冷-干直接抽取法CEMS冷凝器的選型
摘 要:探討了煙氣冷凝器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，提出煙氣冷凝器脫水率、SO2組分丟失率和煙氣出口露點(diǎn)溫度等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式，提出了適合不同工況條件下煙氣冷凝器選型的依據(jù)和方法，為解決冷-干直接抽取法CEMS所面臨的濕法脫硫后的高濕、低濃度SO2，及如何準(zhǔn)確、客觀地反映污染排放的現(xiàn)實(shí)問題，提供了一個(gè)合理的解決方案。
關(guān)鍵詞:CEMS,煙氣冷凝器,脫水率,SO2組分丟失率
1 前言
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近5年來，在我國已安裝的氣態(tài)污染物CEMS冷凝器中，直接抽取法約占70%。直接抽取法又可分為冷-干直接抽取和熱-濕直接抽取。我國排放標(biāo)準(zhǔn)要求煙氣濃度以標(biāo)態(tài)干基為準(zhǔn)，直接決定了我國安裝的氣態(tài)污染物冷凝器基本為冷-干直接抽取設(shè)備。
目前，大部分冷-干直接抽取法取樣技術(shù)對解決高溫高濃度SO2基本可以勝任。但在面對濕法脫硫后的高濕、低濃度SO2時(shí)應(yīng)如何準(zhǔn)確、客觀地反映污染排放現(xiàn)實(shí)，則是冷-干直接抽取法CEMS冷凝器面臨的最重要的問題。
典型的冷-干直接抽取法裝置包括取樣探頭、取樣管線、過濾、除濕系統(tǒng)和采樣泵等。其中除濕系統(tǒng)的主要作用是將煙氣中的水蒸汽去除，目前采用的最常見的是冷卻除濕方法。冷卻除濕法要求快速將水蒸汽冷凝，以免煙氣和冷凝水接觸。為避免冷凝水結(jié)冰，其冷凝溫度大多控制在3℃～5℃。通常采用的冷卻除濕法為壓縮機(jī)制冷和電子制冷。
煙氣除濕系統(tǒng)一般包含煙氣冷凝器、采樣泵、蠕動泵和相關(guān)的報(bào)警和控制部件，其中最關(guān)鍵的部件是煙氣冷凝器，煙氣通過冷卻將溫度降低到3℃～5℃，使其低于煙氣露點(diǎn)溫度形成液態(tài)水從而脫除大部分水分，一個(gè)成功的煙氣冷凝器適用于一定的煙氣流量和煙氣含濕量，能夠迅速將冷凝水從氣流中分離出來，經(jīng)過冷凝器處理后的煙氣是冷且干燥的，經(jīng)過升溫后可進(jìn)入分析儀表進(jìn)行測量。
主要的難題在于上述除水過程中如何盡可能減少冷凝水與干燥后氣體的接觸，從而保證煙氣除水后出口露點(diǎn)的穩(wěn)定，減少SO2組分被冷凝液吸收而造成組分的丟失。
本文探討了煙氣冷凝器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，提出煙氣冷凝器脫水率、SO2組分丟失率和煙氣出口露點(diǎn)等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式，提出一個(gè)適合不同工況條件下的煙氣冷凝器選型的依據(jù)和方法，為解決下一步冷-干直接抽取法CEMS所面臨的濕法脫硫后的高濕、低濃度SO2，以及如何準(zhǔn)確、客觀地反應(yīng)污染排放的現(xiàn)實(shí)問題，提供一個(gè)合理科學(xué)的解決方案。
2 冷凝器的兩種制冷方式
煙氣冷卻降溫除濕的方法一般為壓縮機(jī)制冷和半導(dǎo)體制冷兩種方式。
（1）壓縮機(jī)制冷
壓縮機(jī)冷卻的原理（見圖1所示）和電冰箱完全相同，制冷劑蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，在冷凝器中液化并放出熱量，進(jìn)入干燥器脫水。毛細(xì)管的作用是產(chǎn)生一定的節(jié)流壓差，保持入口前制冷劑的受壓液化狀態(tài)并使其在出口釋壓膨脹氣化。制冷劑在氣化器中充分氣化并大量吸熱，使與之換熱的樣品冷卻降溫。壓縮機(jī)冷卻器一般包括壓縮機(jī)制冷裝置、溫控裝置、制冷腔體、熱交換管。有時(shí)采用兩級熱交換管，在兩極熱交換管之間增加一個(gè)采樣泵，從一級熱交換管加壓向第二級熱交換管傳送煙氣。煙氣在壓力下，水分子從液體表面逃逸蒸發(fā)更為困難，比在大氣壓力下冷凝除濕的效果更好，這種增壓會使氣體的含水量降得更低。
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（2） 半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷是根據(jù) 1834年由帕耳帖（Peltier）發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象，當(dāng)一塊N型和一塊P型半導(dǎo)體用導(dǎo)體連接并通以電流時(shí)，形成冷熱端，電流越大，溫差越大，調(diào)節(jié)電流大小即可控制制冷溫度，優(yōu)點(diǎn)是外形尺寸小、維護(hù)簡單、在環(huán)境溫度不高的情況下容易實(shí)現(xiàn)較低的制冷溫度，在溫度升高到35℃以后制冷效率直線降低，成本較高（見圖2）。
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3 冷凝器的制冷能力
要根據(jù)處理煙氣的入口溫度、含濕量和流量合理選擇冷凝器的制冷能力，要保證制冷能力大于所需的處理煙氣熱量。衡量冷凝器的制冷能力可采用以下指標(biāo)：
（1）冷卻溫度
冷凝器設(shè)定的溫度一般為3℃～5℃，但實(shí)際達(dá)到的溫度是冷卻溫度，冷卻溫度與冷凝器的制冷容量、控制方式和環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越高冷卻溫度越高，特別是在40℃以上時(shí)，會導(dǎo)致半導(dǎo)體制冷方式的性能快速下降，甚至使冷卻溫度無法達(dá)到設(shè)定溫度。
（2）冷凝溫度
冷凝溫度是指煙氣冷凝器內(nèi)熱交換管內(nèi)的溫度，一般會比實(shí)際冷卻溫度高，冷凝溫度也是影響脫水效果和出口露點(diǎn)溫度的關(guān)鍵。
（3）溫度穩(wěn)定性
在設(shè)定溫度下，實(shí)際冷卻溫度的波動范圍，受制冷原理、控制方式和環(huán)境溫度影響，溫度波動范圍過大就會直接影響煙氣出口露點(diǎn)溫度的穩(wěn)定。
4 冷凝器脫水能力
冷凝器的脫水能力建議采用下述兩個(gè)指標(biāo)衡量。
（1）出口露點(diǎn)溫度
出口露點(diǎn)溫度達(dá)到一定的值并保持穩(wěn)定十分關(guān)鍵，其會直接影響干基測量結(jié)果，因此建議要穩(wěn)定在4℃ （8100ppm）以下。
（2）脫水率
為了便于衡量不同冷凝器的脫水能力，在此推薦一個(gè)脫水率的概念，并提出脫水率的計(jì)算公式：
脫水率=（Td0 - Td1）/ Td0 × 100%
其中：Td0 — 入口煙氣露點(diǎn)（脫水前的煙氣含濕量）； Td1 — 出口煙氣露點(diǎn)（脫水后的煙氣含濕量）。
（3）各品牌冷凝器的脫水效率比較
不同品牌冷凝器的脫水率均會隨著煙氣入口露點(diǎn)溫度的增大而提高，呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系；脫水率低于 90%時(shí)，會導(dǎo)致出口露點(diǎn)溫度偏高，進(jìn)入分析儀表的煙氣含濕量偏大，不僅影響測量結(jié)果，也容易因煙氣凝結(jié)而腐蝕儀表。建議將冷凝器的脫水率作為必要的技術(shù)指標(biāo)，脫水效率建議不低于90%。
根據(jù)對國內(nèi)外幾款冷凝器的實(shí)際檢測結(jié)果得出：
（1）冷凝器第一級脫水后出口露點(diǎn)溫度是偏高的，并不太穩(wěn)定，經(jīng)過第二級脫水后出口露點(diǎn)溫度比較理想，波動范圍也明顯變窄；
（2）冷凝器脫水后的出口露點(diǎn)溫度或者說殘余含濕量，在第一級脫水時(shí)隨著入口的煙氣含濕量的升高而明顯變高，再經(jīng)過第二級脫水后煙氣的含濕量大部分均趨于穩(wěn)定；
（3）綜上所述，建議冷凝器一般選擇兩級脫水比較理想。
5 冷凝器的制冷能力與脫水效果
制冷能力首先需要滿足工況條件的要求，在制冷能力一定的情況下，煙氣的溫度、濕度、流量會影響脫水效果，一般情況下，三者越高脫水效果越差。因而在制冷能力一定的情況下，可以適當(dāng)選擇降低溫度或流量來提高脫水效果，但要綜合考慮所帶來的負(fù)面影響。
（1）降低溫度
一般在采樣器-伴熱線-冷凝器的整個(gè)流路過程中會出現(xiàn)3～5個(gè)可能的降溫點(diǎn)。在冷卻能力一定的情況下，通過降低溫度是一個(gè)可有效提高脫水效果的方法，需要保證溫度不低于煙氣的露點(diǎn)溫度，要防止溫度降低過程發(fā)生組分丟失的情況。
（2）降低采樣流量
降低采樣流量可以有效減少單位時(shí)間內(nèi)通過冷凝器處理的煙氣總量，從而在冷卻能力一定情況下提高脫水效果。但需保證采樣克服煙道負(fù)壓和采樣管路的阻力，保證滿足儀表的最少用氣量，以及CEMS系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在滿足上述條件下，建議盡量減少采樣的流量。
6 脫水效率與出口露點(diǎn)溫度
脫水效率并非越高越好，過低肯定不行，但過高不僅浪費(fèi)能耗，也會增加成本，說明選型不合理。出口露點(diǎn)溫度在滿足要求的條件下，波動越小越穩(wěn)定，性能就越好，但不能簡單地用冷凝器溫度取代露點(diǎn)溫度，這是十分關(guān)鍵的。出口露點(diǎn)溫度建議低于4℃，波動小于1℃。
7 冷凝器SO2組分丟失率
研究發(fā)現(xiàn)，100～1000ppm濃度范圍內(nèi)的SO2，依據(jù)不同條件在煙氣冷凝器中的SO2損失量約為2%～10%，損失量隨著煙氣濕度的增加、SO2濃度的降低和冷凝器冷凝溫度的降低而增大。這需要通過合理的設(shè)計(jì)，配置不同材質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱交換管，盡可能減少煙氣與冷凝器中液態(tài)水的接觸時(shí)間和接觸面積，從而降低SO2組分的丟失率。但因?yàn)閷?shí)際上沒有完全相同的工況，因此需要根據(jù)不同的工況選擇合理的冷凝器和熱交換管。針對濕法脫硫、垃圾焚燒爐、脫硝等不同的工況需要考慮采用不同規(guī)格的冷凝器，以達(dá)到脫水效果和組分丟失之間的平衡。
8 冷凝器性能綜合指標(biāo)
CEMS應(yīng)用于不同的工況條件下如脫硫、脫硝、垃圾焚燒等，特別是在濕法脫硫后面臨的溫度偏低、濕度偏大、SO2濃度又很低的情況下，煙氣冷凝器需要適應(yīng)不同的工況采用不同的指標(biāo)來進(jìn)行綜合平衡。為進(jìn)一步明確冷凝器的選型，根據(jù)常見的脫硫前后的工況條件，推薦脫硫前和脫硫后的兩種類型的關(guān)鍵指標(biāo)（見下表），以便更有效合理地選擇合適的冷凝器。
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9 工作環(huán)境與制冷方式
半導(dǎo)體與壓縮機(jī)冷凝器的脫水效果與在不同環(huán)境溫度下表現(xiàn)有明顯差異：
（1）隨著環(huán)境溫度的升高，半導(dǎo)體冷凝器脫水后的含濕量不斷提高，環(huán)境溫度高于40℃后，脫水效率明顯下降，壓縮機(jī)在環(huán)境溫度為55℃時(shí)可依然保持較高的脫水率；
（2）半導(dǎo)體的冷卻溫度控制一般不采用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，但會在一個(gè)較大的溫度范圍內(nèi)波動（如2℃ ～8℃）；壓縮機(jī)可通過PID閉環(huán)調(diào)節(jié)的方式精確控制制冷溫度在3℃±1℃甚至±0.5℃，因此相比之下，壓縮機(jī)的冷卻效果會更理想。
綜上所述，在惡劣的CEMS監(jiān)測環(huán)境下，建議優(yōu)先選擇壓縮機(jī)制冷而慎重選擇半導(dǎo)體制冷方式；針對便攜式和移動式預(yù)處理裝置，建議優(yōu)先選擇半導(dǎo)體制冷方式，因?yàn)榘雽?dǎo)體的尺寸小、重量輕、控制簡單，在普通環(huán)境溫度下具有良好的制冷效果。
10 結(jié)論
煙氣冷凝器作為冷-干抽取式CEMS的關(guān)鍵部件，直接影響CEMS的測量結(jié)果和儀表使用壽命。冷凝器合理選型需要根據(jù)工況條件、工作環(huán)境和關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行綜合衡量判定，沒有一款冷凝器可以滿足所有的工況條件：
（1）是利用壓縮機(jī)還是半導(dǎo)體制冷決定于制冷能力；在制冷能力一定的情況下，煙氣入口的溫度、濕度和流量綜合決定了脫水效果；
（2）在制冷能力一定的情況下，需要綜合選擇冷凝器的幾個(gè)關(guān)鍵性能如脫水率、出口露點(diǎn)溫度、SO2組分丟失率等進(jìn)行選型，尤其不要用冷凝器的制冷溫度取代出口露點(diǎn)溫度。
（3）在滿足上述性能的情況下，要平衡考慮脫水效果與組分丟失率、脫水效果與出口露點(diǎn)的穩(wěn)定性、實(shí)際工況與制冷能力和熱交換效果等。
（4）冷凝器的性能還受到冷凝器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、排凝蠕動泵等的綜合影響，合理選擇上述各要素并形成合理的匹配也是需要認(rèn)真考慮的。
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