CEMS预处理装置集成与示范

罗 宁

（河北省环境科学研究院 河北石家庄 050000）

引言

随着节能减排要求的日益提高,企业的脱硫、脱硝等环保设备的投入率和运行率成为环境管理的重点。烟气连续监测系统CEMS通过实时监测企业外排烟气的污染物浓度，与环境保护行政主管部门实现联网，用于监控企业减排设备的运行情况。因此，CEMS已经成为政府环保部门的主要执法依据和控制手段，并直接关系到各企业的排污费和脱硫电价补贴等，尤其是各级政府实行的排污IC卡制度，更是以CEMS的监测结果作为管理的依据。因此烟气连续监测系统CEMS的稳定运行和维护，无论是对企业还是对环境保护管理部门都是至关重要的。

1 目前CEMS系统存在的问题

CEMS用于火电厂等企业的外排烟气监测时，一般都是高温、高粉尘、高湿度的含有腐蚀性组分的气体，存在冲刷、堵塞、腐蚀等问题，造成CEMS监测结果出现不稳定或失真的情况。因此除尘、除湿和抗干扰是CEMS目前面临的几大难题：

（1）气路连接复杂,分水器、制冷器、蠕动泵等设备繁多，管线和过滤器等被冷凝水和粉尘堵塞，气体没有达到室温以下,除水不彻底。

（2）气体中水溶性SO2、NOx组分流失，测量数值不准确或者波动较大。

（3）水、粉尘或酸雾进入分析仪，导致分析仪腐蚀，漂移，寿命缩短和损坏等严重故障，并将导致系统停机和监测停止。

（4）在线分析系统的性能，质量和品质不能得到有效协调和保障，维护周期短，维护工作量巨大，后期维护成本直线上升。

2 CEMS预处理国内外现状

针对目前CEMS存在的一系列问题，美国、日本等国家均进行了一系列研究，主要是以Nafion管为核心部件进行了相关研究，例如美国博纯公司结合Baldwin系列的CEMS预处理技术研发出的一系列GAss系统，可有效解决电厂、垃圾焚烧厂等烟气预处理问题。据调查，我国在相关领域研究较少，本次主要是在Nafion管为核心部件的基础上，借鉴美国博纯公司GAss系统的相关技术，结合我国目前电厂、钢铁厂、垃圾焚烧厂等烟气的主要特点，集成集除尘除氨除湿为一体的CEMS预处理装置，并在电厂进行工业示范。

3 基于渗透管技术的新型烟气处理装置的集成研究

3.1 渗透管的技术原理

渗透管的干燥原理完全不同于超微孔材料，它不是基于分子和微粒液雾粒度的大小来迁移气体，而是以其材质对水分子的化学亲和力为基础。渗透管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，其材料散布着磺酸基，具有很强的亲水性，所以渗透管壁吸收的水分，会从一个磺酸基向另外一个磺酸基传递，直到最终到达另外一侧的管壁，水分则全部蒸发到干燥的反吹气中被带走。渗透管除湿的驱动力是管内外的水汽压力梯度（即湿度差），而不是压力差和温度差，也就是渗透管内样气的水蒸气分压必须高于管外净化气的水蒸气分压。渗透管干燥器除湿过程见图1。

图1 渗透管干燥器除湿过程

渗透管在连续的除湿过程中，完全保留烟气中的SO2、NOx等待测气体成分，即只选择性的去除烟气中的水分。渗透干燥器的最大技术优势是样气露点突破了0℃的“极限”，比较容易达到-5～-10℃；环境温度20℃下，理论上样气除湿后露点最低为-45℃。和传统所有除湿方式的样气处理部件相比，它是具有水溶性分析组分不流失这一独特优点的唯一产品。此外渗透管还有耐腐蚀、快捷（<1s）、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等优点。

3.2 CEMS预处理装置集成研究

本次研制的CEMS预处理设备分为两个部分，左侧箱体为电气连接部分，保证整个设备在通电状态下稳定运行；右侧为整个设备的核心，包括综合处理器Ⅰ、综合处理器Ⅱ和排污泵等辅助设备。设备主要内部结构见图2，设备主要部件标识见表1。

图2 设备主要内部构造示意图

3.2.1 综合处理器Ⅰ

综合处理器Ⅰ的主要功能为过滤大颗粒物质并进行除氨，同时用排污泵将此过程中产生的少量凝结水及颗粒物排出设备外，保证设备连续稳定的运转。综合处理器Ⅰ的主要结构示意图见图3。

表1 CEMS预处理设备主要部件标识一览表

图3 综合处理器Ⅰ的主要结构示意图

（1）过滤

热电厂外排烟气中含有大量的细小颗粒，为了保证后续仪器仪表的正常工作及使用寿命，在设计中需把0.1微米以下的颗粒物去除。本装置采用微粒和凝聚物过滤双层滤芯，去除95%的大于等于0.1微米的微粒，实现过滤和凝聚过滤物双重目的。在滤芯材料选用上选择耐高温和腐蚀性的材料，同时要保证在过滤过程中压降损失很小。凝聚液汇集至外壳的底部，通过设备下部排污泵排空，保持了低压降和元件的使用寿命。

（2）除氨

电厂脱硝工艺中加入了大量的氨，当氨出现在气体采样中时，它会迅速和其他化合物（如样气中的SO2）反应形成氨盐，盐的沸点相对较低，在烟道和伴热管线的高温下它以气态形式存在，当样气经过处理器冷却时，它将沉淀为固体，堵塞干燥器和分析仪。本次设计时考虑增加脱氨工艺，力求保护下游的仪器仪表。除氨部分由不锈钢外壳和填满了含磷的洗涤介质填料组成。采样中的水气激活洗涤介质产生磷酸。磷酸在酸碱中和反应下与氨反应，产生氨磷。这种化合物即使在高温下也是固体，作为可见残留物很容易被处理。对于正常的运行，除氨器应保持在高于样气露点温度，以避免水溶性分析物的损失。

3.2.2 综合处理器Ⅱ

综合处理器Ⅱ的主要设备为渗透管，由管内外湿度差产生湿度梯度，水分子由高及低传递而使管内的湿度不断降低，从而达到干燥烟气中水分的目的，同时最大限度的保留原有样气成分。综合处理器Ⅱ的主要结构示意图见图4。

图4 综合处理器Ⅱ的主要结构示意图

3.3 工业现场示范

3.3.1 示范锅炉基本情况

工业现场示范机组装机容量为600MW，锅炉型号为北京巴布科克·威尔科克斯（B&WB）有限公司生产的B&WB—1950/25.4—M型超临界机组,半露天布置。过热器蒸发量（BMCR）为1950 t/h，锅炉排烟温度（BMCR）127/121℃，校核煤种为晋北烟煤，煤耗量(校核煤种)245.1 t/h。该机组烟气分别经过脱硝、除尘、脱硫后进入烟道排放。脱硝采用SCR法进行，脱硝效率可达85%以上；除尘采用双室四电场静电除尘器，设计除尘效率为99.7%；通过脱硫增压风机进入湿法脱硫系统，脱硫效率≥90%，脱硫后的烟气进入240m高烟囱烟道。

3.3.2 CEMS预处理装置安装位置

在CEMS预处理装置安装前，烟气经取样探头经加热管线通过冷凝器后直接进入在线监测分析仪表。为了验证本装置对CEMS装置的预处理效果，该装置安装在烟道取样探头和在线检测仪表中间部位，即取样探头的烟气出口连接设备的入口，烟气处理后的出口连接伴热采样管线，在经过冷凝器后进入在线检测分析仪表。

图5 安装位置示意图

3.3.3 技术参数设置

气源：使用仪表气源，压力稳定，且≥0.4MPa，并加装滤水滤油过滤器。

烟气流量：经过设备的烟气流量控制在1.1-1.2L/min。吹扫气：流量控制为2.5L/min。

烟气处理器II温度：控制在80℃左右。

3.3.4 示范效果测试

（1）除湿效果测试

原有的直接抽取式CEMS系统，因伴热管线加热温度不能满足现场工况要求，在进冷凝器前端产生冷凝水，造成分析仪表排出废烟气在冬季会结冰堵塞烟气管路。本次示范对CEMS预处理装置安装前后采样管凝结水产生情况进行了比较。CEMS预处理装置安装前，采样管处均有凝结水珠出现，每24小时有近200ml冷凝水产生，待CEMS预处理装置安装后，连续两天采样管凝结水明显减少，待CEMS预处理装置安装后第三天采样管处不再有凝结水滴产生，并且经过近两个月的观察，该装置运行稳定时，采样管凝结水不再产生。说明CEMS预处理装置对烟气的除湿效果良好。

图6 凝结水产生现场示意图

（2）烟气污染物浓度变化测试

由于示范厂所在地区电厂实行超低排放，烟气中各污染物浓度在实际生产中通过工况控制、脱硫脱硝设备控制等掌控烟气出口污染物浓度，以达到污染物超低排放的目的。本次示范无法获得预处理装置安装前后完全相同工况的污染物数据进行比对，但可以看出预处理装置的影响不会引起在线监测数据的显著变化。

（3）设备更换频次测试

烟气中酸性气体溶于水形成酸性物质，使采样泵、仪表气室、氧电池等设备造成腐蚀，更换频率较高。本次示范对预处理装置安装前后使用一个月的气室和氧电池进行了比较，前者明显腐蚀度较高，说明安装本装置之后，进入仪表的烟气较为干燥，酸性物质较少，对气室和氧电池腐蚀性较小，保护了设备，减少了设备的更换频率，从而达到了节约成本的目的，通过企业的测算预计一台机组年可节约成本4万元。

3.3.5 示范效果结论

（1）对烟气除湿性能良好，冷凝器入口处的管路不再有凝结水珠。

（2）减少了酸性物质的生成，减少了设备腐蚀，延长了设备的使用寿命，减少了设备更换频率，节约了成本。

（3）凝结水的减少使得烟气中各污染物成分损耗减少，减少了烟气中各污染物的流失，使得监测数据更加准确。示范厂家为了满足超低排放的要求，通过工况控制、脱硫脱硝设备的控制等控制在线检测仪监测的各污染物的浓度，预处理装置对各污染物浓度的影响没有呈现显著变化。

结语

随着国家对环保要求的日益严格，对烟气中SO2、NOx排放限值的降低，使烟气中的水汽对测量数值的影响逐步加大，造成测量数值的失真。本设备对烟气中的水汽去除能力显著，另一方面由于本设备能够有效并且极大限度的去除了样气中的水分，保留了原始气体成分，那么在使用过程中没有了冷凝水形成的酸液，减少了对冷凝器、分析仪的维修和更换，具有一定的经济效益，也减少了污染。适用于高湿、高腐蚀性、含酸性气体的线监测装置，具有很好的推广前景。