冷-干直接抽取法 CEMS 冷凝器的选型

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)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：

表1

2）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）各品牌冷凝器的脱水效率比较：

参见下图：

同一工况下了不同品牌冷凝器的脱水率比较

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）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：

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：