PO/SM裝置廢液焚燒爐CEMS設(shè)計(jì)探討

雷瑤

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

“十三五”期間，隨著新的中國(guó)環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的不斷出臺(tái)和完善，對(duì)于固定污染源煙氣排放監(jiān)測(cè)的要求更加嚴(yán)格。石化裝置作為被重點(diǎn)監(jiān)管的對(duì)象之一，根據(jù)環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，在石化裝置的廢液焚燒爐排放口必須安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)，通過在煙道氣中采樣和非采樣方式在線連續(xù)監(jiān)測(cè)固定污染源顆粒物、氣態(tài)污染物排放濃度和排放量，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息傳送到環(huán)保主管部門，目的是確保排污企業(yè)排放的污染物濃度和排放總量達(dá)標(biāo)。

CEMS作為在線分析系統(tǒng)的組成部分，由于其在國(guó)家強(qiáng)制性環(huán)保認(rèn)證和驗(yàn)收方面的要求，又具有相對(duì)特殊性。伴隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，如何在超低排放工況下根據(jù)不同煙氣的特點(diǎn)及技術(shù)條件，選擇合適的的測(cè)量方式和測(cè)量技術(shù)，合理配置CEMS以滿足不同煙氣工況下的測(cè)量要求，是CEMS設(shè)計(jì)選型的關(guān)鍵。

1 CEMS設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證要求

CEMS作為環(huán)保在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先必須遵循相應(yīng)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，與CEMS有關(guān)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)分為排放控制標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)兩類，排放控制標(biāo)準(zhǔn)因行業(yè)和地域不同又有所區(qū)分。石化裝置廢液焚燒爐CEMS設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的排放控制標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1-2]，同時(shí)應(yīng)執(zhí)行所在地域的排放控制標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)遵循GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》、HJ 836—2017《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測(cè)定重量法》、HJ 75—2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》及HJ 76—2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》等，其中以HJ 75—2017和HJ 76—2017作為CEMS主要設(shè)計(jì)依據(jù)[3-7]。需要說明的是，作為HJ75/T—2007和HJ76/T—2007 的修訂版，HJ 75—2017和HJ 76—2017成為了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)；新的標(biāo)準(zhǔn)要求CEMS必須滿足更苛刻的驗(yàn)收考核指標(biāo)，同時(shí)克服更復(fù)雜背景條件和干擾因素的影響，需要提供更多的檢測(cè)項(xiàng)目，從而對(duì)CEMS的設(shè)計(jì)提出了新的要求；此外，如果CEMS安裝在爆炸危險(xiǎn)區(qū)，其設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循相應(yīng)的國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)；最后，CEMS還應(yīng)遵循在線分析系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

CEMS應(yīng)具有中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品認(rèn)證CCEP，認(rèn)證檢測(cè)的依據(jù)是HJ 76—2017，通過該認(rèn)證的CEMS產(chǎn)品的名稱和型號(hào)可在中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站網(wǎng)站《CEMS合格產(chǎn)品名錄》查詢。進(jìn)口的CEMS產(chǎn)品應(yīng)取得計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書CPC。爆炸危險(xiǎn)區(qū)安裝的CEMS相關(guān)電子儀表必須具有中國(guó)機(jī)構(gòu)NEPSI，CQST，PCEC或國(guó)家授權(quán)認(rèn)可的國(guó)外機(jī)構(gòu)頒發(fā)的防爆合格證書，以滿足其安裝區(qū)域的電氣防爆要求。

2 廢液焚燒爐煙氣排放特點(diǎn)

某PO/SM裝置在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生含有苯等組分的有毒廢液，會(huì)對(duì)環(huán)境和人員造成嚴(yán)重污染和傷害，因此在裝置下游必須設(shè)置廢液焚燒爐，將裝置內(nèi)有毒廢液進(jìn)行焚燒處理，同時(shí)向工藝系統(tǒng)提供需要的熱負(fù)荷。廢液焚燒爐末端設(shè)置高70 m的煙囪，其排放煙氣參數(shù)見表1所列，可以看出其排放煙氣的主要特點(diǎn)是濕度很大，而主要監(jiān)測(cè)參數(shù)顆粒物(PM10)和氣態(tài)污染物(SO2，NOx)質(zhì)量濃度較低，滿足GB 31571—2015對(duì)其超低排放限值的要求[1]。

表1 排放煙氣參數(shù)

3 CEMS設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)組成

由于廢液焚燒爐煙氣排放的特殊性，對(duì)CEMS也提出了較為苛刻的技術(shù)要求，其設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮煙氣排放的高濕度、低濃度的特點(diǎn)，解決高濕度下低質(zhì)量濃度顆粒物和氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量煙氣中顆粒物、氣態(tài)污染物質(zhì)量濃度，煙氣參數(shù)(溫度、壓力、流速、濕度等)，同時(shí)計(jì)算煙氣中污染物排放速率和排放量，顯示、打印和記錄各種數(shù)據(jù)和參數(shù)，形成相關(guān)圖表，并通過數(shù)據(jù)、圖文等方式傳輸至環(huán)保監(jiān)控部門等。

基于CEMS的設(shè)計(jì)要求，1套完整的CEMS應(yīng)由顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 CEMS系統(tǒng)組成示意

4 CEMS測(cè)量方式和測(cè)量技術(shù)

4.1 測(cè)量方式

根據(jù)不同的測(cè)量分析方式，CEMS可分為抽取測(cè)量方式和直接測(cè)量方式。抽取測(cè)量方式是將煙氣從煙囪中抽取出來分析；直接測(cè)量方式是將測(cè)量分析裝置安裝在煙囪上直接對(duì)排放煙氣分析。

抽取測(cè)量方式的CEMS依據(jù)對(duì)煙氣調(diào)節(jié)處理方式的不同又分為完全抽取方式和稀釋抽取方式兩種。從煙道氣中抽取排放源的煙氣，經(jīng)調(diào)節(jié)處理后進(jìn)行監(jiān)測(cè)的稱為完全抽取方式；從煙道中抽取煙氣，經(jīng)稀釋氣稀釋后進(jìn)行監(jiān)測(cè)的稱為稀釋抽取法。而根據(jù)采樣預(yù)處理過程中是否除水，完全抽取式的CEMS又可分為冷/干法完全抽取和熱/濕法完全抽取，樣氣在進(jìn)入分析儀前經(jīng)冷卻除濕系統(tǒng)除去水分變成干態(tài)后再分析稱為冷/干完全抽取法；煙氣經(jīng)抽取后全程不除濕，保持煙氣在露點(diǎn)溫度之上，分析儀直接分析熱濕態(tài)煙氣，稱為熱/濕完全抽取法。CEMS不同測(cè)量方式比較見表2所列。

4.2 測(cè)量技術(shù)

CEMS根據(jù)所采用測(cè)量方式的不同，其測(cè)量分析單元所配套的測(cè)量技術(shù)也不盡相同[8]，目前CEMS常用到的測(cè)量技術(shù)分類見表3所列。

表2 CEMS測(cè)量方式比較

表3 CEMS常用測(cè)量技術(shù)分類

5 廢液焚燒爐CEMS設(shè)計(jì)方案

5.1 采樣點(diǎn)位置選擇

選擇合適的采樣點(diǎn)是CEMS設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)HJ 75—2017的要求，采樣點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先選擇在垂直管段和煙道負(fù)壓區(qū)域，確保所采集試樣的代表性；同時(shí)應(yīng)避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。顆粒物和流速采樣點(diǎn)應(yīng)至少滿足前4D后2D的直管段要求，氣態(tài)污染物采樣點(diǎn)應(yīng)至少滿足前2D后0.5D的直管段要求，對(duì)于圓形煙道，D代表煙道內(nèi)徑，對(duì)于矩形管道，D代表當(dāng)量直徑，其計(jì)算公式如下[3]：

(1)

式中：A，B——矩形煙道的邊長(zhǎng)。

5.2 顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

目前中國(guó)顆粒物監(jiān)測(cè)儀絕大多數(shù)采用直接測(cè)量方式，其中光透射法是基于朗伯-比爾定律測(cè)定煙氣顆粒物質(zhì)量濃度的一種方法，但其靈敏度較低，適用于顆粒物質(zhì)量濃度較高(大于300 mg/m3)、濕度低的場(chǎng)合。光散射法是基于波格爾(Bouguer)定律設(shè)計(jì)，利用顆粒物對(duì)光的散射作用檢測(cè)顆粒物質(zhì)量濃度，靈敏度高，在低濃度場(chǎng)所應(yīng)用較多，按照其檢測(cè)散射光位置不同可分為前向散射、后向散射和邊向散射三種類型，在一定的顆粒物粒徑范圍內(nèi)，前向散射對(duì)顆粒物的粒徑和折射系數(shù)的變化敏感度最小，邊向散射最為敏感。但無論哪種散射類型，水滴對(duì)其測(cè)量影響都會(huì)較大，因此光散射法適用于粉塵濃度低、且濕度低的場(chǎng)合。而廢液焚燒爐出口煙氣濕度較大，基于直接測(cè)量方式的光透射法和光散射法都難以滿足如此高濕度下低顆粒物質(zhì)量濃度的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)要求，因此選用基于抽取測(cè)量方式的顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)方法更為合適，抽取β射線吸收法對(duì)抽取的顆粒物照射后強(qiáng)度的衰減進(jìn)行測(cè)定，不受煙氣含水量影響，但價(jià)格昂貴，容易受流速變化影響，且要求有核輻射源。

根據(jù)國(guó)內(nèi)顆粒物排放特點(diǎn)，一些廠家開發(fā)了以抽取“光學(xué)”測(cè)量方式為代表的污染源高濕度、低濃度顆粒物監(jiān)測(cè)設(shè)備，在降低成本的同時(shí)可以滿足高濕度、低濃度顆粒物監(jiān)測(cè)的要求，因此在廢液焚燒爐顆粒物濃度監(jiān)測(cè)中可采用此種測(cè)量方式，將煙氣顆粒物以等速跟蹤的方式保溫伴熱從煙道中抽取出來，通過加熱升溫使得煙氣中的高濕水分保持氣體狀態(tài)從而不結(jié)露出現(xiàn)液滴，再通過前向光散射原理對(duì)煙氣顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)量，從而計(jì)算出煙氣中顆粒物的排放濃度。

5.3 氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)氣態(tài)污染物的測(cè)量以抽取方式為主，相比于冷/干完全抽取法，熱/濕完全抽取法取樣系統(tǒng)和分析儀都要耐高溫，成本很高，適用于被測(cè)煙氣組分復(fù)雜且又極易溶于水的組分(如HCl，NH3等)；稀釋抽取法在煙氣濕度過大的情況下，按一定比例稀釋后煙氣露點(diǎn)下降不能太大，否則在環(huán)境溫度較低時(shí)冷凝，造成可溶性氣態(tài)污染物缺失，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低。由于冷/干完全抽取法測(cè)出的煙氣濃度為干基值，而熱/濕完全抽取法和稀釋抽取法測(cè)出的煙氣濃度為濕基值，且國(guó)內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)以干基濃度計(jì)，因此根據(jù)廢液焚燒爐煙氣排放的特點(diǎn)，綜合考慮可選用冷/干完全抽取法的測(cè)量方式，但需對(duì)采樣和預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行特殊配置。

5.3.1試樣采集和傳輸

在滿足5.1節(jié)采樣點(diǎn)要求的前提下，采樣探頭選用電加熱式自動(dòng)控溫取樣探頭，在煙囪中不斷地通過加熱探頭提取試樣，探頭帶有2～5 μm過濾器，同時(shí)帶有校準(zhǔn)接口、吹掃接口、煙氣截止閥等，具有故障報(bào)警功能，異常狀態(tài)下自動(dòng)停止采集樣氣。采樣探頭后端連接電伴熱樣氣傳輸管線，試樣傳輸管線內(nèi)包覆的氣體傳輸管至少為2根，1根用于試樣氣體的采集傳輸，另1根用于標(biāo)準(zhǔn)氣體的全系統(tǒng)校準(zhǔn)，樣氣傳輸管線加熱溫度在140 ℃以上，保證高于煙氣露點(diǎn)溫度，防止水蒸氣產(chǎn)生冷凝，將高溫高濕的樣氣輸送至樣品預(yù)處理單元。

5.3.2樣品預(yù)處理

樣品預(yù)處理系統(tǒng)完成樣氣的凈化、除塵、除濕，同時(shí)進(jìn)行壓力、流量和溫度的調(diào)整，將符合要求的樣氣持續(xù)傳輸至煙氣組分分析儀表，主要包括除濕單元、耐腐采樣泵、精細(xì)過濾器、中心反吹單元等。針對(duì)廢液焚燒爐排放煙氣濕度大的特點(diǎn)，為了減少樣氣中低濃度SO2溶于水造成的損失，在預(yù)處理系統(tǒng)中增加動(dòng)態(tài)磷酸滴定裝置，通過在冷凝器中滴入磷酸，磷酸電離出的H+有效地抑制H2SO3的產(chǎn)生，從而降低了SO2溶于水的量；兩級(jí)除濕后煙氣露點(diǎn)降到2～3 ℃，經(jīng)采樣泵采出后通過氣溶膠過濾器去除樣氣中的液滴，并進(jìn)一步除塵，過濾精度小于1 μm；為了進(jìn)一步降低樣氣的露點(diǎn)溫度，使其與標(biāo)氣的露點(diǎn)溫度一致，樣氣經(jīng)過Nafion管干燥器進(jìn)一步除水，最后通過膜式過濾器進(jìn)一步精過濾，過濾精度小于0.1 μm，使得樣氣滿足分析儀表的測(cè)量要求。

5.3.3分析儀表

基于冷/干完全抽取測(cè)量方式的SO2和NOx在線分析技術(shù)主要有非分散紅外吸收法和非分散紫外吸收法，兩者都是屬于基于朗伯-比爾定律的吸收光譜法，分別通過測(cè)量氣態(tài)污染物對(duì)于非分散型紅外光和紫外光特征光譜的吸收來連續(xù)檢測(cè)其濃度。相比于非分散紅外吸收法，非分散紫外吸收法在SO2和NOx的在線監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： 紫外光波長(zhǎng)較短，吸收能力強(qiáng)，靈敏度更高，可以獲得更低的檢測(cè)限；紫外光譜不受水汽的影響，可以較好地避免煙氣中H2O等組分的干擾；可對(duì)NO2直接測(cè)量，不需要加裝NO2-NO轉(zhuǎn)換器。針對(duì)廢液焚燒爐煙氣的特點(diǎn)，煙氣含水量大，且氣態(tài)污染物濃度較低，顯然選擇非分散紫外吸收法測(cè)量低濃度的SO2和NOx更為適合。

5.4 煙氣排放參數(shù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

煙氣排放參數(shù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于氣態(tài)污染物排放速率及排放量的計(jì)算，以及排放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換折算(濕基/干基)等，HJ 76—2017中要求測(cè)量的煙氣參數(shù)包括煙氣含氧質(zhì)量濃度、煙氣流速、煙氣溫度、煙氣壓力以及煙氣濕度。煙氣溫度和壓力的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)很成熟，溫度測(cè)量常用熱電阻和熱電偶，壓力測(cè)量常用壓力變送器，測(cè)量煙氣溫度和壓力的目的之一是為了配合測(cè)流速，在煙氣參數(shù)監(jiān)測(cè)中通常將煙氣溫度、壓力和流量測(cè)量三位一體化，測(cè)量煙氣溫度和壓力的另一個(gè)目的是用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣的排放值。

5.4.1煙氣含氧量

CEMS常用的煙氣含氧量的在線測(cè)量?jī)x器有氧化鋯氧分析儀(直插式和抽取式)、電化學(xué)燃料電池氧分析儀及順磁氧分析儀等。在抽取式CEMS中，通常采用直插式氧化鋯分析儀測(cè)量濕煙氣中氧質(zhì)量濃度，或者在多組分分析儀模塊中增加順磁氧分析儀或電化學(xué)氧分析儀測(cè)量干煙氣中的氧質(zhì)量濃度?？紤]到廢液焚燒爐的煙氣溫度較低，不適合使用氧化鋯分析儀測(cè)量，綜合考慮成本等因素，可選擇電化學(xué)燃料電池氧分析儀測(cè)量廢液焚燒爐排放煙氣中的氧質(zhì)量濃度。

5.4.2煙氣流速

CEMS常用的煙氣流速測(cè)量方法有壓差法、超聲波法和熱平衡法。壓差法流速測(cè)量?jī)x表主要有皮托管流量計(jì)，超聲波法流速測(cè)量?jī)x表主要有超聲波流量計(jì)，熱平衡法流速測(cè)量?jī)x表主要有熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。三種測(cè)量?jī)x表的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表4所列[8]。廢液焚燒爐煙氣流速測(cè)量選用皮托管流量計(jì)測(cè)量流速，可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其測(cè)量準(zhǔn)確度的要求，但應(yīng)設(shè)計(jì)反吹裝置定期對(duì)皮托管測(cè)量孔反吹，避免煙塵的堵塞和腐蝕。

表4 常用流速監(jiān)測(cè)技術(shù)比較

5.4.3煙氣濕度

相比于HJ 76—2007，新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)HJ 76—2017要求煙氣濕度必須在線監(jiān)測(cè)，不能手動(dòng)輸入。煙氣濕度的在線監(jiān)測(cè)方法主要有濕敏電容法和干濕氧測(cè)定法，通過利用氧化鋯分析儀測(cè)量干濕氧從而計(jì)算濕度的方法在國(guó)外應(yīng)用較為普遍，而在國(guó)內(nèi)濕敏電容法應(yīng)用較為廣泛，主要原因有： 近年來濕敏傳感器的耐腐蝕技術(shù)不斷提高，其用于測(cè)定煙氣濕度的方法得到推廣；相比于干濕氧測(cè)定法儀表，濕敏電容法儀表成本較低，國(guó)內(nèi)具有環(huán)保認(rèn)證(CCEP)的產(chǎn)品更多。廢液焚燒爐煙氣濕度測(cè)量可采用濕敏電容法。

5.5 數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)用于采集、處理和存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照HJ 75—2017要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的換算、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、顯示，按照環(huán)保部門規(guī)定的格式、內(nèi)容和時(shí)間將數(shù)據(jù)傳送到環(huán)保部門的監(jiān)控中心。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)以4～20 mA(DC)信號(hào)輸出到DCS，并通過RS-485通信接口與DCS通信。數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)同時(shí)應(yīng)有與當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)的接口，目前較多采用GPRS或者CDMA的傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)符合HJ/T 212—2017數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[11]。

6 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著環(huán)保排放控制標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格，超低排放工況已成為新常態(tài)，而環(huán)保監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高也對(duì)CEMS的設(shè)計(jì)選型提出了新的要求。PO/SM裝置廢液焚燒爐CEMS設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于充分分析其煙氣排放特點(diǎn)及技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，選擇合適的測(cè)量方式和測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行針對(duì)性取樣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而有效地解決高濕度下低濃度顆粒物和氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)難點(diǎn)問題；同時(shí)在CEMS工程設(shè)計(jì)中還應(yīng)充分考慮成本因素，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求的同時(shí)應(yīng)為工程項(xiàng)目提供經(jīng)濟(jì)實(shí)用的CEMS。