脱硫饱和烟气凝水对冷干直抽法SO2测量的影响

李婷彦

（大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097）

吸收塔出口气态污染物SO2作为脱硫效果评价的重要参数，其测量的准确性及稳定性对整个脱硫系统节能降耗运行意义重大。测量参数的稳定性将直接影响系统的调节品质，以及运行人员的运行方式。由于脱硫系统执行超低排放标准后，环保参数排放限值要求较低（SO2＜35mg/Nm3),且吸收塔出口烟气具有高湿低浓度的特点，因而对塔出口SO2测量提出了更高的要求。

1 冷干直抽法测量原理

目前吸收塔出口CEMS 主要采用冷干直抽法或稀释法的取样方式，将样品气采集送至气体分析仪内，实现对SO2参数的检测。其中稀释法，是使用无污染的洁净干燥气以一定比例稀释样气，使混合样气露点降低至环境温度以下，从而无需除水即可进行测量的一种抽取检测方法。该测量方式在现场实际应用中，稳定性较好，但投资成本较高。

图1 直接抽取+冷干法测量原理图Fig.1 Direct extraction + cold dry measurement schematic

基于直接抽取+冷干法烟气预处理的CEMS 系统，在实际脱硫项目中则应用较为广泛，该测量方式原理图如图1 所示。

样气由取样泵从烟道中抽出，经过高温伴热管线，被送至CEMS 机柜内的预处理单元内，经过冷凝、除水、过滤后送至气体分析仪中分析。该测量方式投资费用较低，但脱硫执行超低排放标准后，SO2含量大幅度降低，通常小于35mg/Nm3，使得该测量方式在实际脱硫项目中暴露出了较多问题。

2 冷干直抽法测量在实际应用中的问题

图2 为某电厂SO2参数瞬时跳变的曲线图，图中红色曲线为出口SO2浓度值，绿色曲线为出口烟气湿度。该项目脱硫出口CEMS 安装在烟囱内筒107.00m 取样平台处，测点安装位置完全满足HJ75 标准中对CEMS 测点前、后直管段的相关要求，烟气流场稳定性、测量成份分布均匀性较好，但在实际运行中的一段时期内，仍捕捉到了关键参数规律性跳变的曲线，如图2 所示。由图2 可见，SO2浓度在1h 内出现了两个峰值跳变，并且在这两个明显峰值出现前，湿度均先出现一个小的峰值波动，此现象非常具有代表性，并在运行中多次规律出现。

图3 为某电厂SO2测量问题曲线图，该曲线主要存在两个问题：一是稳定性差，跳变频繁；二是准确性差，波动较大。该项目SO2取样点在吸收塔出口混合烟道处，烟道条件复杂，烟气流场紊乱；另外分析仪量程偏大，仪表误差范围较大，造成测量准确性差；同时非常重要的一个因素是该项目烟气湿度较大，对SO2测量产生了较大影响。

图2 某电厂SO2参数瞬时跳变曲线图Fig.2 Instantaneous jump curve of SO2 parameters in a power plant

除上述SO2测量跳变的实例外，现场SO2测量值失真的问题也较普遍，很多现场SO2排放值甚至低于10mg/Nm3。

图3 某电厂SO2测量问题曲线图Fig.3 Schematic diagram of SO2 measurement problem in a power plant

3 湿度对SO2测量影响的分析

上述两个电厂SO2问题曲线的产生，均与饱和烟气凝水造成SO2被吸收的原因密不可分。在冷干法直抽测量过程中，伴热管线伴热不佳造成的管线内被测介质凝水以及预处理系统中冷凝器凝水，都是SO2测量参数异常的主要问题环节。

取样管线局部保温伴热存在问题，造成饱和烟气冷凝。烟气中的SO2被水吸收，凝结聚集的水滴滴落到高温伴热管线壁，被加热蒸发，亚硫酸逆反应分解成SO2和H2O，分解产生的SO2与烟气SO2含量叠加，造成瞬间SO2数据异常高峰的现象。由此可见，湿度对冷干法完全抽取测量技术具有不容忽视的影响。

图4 为在不同温度下，100ml 水对SO2的吸收情况。由图可看出，温度越低，SO2越易溶于水。冷干法预处理系统中冷凝器的冷腔温度通常设置在3℃～5℃，此温度范围下SO2的损失率极高，饱和烟气凝水会吸收烟气中的SO2，造成测量结果失真。

图5 为湿度、SO2浓度及损失率关系曲线。由图可知湿度越高，SO2浓度越低，其损失的比率也就越高；即在相同湿度下，SO2浓度越低，越易被水吸收。这也是超低之后，SO2数值失真的原因之一。

除对测量值的影响外，酸性冷凝水的析出也会导致系统的腐蚀，尤其是分析仪的零漂和气室腐蚀。因此，严格控制饱和样气中水份对SO2的吸收，是实现精确测量SO2参数的前提，同时对测量系统稳定性的提高，降低运行维护工程量及成本具有不可忽视的作用。

图4 SO2溶解率与温度关系曲线[1]Fig.4 SO2 dissolution rate versus temperature curve[1]

图5 湿度、SO2浓度及损失率关系曲线Fig.5 Humidity, SO2 concentration and loss rate curve

4 有效应对措施

近年来各种抗冷凝、抗吸收技术不断涌现，如磷酸滴定冷凝预处理技术、基于纳分管的前端预处理系统等，均在实际应用中取得了较好效果。

4.1 动态磷酸滴定技术

图6 CEMS动态磷酸滴定预处理系统[2]Fig.6 CEMS Dynamic phosphoric acid titration pretreatment system[2]

针对直接抽取法，冷凝除水过程中SO2溶于水，影响测量准确性的问题，可采用动态磷酸滴定技术改善。改造现有CEMS 烟气预处理系统，在冷凝器中滴入磷酸，磷酸电离出的H+可有效抑制SO2溶解。反应机理如下：

方程式（1）：磷酸电离出H+。

方程式（2）：磷酸电离出的H+，抑制了SO2的溶解。

磷酸滴定装置采用5%～8%的磷酸溶液，通过可调速蠕动泵将磷酸动态滴入制冷器冷腔中，从而实现以上反应，该过程可使SO2损失率得到有效抑制。系统如图6 所示。

4.2 基于纳分管的前端预处理系统

相对磷酸滴定技术，基于纳分管（Nafine）技术的前端预处理系统，可从根本解决现有样气取样系统及冷凝装置凝水影响测量的问题，同时有效缓解SO2溶水后对设备产生的腐蚀。纳分管结构示意图如图7 所示。

在不锈钢、聚丙烯或橡胶管内装有多根Nafion 管，样气从管内流过，低露点的净化气（仪用压缩空气）从管外流过，烟气中水分子穿过Nafion 管半透膜被净化气带走，从而达到机械除湿的效果。纳分管的干燥原理不同于多微孔材料的渗透管，其本身是无孔的，利用的是管材中嵌入的具有亲水性的离子基，以及被测介质流经纳分管时纳分管中水蒸气的分压（不是被测介质的总压），完成一个亲水离子基向另一个离子基传递渗透直至管壁外，进而被干燥净化气带走的过程[3]。

图7 纳分管结构示意图Fig.7 Schematic diagram of the sub-pipe structure

该前端预处理装置安装在CEMS 取样探头后，取样平台处属于近烟道安装。在烟气抽出后及时进行气态除湿且无冷凝水析出，可有效保留烟气中的SO2气体不被溶解，同时可有效避免因取样管线保温异常、冷凝器冷凝除水等环节引起的SO2溶于水的问题，最大程度地保证了SO2测量值的准确性，降低凝水导致的测量参数跳变、失真问题。

上述两种技术，均可在不改变现有CEMS 系统结构的前提下，在一定程度上缓解湿度对SO2测量造成的影响，改造较易实施。因此，适用所有改造及新建CEMS。

5 结束语

湿度对SO2测量的影响显而易见，各地环保部门也给予了越来越多的重视。山西省环境保护厅曾于2015 年4 月7 日，发布晋环函[2015]339 号文，文件明确规定：“……若采用红外法检测，其采样管和制冷剂对二氧化硫的损失不能超过8%……”；内蒙古自治区环境保护厅，内环测字[2016]33 号文《关于燃煤电厂超低排放改造自动监测设备验收补充事宜的函》中，明确要求“浓度CEMS 预处理系统，必须采用较先进的预处理技术，如絮凝过滤器+气体干燥器预处理技术，反渗透膜+纳米管预处理技术等。”先进的除水、抗吸收技术必将在项目的实际应用中取得理想效果。