煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

葛 鵬

(東華工程科技股份有限公司,合肥 230024)

1 項目概況及工藝流程

合肥市危險廢物集中處置項目是根據(jù)國家的有關(guān)規(guī)定,強(qiáng)化危險廢物全過程監(jiān)管,有利于對全市危險廢物實施集中處理,防治污染,保護(hù)環(huán)境,創(chuàng)建國家環(huán)境保護(hù)模范城市的需要而建設(shè)的。該項目危險廢物集中處置量為21.1 kt/a,其中焚燒處理規(guī)模為5.9 kt/a,其余采取固化填埋處理。選擇成熟、可靠的焚燒工藝,使焚燒后的尾氣凈化后達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此,煙囪排放氣體的準(zhǔn)確檢測是項目成敗的關(guān)鍵。焚燒工藝流程如圖1所示。

2 煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)

CEMS(Continuous Emission Monitoring System)是指對大氣污染源排放的氣態(tài)污染物和顆粒物進(jìn)行濃度和排放總量連續(xù)監(jiān)測,并將信息實時傳輸?shù)街鞴懿块T的裝置。CEMS分別由氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)組成。氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)主要用于監(jiān)測氣態(tài)污染物SO2,NOx等的濃度和排放總量;顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)主要用來監(jiān)測煙塵的濃度和排放總量;煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)主要用來測量煙氣的流速、溫度、壓力、含氧量、濕度等,用于排放總量的計算和相關(guān)濃度的折算;數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成,實時采集各項參數(shù),生成各濃度值對應(yīng)的干基、濕基及折算濃度,生成日、月、年的累積排放量,完成丟失數(shù)據(jù)的補(bǔ)償并將報表實時傳輸?shù)街鞴懿块T。

圖1 焚燒工藝流程示意

2.1 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)

氣態(tài)污染物監(jiān)測采用獨(dú)有技術(shù)熱濕法,其原理是利用紫外差分法測量高濕煙氣中的SO2,NOx(含水分),再經(jīng)過冷凝除水裝置,用電化學(xué)法測量CO,O2,用紅外技術(shù)測量CO2,利用原位式半導(dǎo)體激光光譜吸收(DLAS)技術(shù)測量 HCL,HF,CH4,然后通過干濕轉(zhuǎn)化可計算 SO2,NOx,O2,HCL, HF,CH4干煙氣濃度。

2.1.1 采樣單元

該CEMS的采樣單元主要由采樣探頭和伴熱管線組成。按照國家規(guī)范將采樣探頭安裝在煙道(或煙囪)的適當(dāng)位置,采集煙道中的氣體,并通過伴熱管道將氣體運(yùn)送到位于機(jī)柜內(nèi)部的加熱盒中。為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確,采樣探頭和伴熱管線都采用電伴熱的方式,可以將氣體保持在設(shè)定的溫度,以防止氣體中水分凝結(jié)。

2.1.2 預(yù)處理單元

預(yù)處理功能主要有兩步:將采樣得到的濕熱樣氣經(jīng)過伴熱管道送入位于機(jī)柜內(nèi)的加熱盒中,加熱盒的溫度保持在120～200℃左右,保持樣氣的組分不變,防止氣體中的水汽凝結(jié),與SO2作用生成亞硫酸,腐蝕設(shè)備,并影響測量結(jié)果;加熱盒中測量池測量完畢后的濕熱氣體再經(jīng)過冷凝除水裝置,變?yōu)槌馗稍餁怏w,以便之后使用紅外氣體分析儀測量CO2,以及采用電化學(xué)法測量O2和CO。

2.1.3 分析儀表

a)分光光譜氣體分析儀。該分析儀是基于多波段光譜分析技術(shù)(OMA)和差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)(DOAS)的氣體分析儀器。光源發(fā)出的光束通過光纖傳輸?shù)酵庵玫母邷販y量室,穿過氣體室時被待測氣體吸收后,由光纖傳輸?shù)焦庾V儀,在光譜儀內(nèi)部經(jīng)過光柵分光,由陣列傳感器將分光后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,獲得氣體的連續(xù)吸收光譜信息。儀器根據(jù)此光譜信息采用DOAS,得到被測氣體的濃度。

1)OMA技術(shù)。由于各種氣體分子在不同波段對光波有不同的吸收,通過對氣體吸收后的連續(xù)光譜的分析,實現(xiàn)了多種氣體的同時測量。

2)DOAS技術(shù)。其核心思想是將氣體的吸收光譜分解為快變和緩變兩個部分?？熳儾糠峙c氣體分子的結(jié)構(gòu)和所組成的元素有關(guān),是氣體分子吸收光譜的特征部分;緩變部分與煙塵、水汽、背景氣體的干擾,以及測量系統(tǒng)的變化等因素有關(guān),是干擾部分。DOAS采用快變部分計算被測氣體的濃度,測量結(jié)果不受干擾,準(zhǔn)確性高。

b)激光氣體分析儀。該分析儀是基于半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的分析儀,半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長的激光束穿過被測氣體時,被測氣體對激光束進(jìn)行吸收導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減,激光強(qiáng)度的衰減與被測氣體含量成正比,因此,通過測量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析獲得被測氣體中 HCL, HF,CH4的濃度。

2.2 顆粒物及煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)

顆粒物監(jiān)測采用激光透射原理的激光粉塵儀,該儀器采用獨(dú)特的反射式光學(xué)設(shè)計,在增加測量光程、提高測量靈敏度的同時,使得所有光電器件(傳感器、激光器)處于相同的環(huán)境溫度下,進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性?；诟咝У姆垂獠牧系姆瓷涔鈱W(xué)設(shè)計,降低光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)要求,增強(qiáng)了抗振動能力,同時自帶吹掃系統(tǒng)。

該激光粉塵儀內(nèi)置了高性能微處理器,自動化程度非常高。由于避免了易磨損的運(yùn)動部件和其他需經(jīng)常更換的部件,日常預(yù)防性維護(hù)主要局限于周期性地目測檢查和清潔光學(xué)視窗,并且無須在這些預(yù)防性維護(hù)后進(jìn)行系統(tǒng)重新調(diào)整。

煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)包括煙氣溫度、壓力、流速和濕度的測量。煙氣溫度采用鉑電阻溫度傳感器測量;其壓力采用高精度壓力傳感器測量;其流速采用差壓變送器測量,通過測量煙氣流動中的全壓和靜壓,得到煙氣的流速;其濕度采用高分子薄膜電容法進(jìn)行測量。所有的測量信號被送入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)由集線箱、工控機(jī)、CEMS監(jiān)測軟件、企業(yè)DCS數(shù)據(jù)傳輸單元等構(gòu)成。集線箱安裝在戶外的平臺上,采集現(xiàn)場所有設(shè)備的4～20 mA信號,通過內(nèi)部的處理單元轉(zhuǎn)換為工業(yè)現(xiàn)場的RS-485信號與機(jī)柜內(nèi)的工控機(jī)進(jìn)行通信。CEMS監(jiān)測軟件安裝于工控機(jī)系統(tǒng)內(nèi),用于監(jiān)測和匯總所有的氣體濃度信息和工作狀態(tài)信息,同時生成報表、存儲數(shù)據(jù)、記錄歷史數(shù)據(jù)、與環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)通信等功能。DCS數(shù)據(jù)傳輸單元安裝于機(jī)柜內(nèi)部,通過CEMS監(jiān)測軟件進(jìn)行通信,將測量的參數(shù)轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號送給客戶的DCS。

儀表操作人員在辦公室內(nèi)可以通過安裝在上位機(jī)上的CEMS在線監(jiān)控軟件監(jiān)控查詢所有測量信息和儀表工作狀態(tài)信息。上位機(jī)軟件同時生成國家環(huán)保部門要求的報表,通過Internet傳送到環(huán)保行政主管部門,上位機(jī)也可以連接DCS聯(lián)網(wǎng)單元實現(xiàn)與企業(yè)內(nèi)部的DCS聯(lián)網(wǎng)。

2.3.1 CEMS在線監(jiān)控軟件

a)數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控和轉(zhuǎn)換功能。屏幕顯示各測量值的干基值、濕基值和折算值;屏幕畫面能顯示過程變量的實時數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);具備按照環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)制表和打印日報、月報、年報表功能。

b)數(shù)據(jù)的存儲和檢索功能。硬件能存儲不低于10年以上的分鐘數(shù)據(jù)報表、小時數(shù)據(jù)報表、日報表、月報表、系統(tǒng)報警記錄和系統(tǒng)操作記錄;能夠檢索任意時間點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和任意時間段的報表。

c)監(jiān)測參數(shù)設(shè)置功能。可設(shè)置各測量數(shù)據(jù)的報警上下限;可設(shè)置4～20 mA模擬輸入量有關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)輸入開關(guān)量所代表報警含義;可設(shè)置管道橫斷面面積;系統(tǒng)具有多級管理權(quán)限,可以根據(jù)需要設(shè)置管理權(quán)限和登錄密碼。

d)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。選擇合適數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳單元,利用當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)與環(huán)保局環(huán)保信息平臺通信,上報監(jiān)測數(shù)據(jù)。

e)與企業(yè)內(nèi)部DCS聯(lián)網(wǎng),向企業(yè)內(nèi)部的DCS輸送濃度數(shù)據(jù)和報警信息。

2.3.2 校準(zhǔn)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有自動和手動校準(zhǔn)的功能,校準(zhǔn)操作簡單。自動校準(zhǔn)的時間一般設(shè)定為24 h,也可根據(jù)要求自行設(shè)定時間。

2.3.3 反吹子系統(tǒng)

當(dāng)該系統(tǒng)部件如采樣探頭、激光粉塵儀的發(fā)射、反射單元,半導(dǎo)體激光分析儀的發(fā)射端和接收端,皮托管差壓流量計與煙氣接觸時,提供的反吹子系統(tǒng)可以防止煙氣污染系統(tǒng)設(shè)備部件。當(dāng)反吹空氣系統(tǒng)失效時,有報警信號輸出。

采樣探頭和皮托管差壓流量計采用0.3～0.7 MPa的壓縮空氣進(jìn)行脈沖式反吹。反吹功能均可以手動或自動操作,自動反吹周期可以任意設(shè)定。

激光粉塵儀的發(fā)射端和接收端都設(shè)計有氣幕保護(hù)裝置,氣幕保護(hù)壓力約為10 kPa,可有效地保護(hù)光學(xué)鏡頭免受煙氣的污染。

2.3.4 故障和報警

當(dāng)該系統(tǒng)發(fā)生故障時,操作面板的報警燈會發(fā)出報警,分光光譜氣體分析儀也會在濃度超標(biāo)或有故障發(fā)生時發(fā)出報警,并顯示報警碼,提醒操作人員及時對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù),確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 系統(tǒng)整體特點(diǎn)

a)可靠性高。氣體分析儀采用氙燈光源,壽命達(dá)10年;氣體分析儀采用全息光柵分光和陣列傳感,無運(yùn)動部件,可靠性高;粉塵監(jiān)測儀采用一體化設(shè)計,結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。

b)維護(hù)方便、維護(hù)成本低。采樣探頭內(nèi)部采用獨(dú)有疊孔式過濾器,對采樣煙氣過濾,過濾效果好,反吹效率高,探頭維護(hù)周期長;采樣信號通過集線器接入上位機(jī),系統(tǒng)布線簡潔,安裝維護(hù)方便;氣體分析儀中光源、氣體室和光譜儀之間采用光纖連接,各部件維護(hù)和更換簡單、成本低。

c)測量精度高。從采樣輸氣到測量池測量均采用電伴熱,保證測量過程煙氣組分不變;采用熱濕法(溫度在120～200℃之間可設(shè))測量 SO2, NOx,避免冷凝水吸收SO2造成測量不準(zhǔn),以及形成的亞硫酸對冷凝裝置、采樣泵和儀表的腐蝕; SO2,NOx氣體分析采用紫外差分技術(shù),HCL, HF,CH4采用半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù),有效解決水、粉塵及其他因素對測量精度的影響;粉塵儀采用原位激光透射原理,監(jiān)測靈敏度高、響應(yīng)速度快、內(nèi)置自校正功能、測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好。

3 結(jié)束語

CEMS在危險廢物處理和鍋爐上應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)各自不同,主要區(qū)別是危險廢物國家標(biāo)準(zhǔn)要求測量HCL,HF含量;同時各生產(chǎn)商的CEMS對各種介質(zhì)的測量原理和方法也不完全相同。

該項目中CEMS自2009年6月投產(chǎn)以后,運(yùn)行良好,妥善地處置了合肥市及周邊的危險廢物,得到了合肥市環(huán)保局的認(rèn)可。

[1]國家環(huán)境保護(hù)局.HJ/T 76-2001固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)局,2001.

[2]國家環(huán)境保護(hù)局.GB/T 161571996固體污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)局,1996.

[3]國家環(huán)境保護(hù)局.GB 18484-2001危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)局,2001.

[4]國家環(huán)境保護(hù)局.GB 13271-2001鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)局,2001.

[5]國家環(huán)境保護(hù)局.GB 9078-1996工業(yè)爐窯大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)局,1996.

[6]國家環(huán)境保護(hù)局.GB 16297-1996大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)局,1996.

[7]國家環(huán)境保護(hù)局.GB 3095-1996大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:國家環(huán)境保護(hù)局,1996.