燃煤鍋爐大氣污染物自動監(jiān)測達標(biāo)判定研究

孟煜東MENG Yu-dong

（晉能控股煤業(yè)集團環(huán)境保護部，大同037007）

0 引言

全球煤炭消耗量約為7700 公噸，煤炭提供了全球約40%的電力。中國的能源結(jié)構(gòu)極大地依賴于煤炭，因為煤炭資源豐富，成本低，而且它提供了一個安全穩(wěn)定的能源來源。因此，中國的煤炭消費占全國一次能源消費總量的60%以上。2014年，中國的煤炭生產(chǎn)和消費分別占全球煤炭總量的49.6%和50.6%。截至2018年，中國已安裝電力發(fā)電裝機容量最大，總裝機容量達936 千兆瓦。由于電力需求的迅速增長，煤炭消耗量預(yù)計將會增加。除了常見的氮氧化物、硫氧化物和顆粒物的排放外，燃煤鍋爐還會產(chǎn)生潛在的高溫微粒污染物。來自燃煤鍋爐的高危險廢物對人類健康和環(huán)境造成了極大的危害。

1 燃煤鍋爐的大氣污染物概述

煤燃燒后，煤中的高溫?zé)後尫盼铮ˋ，Pb，Hg）濃縮，或吸附在飛灰中，或富集在石膏中，在煤燃燒過程中，高溫?zé)後尫盼餄舛韧ǔ５陀?00ppm，相對于顆粒物或氣態(tài)污染物（煤煙、酸性氣體、氮氧化物、二氧化硫和二氧化碳），但這些高溫?zé)後尫盼镌斐煞浅?yán)重的環(huán)境損害，難以控制。有研究學(xué)者指出，煤燃燒過程中高溫?zé)後尫盼锏暮恳蛎悍N不同而不同。在煤中，高溫?zé)後尫盼镆圆煌男问酱嬖冢糠峙c有機物有關(guān)，部分與煤的礦物質(zhì)有關(guān)，因此，總高溫?zé)後尫盼锸怯袡C和無機煤的總和。

2 燃煤污染物政策控制標(biāo)準(zhǔn)

近年來，中國政府發(fā)布了《煤炭節(jié)能減排改造升級行動計劃》，規(guī)定江蘇、浙江等省份的PM、O2和NOX排放限值分別為5mg/m3、35mg/m3和50mg/m3。為了達到超低能量標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐都對EP、CR 和WFGD 系統(tǒng)進行了改進，例如，目前在靜電除塵器入口安裝LTE 以積累廢氣產(chǎn)生的熱量，并安裝WEP 以收集超細顆粒和氣溶膠。

高溫污染物排放對生態(tài)系統(tǒng)和公共衛(wèi)生的嚴(yán)重負(fù)面影響已引起全國的廣泛關(guān)注。我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）對鉛排放進行了規(guī)范，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（MEP2011，（MEP）2012）也對汞排放進行了限制。隨后，在2000年至2010年期間，更換小型生產(chǎn)設(shè)備以及安裝和操作先進的大氣污染治理裝置系統(tǒng)，特別是煙氣脫硫裝置的政策大大降低了燃煤循環(huán)發(fā)電廠向大氣中排放高溫污染物的最終速率。在中國，對于燃煤鍋爐排放到大氣中的高濃度排放標(biāo)準(zhǔn)，除了汞，沒有其他特定的含汞物質(zhì)，限值為30mg/m3。1996年，美國國家環(huán)境保護局頒布了《空氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，將Cr 的排放濃度限制在80mg/m3，Pb 的排放濃度限制在80900mg/m3。

目前，處理PM2.5 問題是最具挑戰(zhàn)性的，因為其形成過程復(fù)雜，有多種前體和來源的貢獻。因此，中國的空氣質(zhì)量管理已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的模式：與最初側(cè)重于單一污染物或單一部門的控制行動不同，空氣質(zhì)量管理現(xiàn)在已經(jīng)重新設(shè)計，通過區(qū)域或國家一級的廣泛協(xié)調(diào)，減少多個部門的多種前體。最近，中國發(fā)起了一系列運動，包括2018年至2020年的短期“藍天防御戰(zhàn)”，以及到2035年的長期“美麗中國”目標(biāo)。后者要求從根本上改善中國的空氣質(zhì)量，特別是要求中國所有城市在2035年前將PM2.5年度濃度降至35μg/m3以下（世界衛(wèi)生組織建議的中期目標(biāo)-1 水平）。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，除了采取更加嚴(yán)格的管端控制措施外，深入調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源系統(tǒng)的去碳化也是至關(guān)重要的。

2014 年，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《2014-2020年能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃》，要求實施燃煤電廠升級改造方案，并要求現(xiàn)有600MW 以上（空冷機組除外）發(fā)電機組在5年內(nèi)將煤耗降至300g/kWh。對此，國家自然資源保護委員會發(fā)布了《2014-2020年節(jié)能減排循環(huán)發(fā)電站升級和重建行動計劃》。新的成套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括：到2020年，現(xiàn)有的循環(huán)流化床發(fā)電裝置經(jīng)過必要的改進后，平均供電煤耗率應(yīng)≤310g/kWh。其中≥600MWe 機組平均供電煤耗率≤300g/kWh，新建循環(huán)流化床鍋爐原則上采用≥600MWe 超臨界機組和1000MWe 級機組設(shè)計供電煤耗率≤282 和≤299g/kWh，600MWe 級機組設(shè)計供電煤耗≤285 和≤302g/kWh。

3 大氣污染自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

3．1 系統(tǒng)功能及相關(guān)規(guī)范

環(huán)境空氣監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測發(fā)電廠周圍的環(huán)境空氣。該系統(tǒng)應(yīng)連續(xù)自動監(jiān)測SO2、NOX、CO、TSP 和PM10（mg/Nm3）濃度，以及環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速和氣壓等氣象參數(shù)。該系統(tǒng)包括環(huán)境空氣監(jiān)測站（固定變電站）的采樣系統(tǒng)、分析儀和監(jiān)測裝置、校準(zhǔn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示和打印系統(tǒng)。

環(huán)境空氣監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：①環(huán)境空氣的SO2脈沖熒光分析儀、環(huán)境空氣的化學(xué)發(fā)光分析儀、環(huán)境空氣的CO分析儀、環(huán)境空氣的TSP 監(jiān)測儀和環(huán)境空氣的PM10 監(jiān)測儀。②自動監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等氣象參數(shù)的裝置。③自動控制系統(tǒng)，包括風(fēng)機、過濾隔膜、閥門電纜、取樣管等。④校準(zhǔn)系統(tǒng)（包括各種氣體的校準(zhǔn)系統(tǒng)、零氣體發(fā)生器和動態(tài)稀釋校準(zhǔn)器）和一瓶標(biāo)準(zhǔn)氣體SO2、一瓶標(biāo)準(zhǔn)NOX和一瓶標(biāo)準(zhǔn)CO。⑤計算機控制系統(tǒng)和DAS，包括數(shù)據(jù)采集裝置、計算機、打印機、DAS 系統(tǒng)指令、控制軟件和通信軟硬件等。

系統(tǒng)經(jīng)過合適的設(shè)備組裝和設(shè)計，具有經(jīng)濟、合理、先進、自動化程度高、運行可靠、維修方便的優(yōu)點，在本文設(shè)計的環(huán)境大氣檢測系統(tǒng)中，二氧化硫分析儀、氮氧化物分析儀、一氧化碳分析儀連接到校準(zhǔn)系統(tǒng)，校準(zhǔn)系統(tǒng)采用穿透管，連接到各種標(biāo)準(zhǔn)氣體瓶。DAS 系統(tǒng)能同時采集、處理和記錄SO2、NOX、CO、TSP、PM10、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動在零點和滿點之間工作，并與中央監(jiān)控站進行通信。這個固定站能夠與中心站進行有線通信。DAS 具有自動零點校準(zhǔn)和跨距校準(zhǔn)功能。輸出的印刷表格符合中國環(huán)保局的要求。氣動傳感器安裝在氣動塔架上，所有分析儀、校準(zhǔn)儀、標(biāo)準(zhǔn)氣瓶及其架子、DAS、汽油發(fā)電機及空調(diào)機均妥善放置在車內(nèi)或防塵及防震的房間內(nèi)。分析儀安裝在專用柜內(nèi)，固定在車內(nèi)或房間內(nèi)。所有分析儀均能連續(xù)自動監(jiān)測，并發(fā)出高限報警信號。數(shù)字輸出應(yīng)提供儀器狀態(tài)。該分析儀能自動補償溫度和壓力，并保持樣品流量恒定。對于NOX的分析，采用氣體滴定法校準(zhǔn)換算系數(shù)，并提供換算系數(shù)軟件。采用自適應(yīng)信號對響應(yīng)時間進行優(yōu)化。

3.2 系統(tǒng)布局

對于系統(tǒng)的氣體抽樣系統(tǒng)，采樣器收集氣體擴散由于梯度建立之間的環(huán)境空氣和合適的吸附材料。用于評估空氣質(zhì)量的擴散取樣測量技術(shù)可以提供一種成本效益高的替代方法，用于按照指令的要求進行大規(guī)模測量以繪制空氣質(zhì)量分布圖。原則上，被動取樣是一個完美的工具，用來描述那些預(yù)計將超過限值的地區(qū)，以及那些需要其他評估方法來符合中國環(huán)境保護局的地區(qū)。與主動采樣器不同的是，擴散采樣器依靠擴散使污染物與吸附劑接觸。與依賴于泵的主動采樣方法相比，該方法的主要優(yōu)點是：成本效益高，簡單易行，大型擴散采樣器的潛力不需要任何電源，因此可以在大多數(shù)場地測量污染物。然而，由于表觀采樣率低，通常需要至少1 周的采樣時間。取樣系統(tǒng)應(yīng)符合中國環(huán)保局的要求和環(huán)境空氣連續(xù)監(jiān)測的等效標(biāo)準(zhǔn)。每個變電站室都有自己的取樣系統(tǒng)和流量控制閥面板內(nèi)部安裝。所有微粒過濾墊均位于中心位置，便于維修，確保所有樣品/零/跨距氣體流量均能正確通過每臺分析儀的入口端口，從取樣點到測量分析儀的距離最小，以滿足適當(dāng)?shù)娜右蟆?/p>

對于系統(tǒng)的測量傳感器模塊，臺站的設(shè)備、位置和類型取決于幾個因素：排放的類型和強度；大氣環(huán)境中存在的污染物類型；地方和國際立法要求、標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則；初步評估提供的補充資料；人口暴露；臺站的設(shè)置；大氣污染的預(yù)期趨勢。臺站的類型與宏觀坐標(biāo)有關(guān)，宏觀坐標(biāo)是用來確定固定臺站所在的位置的。因此，坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和地方立法也影響到每個站安裝的設(shè)備類型，這些設(shè)備是為測量不同的污染物而設(shè)計的。

項目采用日常自動校準(zhǔn)檢查?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)將設(shè)置為在設(shè)定的時間間隔內(nèi)進行自動校準(zhǔn)，通常在每天早上1:00 左右開始。被監(jiān)測的氣體被注入分析器，并在數(shù)據(jù)記錄器中記錄在SPAN 報告中。為了驗證氮氧化物分析器的數(shù)據(jù)，每天進行自動校正檢查，通過引入高濃度的氮氧化物氣體，驗證分析器對“零”和“跨度”的響應(yīng)。每日校準(zhǔn)檢查產(chǎn)生一個實際的零點和實際跨度響應(yīng)值，存儲在記錄器上的校準(zhǔn)文件中。然后使用校準(zhǔn)結(jié)果創(chuàng)建一個校準(zhǔn)因子，該校準(zhǔn)因子用于重新分布數(shù)據(jù)。當(dāng)分析儀處于自動校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以排除時需要注意的問題。

數(shù)據(jù)采集和控制中心是實時數(shù)據(jù)管理功能的核心。它訪問監(jiān)測站，從中提取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)組織到數(shù)據(jù)庫中。它還提供了自動數(shù)據(jù)驗證、高級數(shù)據(jù)處理和計算、報告生成和許多其他特性的可能性。任何數(shù)據(jù)，實時的和歷史的，可以提供給未來進行參考。

除此之外，在使用的過程中需要特別注意用于校準(zhǔn)儀器的標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物的制備和維護。由于有些分析儀包括內(nèi)部校準(zhǔn)設(shè)備，而其他則沒有，因此負(fù)責(zé)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的主要實驗室必須熟悉這些技術(shù)，以便對數(shù)據(jù)質(zhì)量提供持續(xù)的保證。此外，臭氧和二氧化氮測量的質(zhì)量控制是通過氣相滴定法進行的，這種方法可以用來在常規(guī)時間基礎(chǔ)上檢查從臭氧和氮氧化物分析儀得出的數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，本研究所涵蓋的具體領(lǐng)域包括健康影響、未來煤炭生產(chǎn)和消費、中國煤炭中高溫污染物的現(xiàn)狀、選定高溫污染物的化學(xué)、控制技術(shù)、政策和保障排放控制的行動計劃。本文強調(diào)，中國要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須建立和推廣高效、清潔的煤炭資源利用途徑。