基于Nafion管干燥技术的研究和应用初探

杭建东

摘要：燃煤电厂在CEMS 气态污染物监测系统中，低量程SO2和NOx在低温、高湿度烟气条件下的监测出现了测量不准、寿命不高等问题。本文提出的采用Nafion干燥管技术，凭借其独特的气态膜除湿、保留目标气态的特点，为冷干直抽法CEMS 拓宽了一条原位预处理的路径。Nafion管在连续的除湿过程中，完全保留烟气中的待测气体，同时Nafion管类似于Teflon，具有极强的耐酸性腐蚀能力。

关键词：Nafion管;样气分析;原位冷干直抽法

一、背景

火电厂的烟气连续排放监测系统（CEMS）最令人头疼的是气体采样中存有大量的气体尘埃、腐蚀性和潮湿的气体。目前火电CEMS系统预处理通用的做法是采用过滤、取样管线加热和压缩机冷凝， 其常常表现出的问题有：采样探头堵塞、采样管路漏气、采样泵流量降低、冷凝器除湿效率降低、冷凝器排水蠕动泵损坏、过滤元部件失效、铵盐结晶等。为了有效去除样气中的酸雾、气溶胶及氨气，选择性去除样气中的气体水份，同时保留需要监测的目标气体，例如SO2、NO、O2、HCL和HF等，我们重新选择了一种新的Nafion管干燥材料，来解决以上的除湿难题。

二、Nafion 管及其机理

Nafion是聚四氟乙烯（Teflon®）和全氟-3，6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物。Nafion管中气态水的迁移以其对磺酸基的化学亲和力为基础，与气体分子的大小无关。磺酸基具有很高的亲水性，Nafion管壁吸收的水份，会从一个磺酸基向另一个磺酸基传递，直到最终到达另外一侧的管壁，水份蒸发到干燥的反吹气中被带走，这一现象称为过蒸发（Pervaporation）。

Nafion 管的机理有：

· PTFE 骨架

· 具有磺酸基侧链

· 极强的化学亲水性

· 基于气态水梯度差的水分转移机理

Nafion管除湿过程如图1所示，Nafion管除湿的驱动力是管内外的水汽压力梯度（即湿度差），而非压力差或温度差。即使Nafion管内压力低于其周围的压力，Nafion管照样能对样气进行干燥。只要管内外湿度差存在，水蒸气的迁移就始终进行，因此需要干燥、洁净、连续的反吹气（空气或氮气）在Nafion管的外侧反吹，通常反吹气流量为湿烟气流速的两倍。

三、fion 管的实验室测试

1、Nafion管干燥和电热冷凝器的测试比较

在实验室用湿热发生系统产生H2O 15%和30%及SO2浓度分别为20μmol/mol、50μmol/mol和100μmol/mol的试验气体，分别通过电热冷却器干燥系统和Nafion管干燥器后，用UV和FTIR分光计检测。

试验结果表明，采用冷凝器除湿比采用Nafion管干燥器的SO2的流失率较大;就算是30%的高湿度情况下，Nafion干燥管也可以有效保留SO2。

2、Nafion干燥和其它多种冷凝方式的比较

2020年6月，在南京进行了针对高湿度、低量程SO2的试验，试验采用了安装有Nafion干燥管的GASS样气处理系统，试验结果见表2（SO2标准配置浓度：500ppm;烟气温度：120℃） 。

试验结果表明：在高湿度的情况下，经GASS樣气处理系统处理后，相比起其它冷凝方式，SO2的流失率较低，最高为10%湿度时的3.2%。而在27%湿度条件时，SO2的流失率仅为0.8%。当进气烟气水含量为27%时，经过GASS样气处理系统处理后，烟气出口露点< -12℃（含水量2，150mg/Nm3），大大优于样气露点 < 0℃的要求。

三、Nafion 管的优缺点

通过多次试验表明，和所有传统的样气除湿处理部件相比，Nafion管是唯一具有气态除湿并保持待测烟气组分不流失优点的独特技术。除外，Nafion还具有其它诸多优点，如反应快速（<0.1秒）、耐温、耐压、选择性好、过程简单、体积小巧，没有可拆分的零部件，一般无需维护以及无能耗等。

但是，Nafion 管在使用中也有其局限性：1. 不能有大量颗粒污染物或油类聚集。通常建议Nafion管前的过滤滤径<1μm，否则颗粒物会聚集在Nafion 管的表面，影响其除湿效果;另外，不能有油，否则一样会污染Nafion 管表面;2. 干燥过程中不能有液态水，否则Nafion 发生的自催化反应会导致Nafion 管变冷，从而失去干燥功能;3. Nafion 管应避免和氨气接触，因为氨气会导致Nafion 管不可逆的破坏。

四、应用初探

为了保证 Nafion管的平稳高效除湿，必须保证：对样气和反吹气体进行除油、除尘;提高 Nafion管的运行温度，保证其高压烟气露点温度，确保无液态水析出;采用除氨器去除烟气中的氨气，确保 Nafion不和氨气接触。

申能漕泾发电厂CEMS系统中，原来采用传统的冷干直抽法技术进行预处理，即采用高温伴热管+冷凝器除湿的办法。该方法不仅测量不准确，存在成分丢失的现象，而且长期使用后发现测量传感器存在严重的堵塞和腐蚀现象。

后来该厂经过了设备改造，使用了原位冷干直抽法进行处理，即系统采用Nafion管除湿，并内置除氨器、可去除酸雾的絮凝过滤器，因此不需要高温伴热管和冷凝器。既保留了分析气体的成分 ，而且还提高了测量传感器的使用寿命。

五、总结

与所有现存技术相比，应用了Nafion干燥技术的干燥器和加湿器都具有更高的选择性，在干燥过程中可以有选择地完整保留工艺样气中的待测气体。具体汇总如下：

（1）样气能够干燥至露点-45℃或加湿至100%RH;

（2）水分转移迅速完成，短至几分之一秒;

（3）全运行过程连续且自我再生;

（4）设备具备极强的耐腐蚀性;

（5）干燥及加湿过程无需使用电源，适用于高防爆等级的危险区域;

（6）无需任何冷凝处理，无水溶损失，增加Nafion干燥管的数量和长度可以适应不同的样气测量的要求。

参考文献：

[1] 杨凯，周刚，王强 等. 烟尘烟气连续自动监测系统技术现状和发展趋势[J]. 中国环境监测，2010，26（5）：18-26.

[2] 孟尚虎，宦培养 等. CEMS装置烟气预处理装置的改进及维护[J]. 电力科学与工程，2011，27（4）：58-60.