葉兵,侯鵬,吳厚榮,錢(qián)瑋燕,聶新龍,徐晗,褚凱,王克氣,李學(xué)廉

(1.江蘇省南京環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210013；2.江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控有限公司,江蘇 南京210019；3.建鄴區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，江蘇 南京 210019；4.武漢林海儀器設(shè)備工程公司，湖北 武漢430012)

煙氣中污染物濃度是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣中該物質(zhì)的含量，便攜式儀器直接測(cè)試煙氣中的污染物時(shí)，預(yù)處理裝置需要起到過(guò)濾、除濕和氣液分離的作用[1]。目前，常用的煙氣預(yù)處理方法有干法和熱濕法2類(lèi)。干法煙氣預(yù)處理分為“微壓”式、半導(dǎo)體冷凝和Nafion管干燥3種[2]，均采用先氣化、再脫水的方式處理煙氣中的水分和顆粒物，測(cè)試結(jié)果為污染物干基濃度；熱濕法采用的是從抽氣到分析結(jié)果全過(guò)程保持高溫的方式，無(wú)須脫水干燥，煙氣分析設(shè)備可同時(shí)測(cè)試污染物濃度和煙氣濕度，然后通過(guò)干、濕基換算公式計(jì)算得到污染物干基濃度[3-4]。因此，干法預(yù)處理注重?zé)煔庵兴值娜コ?，熱濕法預(yù)處理則注重?zé)煔鉂穸葴y(cè)試的準(zhǔn)確性。

鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的燃料大多采用本行業(yè)副產(chǎn)品——焦?fàn)t、高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣，燃燒后煙氣中水分含量較大，濕法脫硫、脫硝凈化設(shè)施又進(jìn)一步增加了煙氣濕度，煙氣呈現(xiàn)“高濕低排”的現(xiàn)象。測(cè)試期間若使用干法預(yù)處理裝置，須保證高效的除水效率和排水能力，以減少水分吸附對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

為了觀察便攜式干法煙氣預(yù)處理裝置的除水效率，利用濕度發(fā)生器與二氧化硫(SO2)標(biāo)準(zhǔn)氣生成濕度梯度測(cè)試氣，比較“微壓”式、半導(dǎo)體冷凝和Nafion管干燥3種便攜式煙氣預(yù)處理裝置中的SO2損失率。結(jié)合各預(yù)處理裝置的原理及特點(diǎn)，分析除水效率下降的主要原因；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試驗(yàn)證“微壓”式煙氣預(yù)處理裝置的除水能力，為降低煙氣濕度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供參考。

1 干燥原理

1.1 “微壓”式預(yù)處理

SO2、二氧化氮(NO2)、氨氣(NH3)、硫化氫(H2S)、一氧化氮(NO)、氧氣(O2)、一氧化碳(CO)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)分別為-10，-21.2，-33.5，-60.4，-151，-183和-192 ℃；水的熔點(diǎn)為0 ℃[5]。利用這一物理特性，采用全封閉旋轉(zhuǎn)式直流變頻微型壓縮機(jī)和1，1，1,2-四氯乙烷(HFC-14a)冷媒制冷。工作期間，低溫干燥室在冷媒的作用下將溫度保持在0～-10 ℃，當(dāng)含濕煙氣進(jìn)入后，在低溫作用下將其中的水分迅速凝結(jié)成固態(tài)霜，從而達(dá)到干燥煙氣的目的。

1.2 半導(dǎo)體冷凝預(yù)處理

半導(dǎo)體冷凝一般采用兩級(jí)制冷(單級(jí)制冷溫差約為45～60 ℃)[6]，設(shè)置出氣口露點(diǎn)溫度為2～5 ℃。使用半導(dǎo)體制冷片包貼氣體干燥室外壁，當(dāng)溫控電路與半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶產(chǎn)生電流時(shí)，半導(dǎo)體制冷片的兩面產(chǎn)生溫差，對(duì)干燥室壁進(jìn)行熱交換。通過(guò)風(fēng)扇散熱降溫，保持半導(dǎo)體制冷片兩極的溫差，可持續(xù)為干燥室內(nèi)的氣體進(jìn)行降溫冷凝，從而達(dá)到干燥煙氣的目的。

1.3 Nafion管干燥預(yù)處理

Nafion管屬氟碳聚合物，所含的磺酸基具有很強(qiáng)的親水性[7]，當(dāng)測(cè)試氣中的氣相水接觸到Nafion管內(nèi)壁時(shí)，內(nèi)壁的磺酸基可迅速將水束縛，吸水后的磺酸基對(duì)水的親和力小于外壁干燥的磺酸基，氣相水則由Nafion管內(nèi)壁向外壁轉(zhuǎn)移，形成水氣分離，從而達(dá)到干燥煙氣的目的。

2 濕度梯度實(shí)驗(yàn)

2.1 儀器與試劑

儀器：testo 350煙氣分析儀(SO2量程為200×10-6，上海德圖)；PHG 60H便攜式濕度校準(zhǔn)儀(南京埃森)；“微壓”式、半導(dǎo)體冷凝、Nafion管干燥預(yù)處理裝置各1臺(tái)，型號(hào)和主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 3種煙氣預(yù)處理裝置主要性能指標(biāo)

試劑：高純氮?dú)?>99.99%)、SO2標(biāo)準(zhǔn)氣(78×10-6，擴(kuò)展不確定度優(yōu)于±2%)，均購(gòu)于南京天澤，用于校準(zhǔn)儀器零點(diǎn)和量程點(diǎn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，開(kāi)機(jī)預(yù)熱表1中儀器，用高純氮?dú)庑?zhǔn)testo 350煙氣分析儀零點(diǎn)和SO2標(biāo)準(zhǔn)氣校準(zhǔn)儀器量程點(diǎn)(78×10-6)，待“微壓”式、半導(dǎo)體冷凝、Nafion管干燥3種預(yù)處理裝置的采樣管、伴熱管溫度分別升至160和120 ℃；“微壓”式、半導(dǎo)體冷凝預(yù)處理裝置低溫干燥室溫度分別降至-8和2 ℃，Nafion管干燥裝置提示工作狀態(tài)正常后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將SO2標(biāo)準(zhǔn)氣通入便攜式濕度校準(zhǔn)儀，設(shè)置其測(cè)試腔溫度為180 ℃，出氣量為2 L/min,參與實(shí)驗(yàn)的3種預(yù)處理裝置均保持工作狀態(tài)，各預(yù)處理裝置與煙氣分析儀連通10 min，待SO2示值穩(wěn)定后，記錄5 min SO2均值和濕度值，依次交替直至實(shí)驗(yàn)完成，各儀器實(shí)驗(yàn)流量選擇為1 L/min,濕度梯度設(shè)置為0.1%，5%，10%，15%，20%，25%和30%，實(shí)驗(yàn)頻次為每個(gè)濕度梯度測(cè)試6組SO2數(shù)值。整個(gè)測(cè)試過(guò)程保證各儀器不關(guān)機(jī)、不校準(zhǔn)。

2.3 結(jié)果與分析

3種煙氣預(yù)處理的SO2損失結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3種煙氣預(yù)處理的SO2損失結(jié)果

由表2可見(jiàn)，(1)“微壓”式預(yù)處理。全濕度區(qū)間內(nèi)7個(gè)測(cè)試點(diǎn)的SO2平均損失率為4.76%；其中濕度為0.1%～20.0%區(qū)間內(nèi)的5個(gè)測(cè)試點(diǎn)SO2損失率為1.07%～3.63%；濕度為24.5%時(shí)損失率為7.48%；濕度為29.5%時(shí)損失率為12.0%。當(dāng)濕度增至25%時(shí)，除水能力開(kāi)始下降，主要原因是該裝置在工作期間不化霜、不排水，長(zhǎng)時(shí)間、高濕度的測(cè)試環(huán)境使得低溫干燥室內(nèi)凝結(jié)霜的厚度增加，減弱了冷卻、干燥的能力。

(2)半導(dǎo)體冷凝預(yù)處理。全濕度區(qū)間內(nèi)7個(gè)測(cè)試點(diǎn)SO2平均損失率為11.0%；其中濕度在0.1%～10.1%區(qū)間內(nèi)的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)SO2損失率為1.07%～3.42%之間；濕度在14.9%時(shí)損失率為8.76%；濕度在20.0%時(shí)損失率為13.9%；濕度在24.5%時(shí)損失率為19.0%；濕度在29.5%時(shí)損失率為27.4%。當(dāng)濕度增至20%時(shí)，除水能力開(kāi)始下降，主要原因是該裝置的低溫干燥室體積偏小，高溫、高濕測(cè)試氣在低溫干燥室內(nèi)滯留時(shí)間短，尚未冷卻至設(shè)定的冷凝溫度已流出干燥室。

(3)Nafion管干燥預(yù)處理。全濕度區(qū)間內(nèi)7個(gè)測(cè)試點(diǎn)SO2平均損失率為13.9%；其中濕度為0.1%～10.1%區(qū)間內(nèi)的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)SO2損失率為1.71%～3.63%；濕度在14.9%時(shí)損失率為13.2%；濕度在20.0%時(shí)損失率為18.6%；濕度在24.5%時(shí)損失率為30.1%；濕度在29.5%時(shí)損失率為43.2%。當(dāng)濕度增至15%時(shí)，除水能力開(kāi)始下降，主要原因是該裝置中的Nafion管長(zhǎng)度不夠，測(cè)試氣中的水分子尚未及時(shí)從Nafion管內(nèi)壁移動(dòng)至外壁已流出管體。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試

3.1 儀器與試劑

儀器：testo350煙氣分析儀；“微壓”式、半導(dǎo)體冷凝預(yù)處理裝置各1臺(tái)；環(huán)境溫度計(jì)。

試劑： SO2氣體(19.7×10-6，擴(kuò)展不確定度優(yōu)于±2%)，用于校準(zhǔn)儀器。

3.2 測(cè)試方法及結(jié)果分析

使用同1臺(tái)煙氣分析儀，選擇煙氣濕度分別為<15%，15%～20%，>25%的3種煙氣排放口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前預(yù)熱各儀器，利用現(xiàn)場(chǎng)清潔空氣對(duì)煙氣分析儀進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，選擇19.7×10-6的SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)儀器量程點(diǎn)。設(shè)置“微壓”式、半導(dǎo)體冷凝預(yù)處理裝置冷凝溫度分別為-8和2 ℃。測(cè)試過(guò)程中2臺(tái)預(yù)處理裝置均保持工作狀態(tài)，每臺(tái)預(yù)處理裝置交替與煙氣分析儀連接，待SO2示值穩(wěn)定后，記錄15 min均值，此為1次測(cè)試結(jié)果，共測(cè)試4次，計(jì)算均值，同時(shí)記錄煙氣溫度、濕度、環(huán)境溫度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，煙氣濕度在<15%且環(huán)境溫度不高時(shí)，經(jīng)2種煙氣預(yù)處理裝置得到的SO2示值基本一致；當(dāng)煙氣濕度在17.5%和23.2%時(shí)，“微壓”式比半導(dǎo)體冷凝預(yù)處理得到的SO2示值分別高出1.7×10-6和2.1×10-6。當(dāng)環(huán)境溫度在42和38 ℃時(shí)，因半導(dǎo)體制冷片無(wú)法得到良好的散熱，冷凝器溫度分別是9和7 ℃，比預(yù)設(shè)冷凝溫度高出7和5 ℃，預(yù)處理裝置出口的連接管可見(jiàn)明顯水霧或小水滴，除水能力明顯下降，SO2示值偏低。

表3 2種煙氣預(yù)處理的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果①

4 結(jié)語(yǔ)

比較“微壓”式、半導(dǎo)體冷凝和Nafion管干燥3種便攜式干法煙氣預(yù)處理裝置的除水效率。“微壓”式預(yù)處理裝置利用0～-10 ℃的低溫以“氣、霜”形式干燥煙氣，可在測(cè)試環(huán)境溫度高、煙氣濕度大時(shí)，仍保持較高的除水效率，有效降低除濕后污染物的損失，適合與多種煙氣分析設(shè)備配套使用；當(dāng)煙氣濕度較大且煙氣分析設(shè)備進(jìn)氣量也較大時(shí)，可根據(jù)需求相應(yīng)增加低溫干燥室容積，避免霜凝結(jié)過(guò)快、過(guò)厚而影響除水效率。半導(dǎo)體冷凝預(yù)處理裝置是目前應(yīng)用最廣泛的方法，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單但受環(huán)境影響大。環(huán)境溫度達(dá)到35 ℃以上時(shí)，電子制冷器制冷效率直線下降，直接影響煙氣的除濕效率，引起污染物濃度偏低[8]，此次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也得到了驗(yàn)證。Nafion管干燥預(yù)處理裝置須配置管內(nèi)增壓、管外吹掃和排水單元，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受環(huán)境影響較大；煙氣中若有氨，易形成羥胺，導(dǎo)致Nafion管被破壞，影響吸、排水能力。因此，使用時(shí)應(yīng)記錄有氨的累計(jì)工作時(shí)間，并及時(shí)更換Nafion管以保證干燥性能。

綜上所述，當(dāng)3種煙氣預(yù)處理裝置在最大功率狀態(tài)下工作時(shí)，煙氣濕度<10%，SO2最大損失率為3.63%，滿足除濕裝置除濕后氣體中污染物的損失不大于5%的要求[2]；當(dāng)濕度達(dá)到15%時(shí)，半導(dǎo)體冷凝、Nafion管干燥2種預(yù)處理裝置的除水效率下降，SO2損失率增至8.76%和13.2%；當(dāng)濕度達(dá)到20%時(shí)，這2種預(yù)處理裝置的除水效率進(jìn)一步下降，SO2損失率更加明顯，增加至13.9%和18.6%。

實(shí)際工作中，大部分煙氣的濕度<15%，各種煙氣預(yù)處理裝置的除水效率基本能夠滿足使用需求。但當(dāng)煙氣濕度>15%且環(huán)境溫度較高時(shí)，選用煙氣預(yù)處理裝置應(yīng)綜合考慮煙氣、環(huán)境的溫度和濕度，以及測(cè)試流量等因素。