煙氣超低排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）在包鋼燃氣鍋爐煙氣排放中的應用

王玉婷

摘 要：為響應國家節(jié)能減排政策，包鋼動供總廠對燃氣鍋爐進行改造并新增污染源自動監(jiān)測設備對煙氣進行超低排放連續(xù)監(jiān)測。所選用CEMS采用加熱抽取式等速采樣方式，通過前散射法和非分散紅外吸收法對超低排放機組排口的煙塵顆粒物和氣態(tài)污染物的排放濃度進行連續(xù)實時監(jiān)測。

關鍵詞：煙氣排放連續(xù)監(jiān)測 ?CEMS ?顆粒物??氣態(tài)污染物??濃度

1 術語和定義

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測 continuous emission monitoring CEM

對固定污染源排放的顆粒物和（或）氣態(tài)污染物的排放濃度和排放量進行連續(xù)、實時的自動監(jiān)測，簡稱CEM

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) continuous emission monitoring system CEMS

連續(xù)監(jiān)測固定污染源顆粒物和（或）氣態(tài)污染物排放濃度和排放量所需要的全部設備，簡稱CEMS。

2?系統(tǒng)概述

為加快推動能源生產和消費革命，進一步提升煤電高效清潔發(fā)展水平，國家發(fā)改委、國家環(huán)保部、國家能源局三部委聯(lián)合制定了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》。計劃中規(guī)定，到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值，即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米。

針對這一政策，包鋼動供總廠對現(xiàn)有燃氣鍋爐采取相應的脫硫除塵改造等措施，以提高脫硫除塵效率，實現(xiàn)超低排放要求，并且新增污染源自動監(jiān)測設備對煙氣排放進行監(jiān)測。

由于超低排放煙氣濕度大、污染物濃度低，從而給煙氣排放監(jiān)測設備提出了更高的要求，傳統(tǒng)CEMS難以滿足超低排放煙氣的準確測量，本次采用煙氣超低排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，監(jiān)測參數(shù)包括：顆粒物、二氧化硫、氮氧化物，含氧量、溫度、壓力、流量、濕度。該CEMS系統(tǒng)采用加熱抽取式等速采樣方式，通過前散射法和非分散紅外吸收法對超低排放機組排口的煙塵顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度進行連續(xù)實時監(jiān)測。

3 煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）的組成和功能要求

此次超低排放CEMS由顆粒物監(jiān)測單元、氣態(tài)污染物（SO2和NOx）監(jiān)測單元、煙氣參數(shù)（溫度、壓力、流速或流量、濕度、含氧量等）監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元組成。

每套在線監(jiān)測系統(tǒng)都包括取樣口、取樣管路、預處理、分析儀器等系統(tǒng)的設計，以及所配套的儀表站房相應的吹掃介質管路、土建結構、采暖、空調、通風、照明、系統(tǒng)接地等設計。

每套在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示設備都具備按照規(guī)定的協(xié)議實時傳輸分析檢測數(shù)據(jù)的接口，通過數(shù)據(jù)、圖文等方式傳輸至相應管理部門監(jiān)管平臺。

4 具體實施方案

4.1預處理系統(tǒng)

冷干法抽取式CEMS綜合考慮超低排放煙氣工況并融入了新技術在預處理設計，解決了在低濃度測量誤差大等諸多問題。

（1） 采用小口徑加熱型采樣探桿，減少管路對待測氣體的吸附，減少采樣過程中產生水分。

（2） 采用小量程（0～100mg/Nm3）氣體分析儀器，提高測量精度。

（3） 采用壓縮機制冷器進行一次快速制冷除濕處理，然后使用滲透干燥器對樣氣進行二次除濕處理，使樣氣露點降至（-5～-10℃）。有效降低濕度對儀表的干擾和污染。

4.1.1氣體采樣探頭作用及功能

采樣單元的作用是將煙道中氣體取出并輸送到預處理單元。這期間不能發(fā)生塵埃堵塞和形成酸霧。

采樣探頭功能如下：（1）采樣（2）過濾（3）加熱（4）反吹

采樣探頭技術特點：（1）小口徑加采樣探桿，減少SO2的損失;（2）探頭濾芯材質采用鎳鈦合金材料，過濾精度<5mm;（3）內置儲氣罐（5L），提高反吹氣壓力;（4）采用高壓、高頻吹掃方式對濾芯進行自動吹掃;（5）采樣單元整體加熱到120～160℃，防止產生冷凝水（6）加熱單元自動溫控，具有溫度失控報警功能。

4.1.2滲透脫水裝置

采用壓縮機制冷器進行一次快速制冷除濕處理，然后使用滲透干燥器對樣氣進行二次除濕處理，使樣氣露點降至（-5～-10℃）。有效降低濕度對儀表的干擾和污染。保證零氣、樣氣、標準氣均經過滲透干燥器，使所有測量均為同一零點，減少誤差，可保證后續(xù)分析儀的正常測量分析。

4.2氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)

采用多組份一體化設計的氣體分析儀，對氣態(tài)污染物SO2和NOx濃度進行監(jiān)測，通過非分散紅外吸收法分析轉換獲得實時測量濃度。

非分散紅外氣體測量原理：利用SO2在紅外區(qū)7.3mm（7300nm）附近的紅外吸收量的變化，連續(xù)測定煙氣中SO2的濃度;利用NO對5.3mm（5300nm）附近的紅外吸收量的變化，連續(xù)測定煙氣中NO的濃度。NO2通過還原轉換器轉換成NO再測量（需加NOx轉換器）。利用氧氣在催化劑作用下轉換成電流信號，該信號強弱與濃度成線形關系。高品質的制造工藝和設計工藝保證系統(tǒng)精確測量。

4.3低濃度顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)：

4.3.1煙氣顆粒物測量的技術壁壘

光學法顆粒物測量是根據(jù)顆粒物的光學效應進行分析的，一束激光照射在顆粒物表面會產生不同的光學效應，如散色、透射、反射等光學效應。

（1）顆粒物的物理特征的影響：

光學法顆粒物測量會受到顆粒物大小、形狀、成分等顆粒物的物理特性的影響，故所有的光學法測量的一次物理量是無量綱數(shù)值。如需得到準確的質量濃度值必須經過手工稱重法參比實驗計算得出相關系數(shù)等進行修正，參比方法在HJ75-2017中有詳解。

（2）水分的影響：

如若煙氣中水分含量比較大（飽和煙氣有液態(tài)水）時，當粉塵儀光源發(fā)射的光照射在水霧上產生的光學效應要比顆粒物的大很多，最終造成干擾。通常，消除水霧干擾顆粒物測量的辦法是將水分除掉，常用的方法有：稀釋抽取加熱方法。

4.3.2抽取式粉塵測量系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一個高靈敏度的連續(xù)性， 抽取式粉塵濃度的測量裝置，可以用于濕度較大的煙道中粉塵的連續(xù)性在線監(jiān)測;它從排放的煙氣中抽取一定量的氣體，經過持續(xù)加熱以及空氣稀釋后，在測量池內通過光學原理（前散射）測量粉塵濃度（最低到5mg/m3以下）。其產生的測量信號強弱取決于排放煙氣中的粉塵濃度。

前散射測量原理：發(fā)射光源穿過煙道，照射煙塵粒子，被照射的煙塵粒子將反射光信號，反射的信號強度與煙塵濃度成正比，因此可以計算出煙道中的粉塵濃度。

抽取式粉塵測量系統(tǒng)技術特點：

（1）在線連續(xù)測量，滿足環(huán)保要求，等速取樣。

（2）采用稀釋加熱抽取采樣方式，可有效降低煙氣濕度，通過加熱可更有效的去除煙氣中的凝結水，可應用于煙氣濕度更大的工況條件下使用，等速取樣功能。

（3）稀釋風降低了內部通道粉塵含量負載，提高了維護間隔。

（4）可進行自動在線的零點和量程校準，解決光源漂移和視窗污染問題。

（5）具有溫度、流量、傳感器等自診斷功能，使系統(tǒng)能夠時刻處于高精度測量狀態(tài)。

（6）安裝簡單，探頭安裝只需一個法蘭，不需要復雜的同軸度要求。

（7）探桿采用高等級材料，耐腐蝕性好。

（8）具備自動反吹探頭和檢測器功能，可使系統(tǒng)的免維護周期更長。

4.4煙氣參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

煙氣參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)：溫度采用一體式熱電阻溫度變送器連續(xù)監(jiān)測，壓力采用智能壓力變送器連續(xù)監(jiān)測，流量采用皮托管配智能差壓變送器連續(xù)監(jiān)測煙氣排放流量，含氧量采用直接抽取電化學方法進行含氧量分析，濕度采用干濕氧法測量計算所得。

4.5數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件和煙氣監(jiān)測系統(tǒng)軟件。通過數(shù)采設備采集各類型監(jiān)控儀器儀表的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)存儲并傳輸給管理部門監(jiān)管平臺，通過煙氣監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理形成相關圖表，顯示各參數(shù)實時測量濃度。

5?配套公用工程

CEMS現(xiàn)場檢測儀表設備安裝在煙氣排放煙囪平臺上，需制作平臺及爬梯，要求：采樣口處繞煙道一周安裝監(jiān)測平臺，平臺外邊緣到管道外壁的距離應不小于2米，周圍設置1.2米以上的安全防護欄，承重按300Kg/m2均布荷載設計。平臺的受力計算及其他要求由土建專業(yè)根據(jù)規(guī)范要求做。爬梯高度大于3米時不允許用直爬梯，應該做Z字梯或旋梯。

CEMS二次儀表及計算機需安裝在室內，現(xiàn)場為CEMS系統(tǒng)新建一獨立的儀表站房，簡稱分析小屋，分析小屋與采樣點之間距離盡可能近，儀表設備所需氣源應接至現(xiàn)場安裝平臺和分析小屋各一路，其他采暖、空調、通風、配電、照明、系統(tǒng)接地等要求根據(jù)規(guī)范HJ75-2017委托相應專業(yè)進行設計。

6 結束語

以上主要介紹了煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）在煙氣超低排放中的應用，包括CEMS的監(jiān)測項目、系統(tǒng)構成、監(jiān)測方法及設計選型等，該系統(tǒng)無論在測量技術路線上還是在后期運行維護管理過程中都需要不斷改進完善，有助于環(huán)保裝置的正常運行監(jiān)控和政府對企業(yè)生產排放的監(jiān)管。

參考文獻：

[1] 環(huán)境保護部.HJ 75-2017固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范[S].北京：中國環(huán)境出版集團，2008.

[2] 叢經緯等.火力發(fā)電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的應用分析[J].石油化工自動化，2017，53（2）：50-53，73.