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冷-干直接抽取法CEMS 冷凝器的选型（南京埃森环境技术有限公司）1.前言近 5 年来，在我国已安装的气态污染物 CEMS 中，直接抽取法大约占 70%（不完全统计）。直接抽取法又可分为冷-干直接抽取和热-湿直接抽取，我国排放标准要求烟气浓度以标态干基为准，最直接促使了我国安装的基本为冷-干直接抽取法。冷-干直接抽取法 CEMS的误差的来源更不易判断，探头堵塞、泄漏、管线吸附以及冷凝水的吸收都可能造成测量误差。具体到某一个污染源工况条件，某一个型号的 CEMS 其设计、安装和调试程序也不尽相同。目前，大部分冷-干直接抽法取样技术对解决高温高浓度SO2基本可以胜任。下一步冷-干直接抽取法 CEMS所面临的最重要问题为：该技术在面对湿法脱硫后的高湿、低浓度SO2，应如何准确、客观地反应污染排放现实。典型的冷-干直接抽取法包括取样探头、取样管线、过滤、除湿系统和采样泵等部分。其中除湿系统的主要作用是将烟气中的水蒸气去除，目前采用的最常见的是冷却除湿方法。冷却除湿要求快速将水蒸气冷凝，以免烟气和冷凝水接触。为避免冷凝水结冰，其冷凝温度大多控制在 3-5左右。通常采用的冷却除湿为压缩机制冷和电子制冷（帕尔帖效应）。烟气除湿系统一般包含烟气冷凝器、采样泵、蠕动泵和相关的报警和控制部件，其中最关键部件是烟气冷凝器，样气通过冷却方式将烟气温度降低到 3-5左右，使其低于烟气露点温度形成液态水从而脱除大部分水分，一个成功的烟气冷凝器适用于一定的样气流量和烟气含湿量，能够迅速将冷凝水从气流中分离出来，经过冷凝器处理后的样气是冷的和干燥的，在经过升温后进入分析仪表进行测量。主要的难题在于上述除水的过程中如何并尽可能减少冷凝水与干燥后气体的接触，从而保证烟气除水后出口露点的稳定、减少 SO2组分被冷凝液吸收而造成组分丢失。在设计不良的烟气冷凝器，经过除湿的干燥气流与的冷凝液接触时间过长，或者不能迅速地将冷凝水从气流中分离出来，这两种情况都会造成 SO2等可溶性气体被吸收的概率增大。当被测气体浓度较低如低于100ppm 时，这种吸收对测量的结果影响更为明显。本文探讨了烟气冷凝器的关键性能指标，提出烟气冷凝器脱水率、SO2组分丢失率和烟气出口露点等关键参数的计算公式，提出一个适合不同工况条件下烟气冷凝器选型的依据和方法，为解决下一步冷-干直接抽取法 CEMS 所面临的湿法脱硫后的高湿、低浓度 SO2，应如何准确、客观地反应污染排放现实问题，提供一个合理科学的解决方案。2.冷凝器的两种制冷方式样气冷却降温除湿的方法一般为压缩机制冷和半导体制冷两种方式，压缩机冷却的原理和电冰箱完全相同，如图所示，制冷剂蒸汽经压缩机压缩后，在冷凝器中液化并放出热量，进入干燥器脱水，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压膨胀汽化。制冷剂在汽化器中充分汽化并大量吸热，使与之换热的样品冷却降温。压缩机冷却器的一般包括压缩机制冷装置、温控装置、制冷腔体、热交换管、有时采用两级热交换管，在两极热交换管之间增加一个采样泵，从一级热交换管加压向第二级热交换管传送样气，样气在压力下，水分子从液体表面逃逸蒸发更为困难，比在大气压力下冷凝除湿效果更好，这种增压会使气体的含水量降得更低。半导体制冷时根据1834 年由帕耳帖（Peltier）发现的一种现象，当一块N 型和一块 P 型半导体用导体连接并通以电流时，形成冷热端，电流越大，温差越大，调节电流大小即可控制制冷温度，优点是外形尺寸小、维护简单、在环境温度不高的情况下容易实现较低的制冷温度，在温度升高到35 度以后制冷效率直线降低，成本较高。3.冷凝器的制冷能力要根据处理的烟气入口温度、含湿量和流量合理选择冷凝器的制冷能力，要保证制冷能力大于所需的处理样气热量，冷凝器的制冷能力可以采用以下几个衡量指标：1)冷却温度：冷凝器设定的温度一般为 3-5，但实际达到的温度是冷却温度，冷却温度与冷凝器的制冷容量、控制方式和环境温度有关，环境温度越高冷却温度越高，特别是高于 40以上，会导致半导体制冷方式的性能快速下降，甚至使冷却温度无法达到设定温度。2)冷凝温度：是指烟气冷凝器内热交换管内的温度，一般会比实际冷却温度高，冷凝温度也是影响脱水效果和出口露点温度的关键。以下图表为国内外的四款不同品牌冷凝器的测试曲线，流量的影响对不同品牌的双热交换管冷凝器是存在明显的变化的。A 冷凝器 B冷凝器C冷凝器 D 冷凝器4)温度稳定性：在设定温度下，实际冷却温度的波动范围，受制冷原理、控制方式和环境温度影响，温度波动范围过大（如采用开关式控制压缩机的工作状态，会带来明显的温度周期性、锯齿型波动），直接会影响烟气出口露点温度的稳定。4.冷凝器脱水能力冷凝器的脱水能力建议采用下述两个指标衡量。1)1)出口露点温度：出口露点温度：出口露点温度达到一定的值并保持稳定十分关键，直接影响干基测量结果，建议要稳定在 4（8100ppm)以下出口露点直接关系干基测量的基数高低,参见下表：出口露点出口露点 tdtd体积百分比体积百分比 ppmppm绝对含湿量绝对含湿量 g/mg/m3 337,5645.5648,1225.9758,7166.4069,3486.87710,0207.35810,7387.87表12 2）脱水率：）脱水率：为了便于衡量不同冷凝器的脱水能力，在此推荐一个脱水率的概念，并提出脱水率的计算公式：脱水率=（Td0-Td1）/Td0 100%入口烟气露点Td0（脱水前的烟气含湿量）出口烟气露点Td1（脱水后的烟气含湿量）3 3）各品牌冷凝器的脱水效率比较：）各品牌冷凝器的脱水效率比较：参见下图：87.49%94.04%84.47%86.58%90.49%91.78%93.71%78%80%82%84%86%88%90%92%94%96%百分比（）ABCDJ1J2J3冷凝器类型流量为2L/min，入口露点45时，各冷凝器的脱水率对比图同一工况下了不同品牌冷凝器的脱水率比较流量为2L/min时，各冷凝器的脱水率80%85%90%95%100%3540455055入口露点()百分比（）ABCDJ3 不同湿度的情况下不同品牌脱水率的比较从上图可以看出：1）不同品牌的脱水率均随着烟气入口露点的增大而提高，呈现明显的正相关关系；2)脱水率低于90%时，会导致出口露点偏高，进入分析仪表的烟气含湿量偏大，不仅影响测量结果，也容易因烟气凝结而腐蚀仪表；3）建议冷凝器的脱水率作为必要的技术指标，脱水效率建议不低于 90%。4 4）露点温度、冷却温度与冷凝温度：）露点温度、冷却温度与冷凝温度：虽然看上去都是使用温度，其实三者之间区别很大。露点是指气体中饱和水汽开始凝结结露的温度，在100%的相对湿度时，周围环境的温度就是露点温度。实际上露点就是一个气体含湿量的指标，不过是用温度单位表示而已，露点值越大代表含湿量越高。露点 Td 可以一一对应换算为绝对含湿量g/m3、体积百分比 vol.%。例如烟气入口的含湿量参见下表 2：入口露点入口露点 tdtd体积百分比体积百分比vol%vol%绝对含湿量绝对含湿量g/m3g/m3304.4%23.3407.88%40.55013.9%67.76024.6%109.37044.6%170.98088.1%259.6为了直观体现上述指标，根据所测试的来自国内外的几款冷凝器实际检测结果参见下图：A冷凝器 B 冷凝器 C冷凝器 D 冷凝器如图所示，在同样的入口露点、温度和流量的情况下，各品牌冷凝器的出口露点的变化时很明显的。从上述几张表可以看出：1）冷凝器第一级脱水后出口露点是偏高的，并不太稳定，经过第二级脱水后出口露点温度比较理想，波动范围也明显变窄；2)冷凝器脱水后的出口露点或者说残余含湿量，在第一级脱水时随着入口的烟气含湿量升高而明显变高，再经过第二级脱水后烟气的含湿量大部分均趋于稳定；3)综上所述，建议冷凝器一般选择两级脱水比较理想。5.冷凝器的制冷能力与脱水效果 制冷能力首先需要满足工况条件的要求，在制冷能力一定的情况下，烟气的温度、湿度、流量影响脱水效果，一般情况下三者越高脱水效果越差，在制冷能力一定的情况下，可以适当选择降低温度或流量提高脱水效果，但要综合考虑所带来的负面影响。1 1）降低温度）降低温度一般从采样器-伴热线-冷凝器整个流路过程会出现 3-5 个可能的降温点：1.采样器：外置于烟道外侧，通过一根采样探管将烟道内的烟气采出，在此过程由于烟道壁、保温层或安装法兰、安装探管或采样器本身加热不良产生烟气温度下降，一旦温度接近或低于烟气露点回带来烟气结露和灰尘凝结而成的堵塞；2.伴热线：温度分布不均或温度偏低导致烟气温度再次下降，一般烟气含有 SO2和少量的 SO3，特别是 10ppm的SO3存在就会明显影响烟气露点，不含 SO3的烟气露点一般为 60-80，含有 SO3的露点会高达 160-170，低于该温度也容易产生烟气结露。3.风冷或自然冷却：采用风冷的方式强制降温，一般会将温度降低到 80以下，甚至到 40，这个过程最容易产生结露生成液态水，也直接导致烟气SO2溶于水造成SO2组分丢失。在冷却能力一定的情况下通过温度降低是一个有效提高脱水效果的方法，需要在保证温降低的过程不要低于烟气的露点温度，要防止温度降低过程产生的组分丢失。2 2）降低采样流量）降低采样流量可以有效减少单位时间内通过冷凝器处理的烟气总量，从而在冷却能力一定的情况下提高脱水效果。但需保证采样克服烟道负压和采样管路的阻力，保证满足仪表的最少用气量，保 CEMS 系统的响应速度。在满足上述条件下，建议尽量减少采样的流量。5.脱水效率与出口露点温度 脱水效率并非越高越好，过低肯定不行，但过高浪费能耗，也会成本较高，说明选型不合理。出口露点温度要满足要求的条件下，波动越小越稳定，性能越好，但不能简单的用冷凝器温度取代露点温度，这是十分关键的。出口露点温度建议低于4，波动小于 1。6.冷凝器SO2组分丢失率1.SO1.SO2 2组分丢失率：组分丢失率：冷凝器的 SO2组分丢失直接关系到组分测量的结果，SO2组分丢失率建议一般不大于 2%。SO2组分丢失率=（1-2）/1 100%1：冷凝器入口烟气 SO2的浓度2：冷凝器出口烟气 SO2的浓度冷凝器的性能主要集中在被测气体组分在冷凝液中的吸收问题上，设计不良的系统中，经过除湿的干燥气流与收集起来的冷凝夜接触时间过长，或者不能迅速地将冷凝水从样气气流中分离出来，这两种情况都会造成可溶性气体被吸收的概率增大，当被测气体浓度低于100ppm，这种吸收对测量结果的影响更为显著。研究发现 100-1000ppm 浓度范围的 SO2，在烟气冷凝器中的 SO2损失量依据条件不同约在 2%-10%之间，损失量随着气体湿度增大，浓度降低和冷却温度降低而增大。通常认为，尽可能减少气体与冷凝器表面的接触时间，可以降低这种损失。这需要研究热交换管的结构和材质。例如 512ppm 浓度的 SO2组分损失时三款不同冷凝器的数据参见下图：512ppm SO2不同冷凝器的组分损失值1.18%4.69%30.31%5.02%1.68%2.76%4.35%0%5%10%15%20%25%30%35%百分比（）ABCDJ1J2J3冷凝器类型流量为2L/min，含湿量为11Vol%时，冷凝器入口SO2含量40PPM时，各冷凝器的SO2损耗率对比图低浓度 40ppm SO2不同冷凝器的 SO2损失率比较图SO2的损失量随着烟气湿度的增加、SO2浓度的降低、冷凝器的冷凝温度的降低而增大，需要通过合理的设计配置不同材质结构的热交换管，尽可能减少烟气与冷凝器中液态水的接触时间和接触面积，降低 SO2组分丢失率。下图为两款不同冷凝器的脱水率和 SO2组分丢失率的比较：流量为2L/min下，入口露点45（10.5Vol%)C C冷凝器出口露点与SO2含量对比图0%10%20%30%40%50%60%70%80%17:5717:5918:0118:0318:0518:0718:0918:1118:1318:1518:1718:1918:21时间百分比（%)脱水率SO2丢失率 C 冷凝器的脱水率和组分丢失率流量为2L/min下，入口露点45（10.5Vol%)J J冷凝器出口露点与SO2含量对比图0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%17:5717:5918:0118:0318:0518:0718:0918:1118:1318:1518:1718:1918:21时间百分比（%)脱水率SO2丢失率J 冷凝器的脱水率和组分丢失率流量为2L/min下，入口露点45（10.5Vol%)C C冷凝器和J J冷凝器出口露点与SO2含量对比图0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%17:5717:5918:0118:0318:0518:0718:0918:1118:1318:1518:1718:1918:21时间百分比（%)J冷凝器-脱水率J冷凝器-SO2丢失率C冷凝器-脱水率C冷凝器-SO2丢失率C 和 J 冷凝器的脱水率和组分丢失率综合比较上述两者的综合比较，可以比较直观的发现 C 冷凝器的脱水率偏低，组分丢失率却很高，会带直接影响测量结果的准确性。因为实际上没有完全相同的工况，决定了需要根据不同的工况选择合理的冷凝器和热交换管。针对湿法脱硫、垃圾焚烧炉、脱硝等不同的工况需要考虑采用不同规格的冷凝器，以达到脱水效果和组分丢失之间的平衡。7.冷凝器性能综合指标为了便于研究冷凝器的各项性能指标，特将上述介绍的各项指标做了一个综合结构表，参见下表4：冷却能力冷却能力脱水能力脱水能力SO2SO2 组分丢失率组分丢失率冷却温度入口露点SO2 入口浓度冷凝温度出口露点出口露点SO2 出口浓度温度波动出口露点波动出口露点波动SO2SO2 组分丢失率组分丢失率抗高温性脱水率脱水率为了便于比较不同冷凝器的性能，进一步简化为以下四个关键指标，可以快速判断不同冷凝器之间的性能差异，如下表5：关键指标关键指标关键指标的用途说明1)1)冷凝器出口露点冷凝器出口露点量化出口烟气含湿量，判断是否满足干基的要求2 2）露点波动范围露点波动范围判断干基的波动是否在允许的范围3 3）冷凝器脱水率冷凝器脱水率判断冷凝器的制冷能力和脱水效果是否满足要求4 4）So2So2 组分丢失率组分丢失率判断冷凝器的组分丢失对于测量精度的影响大小 CEMS应用于不同的工况条件下如：脱硫、脱硝、垃圾焚烧等，特别是针对湿法脱硫后，面临的温度偏低、湿度偏大、SO2浓度又很低的情况下，对于烟气冷凝器需要适应不同的工况采用不同的指标进行综合平衡。为了进一步明确冷凝器的选型，先根据常见的脱硫前后的工况条件，推荐一下脱硫前和脱硫后两种类型的关键指标，以便更有效地合理选择合适的冷凝器：脱硫前脱硫前（参考工况：SO2浓度100ppm，含湿量 5vol%，烟气温度 120）脱硫后脱硫后（参考工况：SO2 浓度100ppm，含湿量10vol%,烟气温度 60）冷凝器出口露点4冷凝器出口露点4露点波动范围1露点波动范围90%冷凝器脱水率90%SO2组分丢失率2%SO2组分丢失率5%8.工作环境与制冷方式 半导体与压缩机冷凝器的脱水效果与在不同环境温度下表现有明显差异，参见下图：入口Td：40，流量为2NL/min，压缩机冷凝器和半导体冷凝器出口露点随环境温度的变化曲线图246810121416182025303540455055环境温度（）出口露点（）半导体冷凝器压缩机冷凝器压缩机与半导体制冷效果比较图如上图所示，两种不同原理冷凝器的有以下几点：1)随着环境温度的升高，半导体冷凝器的脱水后的含湿量不断提高，环境温度高于40的后，脱水效率明显下降，压缩机在环境温度 55依然保持较高的脱水率；2)半导体的冷却温度控制一般不采用PID 闭环调节方式，会在一个较大的温度范围内波动（比如2-8），压缩机可以通过 PID闭环调节方式精确控制制冷温度在31甚至0.5，相比较压缩机的冷却效果会更理想；综上所述，在恶劣的在线CEMS 监测环境下，建议优先选择压缩机制冷而慎重选择半导体制冷方式；针对便携式和移动式预处理装置，建议优先选择半导体制冷方式，因为半导体的尺寸小、重量轻、控制简单，在普通环境温度下具有良好的制冷效果。4.结论烟气冷凝器作为冷-干抽取式 CEMS 的关键部件，直接影响 CEMS测量结果和仪表使用寿命，为了合理选型需要根据工况条件、工作环境和关键性能参数综合衡量判定，没有一款冷凝器可以满足所有的工况条件：1）压缩机或半导体制冷决定制冷方式和制冷能力；在制冷能力一定的情况下，烟气入口的温度、湿度和流量综合决定了脱水效果；2）制冷能力一定的情况下，需要综合选择冷凝器的几个关键性能如脱水率、出口露点、SO2组分丢失率等进行选型，尤其不要用冷凝器的制冷温度取代出口露点温度。3）在满足上述性能的情况下，要在脱水效果与组分丢失率之间平衡；要在脱水效果与出口露点稳定性间平衡；要在实际工况与制冷能力和热交换效果上平衡。4）冷凝器的性能还受到冷凝器的结构、材质、排凝蠕动泵等的综合影响，合理选择上述各要素并形成合理的匹配也是需要认真考虑的。参考文献1杨凯 烟尘烟气连续自动监测系统技术现状和发展趋势 中国环境监测总站 2008.112魏复盛 滕恩江 等 空气和废气监测分析方法（第四版增补版）中国环境科学出版社 2007.103 美 罗伯特 E.谢尔曼 过程分析仪样品处理系统技术 化学工业出版社 20044 英 D.C.Cornish,G.Jepson,M.J.Smurthwait 工艺过程分析器的取样系统（Sampling systems for process analyzers）化学工业出版社 1989