烟气中污染物浓度是指在标准状态下干烟气中该物质的含量，便携式仪器直接测试烟气中的污染物时，预处理装置需要起到过滤、除湿和气液分离的作用^[1]。目前，常用的烟气预处理方法有干法和热湿法2类。干法烟气预处理分为“微压”式、半导体冷凝和Nafion管干燥3种^[2]，均采用先气化、再脱水的方式处理烟气中的水分和颗粒物，测试结果为污染物干基浓度；热湿法采用的是从抽气到分析结果全过程保持高温的方式，无须脱水干燥，烟气分析设备可同时测试污染物浓度和烟气湿度，然后通过干、湿基换算公式计算得到污染物干基浓度^[3-4]。因此，干法预处理注重烟气中水分的去除率，热湿法预处理则注重烟气湿度测试的准确性。

钢铁行业生产过程中使用的燃料大多采用本行业副产品——焦炉、高炉、转炉煤气的混合气，燃烧后烟气中水分含量较大，湿法脱硫、脱硝净化设施又进一步增加了烟气湿度，烟气呈现“高湿低排”的现象。测试期间若使用干法预处理装置，须保证高效的除水效率和排水能力，以减少水分吸附对测试结果产生影响。

为了观察便携式干法烟气预处理装置的除水效率，利用湿度发生器与二氧化硫(SO₂)标准气生成湿度梯度测试气，比较“微压”式、半导体冷凝和Nafion管干燥3种便携式烟气预处理装置中的SO₂损失率。结合各预处理装置的原理及特点，分析除水效率下降的主要原因；通过现场比对测试验证“微压”式烟气预处理装置的除水能力，为降低烟气湿度对测试结果的影响，提高监测数据的准确性提供参考。

1 干燥原理 1.1 “微压”式预处理

SO₂、二氧化氮(NO₂)、氨气(NH₃)、硫化氢(H₂S)、一氧化氮(NO)、氧气(O₂)、一氧化碳(CO)在一个标准大气压下的沸点分别为-10，-21.2，-33.5，-60.4，-151，-183和-192 ℃；水的熔点为0 ℃^[5]。利用这一物理特性，采用全封闭旋转式直流变频微型压缩机和1，1，1, 2-四氯乙烷(HFC-14a)冷媒制冷。工作期间，低温干燥室在冷媒的作用下将温度保持在0~-10 ℃，当含湿烟气进入后，在低温作用下将其中的水分迅速凝结成固态霜，从而达到干燥烟气的目的。

1.2 半导体冷凝预处理

半导体冷凝一般采用两级制冷(单级制冷温差约为45~60 ℃)^[6]，设置出气口露点温度为2~5 ℃。使用半导体制冷片包贴气体干燥室外壁，当温控电路与半导体材料联结成的热电偶产生电流时，半导体制冷片的两面产生温差，对干燥室壁进行热交换。通过风扇散热降温，保持半导体制冷片两极的温差，可持续为干燥室内的气体进行降温冷凝，从而达到干燥烟气的目的。

1.3 Nafion管干燥预处理

Nafion管属氟碳聚合物，所含的磺酸基具有很强的亲水性^[7]，当测试气中的气相水接触到Nafion管内壁时，内壁的磺酸基可迅速将水束缚，吸水后的磺酸基对水的亲和力小于外壁干燥的磺酸基，气相水则由Nafion管内壁向外壁转移，形成水气分离，从而达到干燥烟气的目的。

2 湿度梯度实验 2.1 仪器与试剂

仪器：testo 350烟气分析仪(SO₂量程为200×10^-6，上海德图)；PHG 60H便携式湿度校准仪(南京埃森)；“微压”式、半导体冷凝、Nafion管干燥预处理装置各1台，型号和主要性能指标见表 1。

试剂：高纯氮气(＞99.99%)、SO₂标准气(78×10^-6，扩展不确定度优于±2%)，均购于南京天泽，用于校准仪器零点和量程点。

2.2 实验方法

实验前，开机预热表 1中仪器，用高纯氮气校准testo 350烟气分析仪零点和SO₂标准气校准仪器量程点(78×10^-6)，待“微压”式、半导体冷凝、Nafion管干燥3种预处理装置的采样管、伴热管温度分别升至160和120 ℃；“微压”式、半导体冷凝预处理装置低温干燥室温度分别降至-8和2 ℃，Nafion管干燥装置提示工作状态正常后开始实验。

实验过程中，将SO₂标准气通入便携式湿度校准仪，设置其测试腔温度为180 ℃，出气量为2 L/min, 参与实验的3种预处理装置均保持工作状态，各预处理装置与烟气分析仪连通10 min，待SO₂示值稳定后，记录5 min SO₂均值和湿度值，依次交替直至实验完成，各仪器实验流量选择为1 L/min, 湿度梯度设置为0.1%，5%，10%，15%，20%，25%和30%，实验频次为每个湿度梯度测试6组SO₂数值。整个测试过程保证各仪器不关机、不校准。

2.3 结果与分析

3种烟气预处理的SO₂损失结果见表 2。

由表 2可见，(1)“微压”式预处理。全湿度区间内7个测试点的SO₂平均损失率为4.76%；其中湿度为0.1%~20.0%区间内的5个测试点SO₂损失率为1.07%~3.63%；湿度为24.5%时损失率为7.48%；湿度为29.5%时损失率为12.0%。当湿度增至25%时，除水能力开始下降，主要原因是该装置在工作期间不化霜、不排水，长时间、高湿度的测试环境使得低温干燥室内凝结霜的厚度增加，减弱了冷却、干燥的能力。

(2) 半导体冷凝预处理。全湿度区间内7个测试点SO₂平均损失率为11.0%；其中湿度在0.1%~10.1%区间内的3个测试点SO₂损失率为1.07%~3.42%之间；湿度在14.9%时损失率为8.76%；湿度在20.0%时损失率为13.9%；湿度在24.5%时损失率为19.0%；湿度在29.5%时损失率为27.4%。当湿度增至20%时，除水能力开始下降，主要原因是该装置的低温干燥室体积偏小，高温、高湿测试气在低温干燥室内滞留时间短，尚未冷却至设定的冷凝温度已流出干燥室。

(3) Nafion管干燥预处理。全湿度区间内7个测试点SO₂平均损失率为13.9%；其中湿度为0.1%~10.1%区间内的3个测试点SO₂损失率为1.71%~3.63%；湿度在14.9%时损失率为13.2%；湿度在20.0%时损失率为18.6%；湿度在24.5%时损失率为30.1%；湿度在29.5%时损失率为43.2%。当湿度增至15%时，除水能力开始下降，主要原因是该装置中的Nafion管长度不够，测试气中的水分子尚未及时从Nafion管内壁移动至外壁已流出管体。

3 现场验证测试 3.1 仪器与试剂

仪器：testo350烟气分析仪；“微压”式、半导体冷凝预处理装置各1台；环境温度计。

试剂：SO₂气体(19.7×10^-6，扩展不确定度优于±2%)，用于校准仪器。

3.2 测试方法及结果分析

使用同1台烟气分析仪，选择烟气湿度分别为＜15%，15%~20%，＞25%的3种烟气排放口进行测试。测试前预热各仪器，利用现场清洁空气对烟气分析仪进行零点校准，选择19.7×10^-6的SO₂标准气体校准仪器量程点。设置“微压”式、半导体冷凝预处理装置冷凝温度分别为-8和2 ℃。测试过程中2台预处理装置均保持工作状态，每台预处理装置交替与烟气分析仪连接，待SO₂示值稳定后，记录15 min均值，此为1次测试结果，共测试4次，计算均值，同时记录烟气温度、湿度、环境温度，测试结果见表 3。

由表 3可见，烟气湿度在 < 15%且环境温度不高时，经2种烟气预处理装置得到的SO₂示值基本一致；当烟气湿度在17.5%和23.2%时，“微压”式比半导体冷凝预处理得到的SO₂示值分别高出1.7×10^-6和2.1×10^-6。当环境温度在42和38 ℃时，因半导体制冷片无法得到良好的散热，冷凝器温度分别是9和7 ℃，比预设冷凝温度高出7和5 ℃，预处理装置出口的连接管可见明显水雾或小水滴，除水能力明显下降，SO₂示值偏低。

4 结语

比较“微压”式、半导体冷凝和Nafion管干燥3种便携式干法烟气预处理装置的除水效率。“微压”式预处理装置利用0~-10 ℃的低温以“气、霜”形式干燥烟气，可在测试环境温度高、烟气湿度大时，仍保持较高的除水效率，有效降低除湿后污染物的损失，适合与多种烟气分析设备配套使用；当烟气湿度较大且烟气分析设备进气量也较大时，可根据需求相应增加低温干燥室容积，避免霜凝结过快、过厚而影响除水效率。半导体冷凝预处理装置是目前应用最广泛的方法，其结构较简单但受环境影响大。环境温度达到35 ℃以上时，电子制冷器制冷效率直线下降，直接影响烟气的除湿效率，引起污染物浓度偏低^[8]，此次现场测试也得到了验证。Nafion管干燥预处理装置须配置管内增压、管外吹扫和排水单元，设备结构复杂，受环境影响较大；烟气中若有氨，易形成羟胺，导致Nafion管被破坏，影响吸、排水能力。因此，使用时应记录有氨的累计工作时间，并及时更换Nafion管以保证干燥性能。

综上所述，当3种烟气预处理装置在最大功率状态下工作时，烟气湿度 < 10%，SO₂最大损失率为3.63%，满足除湿装置除湿后气体中污染物的损失不大于5%的要求^[2]；当湿度达到15%时，半导体冷凝、Nafion管干燥2种预处理装置的除水效率下降，SO₂损失率增至8.76%和13.2%；当湿度达到20%时，这2种预处理装置的除水效率进一步下降，SO₂损失率更加明显，增加至13.9%和18.6%。

实际工作中，大部分烟气的湿度 < 15%，各种烟气预处理装置的除水效率基本能够满足使用需求。但当烟气湿度>15%且环境温度较高时，选用烟气预处理装置应综合考虑烟气、环境的温度和湿度，以及测试流量等因素。