冷-干直接抽取法CEMS冷凝器的选型
摘 要: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温度等关键参数的计算公式，提出了适合不同工况条件下烟气冷凝器选型的依据和方法，为解决冷-干直接抽取法CEMS所面临的湿法脱硫后的高湿、低浓度SO2，及如何准确、客观地反映污染排放的现实问题，提供了一个合理的解决方案。
关键词:CEMS,烟气冷凝器,脱水率,SO2组分丢失率
1 前言
据不完全统计，近5年来，在我国已安装的气态污染物CEMS冷凝器中，直接抽取法约占70%。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，直接决定了我国安装的气态污染物冷凝器基本为冷-干直接抽取设备。
目前，大部分冷-干直接抽取法取样技术对解决高温高浓度SO2基本可以胜任。但在面对湿法脱硫后的高湿、低浓度SO2时应如何准确、客观地反映污染排放现实，则是冷-干直接抽取法CEMS冷凝器面临的最重要的问题。
典型的冷-干直接抽取法装置包括取样探头、取样管线、过滤、除湿系统和采样泵等。其中除湿系统的主要作用是将烟气中的水蒸汽去除，目前采用的最常见的是冷却除湿方法。冷却除湿法要求快速将水蒸汽冷凝，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℃。通常采用的冷却除湿法为压缩机制冷和电子制冷。
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，其中最关键的部件是烟气冷凝器，烟气通过冷却将温度降低到3℃～5℃，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烟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烟气是冷且干燥的，经过升温后可进入分析仪表进行测量。
主要的难题在于上述除水过程中如何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的丢失。
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的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，以及如何准确、客观地反应污染排放的现实问题，提供一个合理科学的解决方案。
2 冷凝器的两种制冷方式
烟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。
（1）压缩机制冷
压缩机冷却的原理（见图1所示）和电冰箱完全相同，制冷剂蒸气经压缩机压缩后，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气化。制冷剂在气化器中充分气化并大量吸热，使与之换热的样品冷却降温。压缩机冷却器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烟气。烟气在压力下，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的效果更好，这种增压会使气体的含水量降得更低。
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（2） 半导体制冷半导体制冷是根据 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℃以后制冷效率直线降低，成本较高（见图2）。
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3 冷凝器的制冷能力
要根据处理烟气的入口温度、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烟气热量。衡量冷凝器的制冷能力可采用以下指标：
（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，特别是在40℃以上时，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
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。
（3）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，温度波动范围过大就会直接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，其会直接影响干基测量结果，因此建议要稳定在4℃ （8100ppm）以下。
（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%
其中：Td0 — 入口烟气露点（脱水前的烟气含湿量）； Td1 — 出口烟气露点（脱水后的烟气含湿量）。
（3）各品牌冷凝器的脱水效率比较
不同品牌冷凝器的脱水率均会随着烟气入口露点温度的增大而提高，呈现明显的正相关关系；脱水率低于 90%时，会导致出口露点温度偏高，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。建议将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%。
根据对国内外几款冷凝器的实际检测结果得出：
（1）冷凝器第一级脱水后出口露点温度是偏高的，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温度或者说残余含湿量，在第一级脱水时随着入口的烟气含湿量的升高而明显变高，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、流量会影响脱水效果，一般情况下，三者越高脱水效果越差。因而在制冷能力一定的情况下，可以适当选择降低温度或流量来提高脱水效果，但要综合考虑所带来的负面影响。
（1）降低温度
一般在采样器-伴热线-冷凝器的整个流路过程中会出现3～5个可能的降温点。在冷却能力一定的情况下，通过降低温度是一个可有效提高脱水效果的方法，需要保证温度不低于烟气的露点温度，要防止温度降低过程发生组分丢失的情况。
（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，以及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。
6 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，但过高不仅浪费能耗，也会增加成本，说明选型不合理。出口露点温度在满足要求的条件下，波动越小越稳定，性能就越好，但不能简单地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℃。
7 冷凝器SO2组分丢失率
研究发现，100～1000ppm浓度范围内的SO2，依据不同条件在烟气冷凝器中的SO2损失量约为2%～10%，损失量随着烟气湿度的增加、SO2浓度的降低和冷凝器冷凝温度的降低而增大。这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，从而降低SO2组分的丢失率。但因为实际上没有完全相同的工况，因此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。
8 冷凝器性能综合指标
CEMS应用于不同的工况条件下如脱硫、脱硝、垃圾焚烧等，特别是在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，烟气冷凝器需要适应不同的工况采用不同的指标来进行综合平衡。为进一步明确冷凝器的选型，根据常见的脱硫前后的工况条件，推荐脱硫前和脱硫后的两种类型的关键指标（见下表），以便更有效合理地选择合适的冷凝器。
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9 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：
（1）随着环境温度的升高，半导体冷凝器脱水后的含湿量不断提高，环境温度高于40℃后，脱水效率明显下降，压缩机在环境温度为55℃时可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，但会在一个较大的温度范围内波动（如2℃ ～8℃）；压缩机可通过PID闭环调节的方式精确控制制冷温度在3℃±1℃甚至±0.5℃，因此相比之下，压缩机的冷却效果会更理想。
综上所述，在恶劣的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。
10 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的测量结果和仪表使用寿命。冷凝器合理选型需要根据工况条件、工作环境和关键性能参数进行综合衡量判定，没有一款冷凝器可以满足所有的工况条件：
（1）是利用压缩机还是半导体制冷决定于制冷能力；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）在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、出口露点温度、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，要平衡考虑脱水效果与组分丢失率、脱水效果与出口露点的稳定性、实际工况与制冷能力和热交换效果等。
（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：
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