了涡流制冷的原理。

图6 机箱冷却器

图5 涡流制冷器原理图

2.4.3 特点和应用

涡流制冷器结构简单、启动快、维护方便，无需用电和冷媒物质，但对气源要求高（包括压力和质量），耗气量较大，使用成本较高，故一定程度上限制了其应用，但可用于防爆场合[5]。

2.5 干燥吸附除水

2.5.1 原理

利用干燥剂对水分的吸附特性，将水分从样气中分离出来。按照吸附机理又可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附没有选择性，且可逆，所以应当慎用。而化学吸附有一定的选择性，不可逆，干燥剂吸附饱和后可再生，因此应用较多。常用的干燥剂有分子筛、硅胶及氧化铝等。

2.5.2 结构和特点

国内研发的CGC-03S型渗透除湿装置中采用无热干燥器对压缩空气进行除水，从而为渗透管提供干燥的净化气。基于变压吸附的原理，无热干燥器由电磁阀、计时控制装置以及两个相同的干燥剂筒等组成，其中一个筒干燥压缩空气的同时，另一个筒进行再生，并由电磁阀控制切换（如图7所示）。干燥吸附除水技术操作简便、维护量小，对气源要求较高（无油、无尘、不含腐蚀性气体），多用于烟气CEMS压缩空气或零级空气的干燥除水，但应注意对测量组分不能有吸附作用。图8为分子筛干燥剂（左起一）。

图7 无热干燥器

图8 吸附干燥剂（左起一）

2.6 膜式过滤除水

2.6.1 原理

膜式过滤器也叫薄膜过滤器、疏水过滤器、阻水过滤器，利用小孔径滤膜的过滤阻挡作用去除样气中的微小液滴。这种方法只能除去液态的水，而不能去除气态的水，即气体通过膜式过滤器后露点不会降低[5]。

2.6.2 结构和特点

膜式过滤器的过滤元件是一种微孔薄膜，多为聚四氟乙烯材质，过滤孔径最小可达0.01μm，有的也采用0.22μm醋酸纤维素膜。膜式过滤器结构简单，维护方便，可去除少量微小液滴和颗粒物，多与其它除水技术配合使用，安装于烟气CEMS分析仪表的入口，起到进一步除水和保护仪表的作用（膜式过滤器结构见图9，膜式过滤器见图10）。

图9 膜式过滤器结构

图10 膜式过滤器

3 几种除水技术的比较（见下表）

4 结论与建议

样气处理系统的适用性和日常维护的及时性对烟气CEMS的正常连续运行起着至关重要的作用，实际工作中需要高度重视。冷干法作为国内烟气CEMS的主流方法，其采用的样气除水技术种类较多，相对复杂，且应用较为广泛。任何一种样气除水技术均有其优缺点和适用范围，实际应用中应根据现场工况、污染物特征和环保要求进行合理选择，并在后期的运行过程中定期加以维护，方可有效保障烟气CEMS的连续正常运行。

几种烟气CEMS除水技术比较表

针对现场实际应用，提出如下建议：1）为了减少冷凝除水过程中某些酸性气体（如SO2）溶于水现象的发生，可在冷凝器前端增加磷酸滴定装置。磷酸浓度及滴定速率可根据现场工况条件进行调节；2）为了保证渗透除水效果，样气必须经过一定的前处理，以确保样气中不含液态水、尘、油、腐蚀性气体、有机溶剂等，同时要求净化气露点远低于样气。

[1] 高喜奎.在线分析系统工程技术[M].北京：化学工业出版社，2014：364-367.

[2] 王森.在线分析仪器手册[M].北京：化学工业出版社，2008：90-98.

[3] 金义忠，曹以刚，杨支明，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] 易江，梁永，李虹杰.固定源排放废气连续自动监测（第二版）[M].北京：中国标准出版社，2010：192-194.

[5] 王强，杨凯.烟气排放连续监测系统（CEMS）监测技术及应用[M].北京：化学工业出版社，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.