火電廠(chǎng)環(huán)保排放口稀釋抽取式CEMS系統(tǒng)工作原理及影響因素

趙亞軍 郗俊峰 劉建強(qiáng) 楊玉志

[摘 ? ?要]目前，全國(guó)已全面實(shí)施環(huán)保超低排放和近零排放標(biāo)準(zhǔn)，石油、化工、火電廠(chǎng)等的廢氣排放口環(huán)保儀表的穩(wěn)定運(yùn)行和準(zhǔn)確測(cè)量尤為重要。以目前最受歡迎的稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS為例，對(duì)其進(jìn)行全面的介紹。

[關(guān)鍵詞]環(huán)保;稀釋抽取;氣態(tài)污染物

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM72 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–0–03

[Abstract]At present， the national environmental protection ultra-low emission and near-zero emission standards have been fully implemented， the stable operation and accurate measurement of environmental protection instruments at exhaust gas discharge ports of petroleum， chemical and thermal power plants are particularly important. As an example， the most popular dilution extraction gaseous pollutant CEMS is introduced in this paper.

[Keywords]environmental protection; dilution extraction; gaseous pollutants

為了應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的空氣污染挑戰(zhàn)，2014年我國(guó)出臺(tái)了史上最嚴(yán)的關(guān)于燃煤發(fā)電機(jī)組超低排放改造的標(biāo)準(zhǔn)，要求將顆粒物、二氧化硫、氮氧化物分別控制到10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，到2020年全國(guó)現(xiàn)有機(jī)組中的絕大部分要滿(mǎn)足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，2017年國(guó)家又出臺(tái)了新的CEMS環(huán)保排放監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，即HJ75/76—2017。為了能順利達(dá)標(biāo)排放，很多排污企業(yè)在不浪費(fèi)原有設(shè)備資源和盡可能降低成本的基礎(chǔ)上，對(duì)原有CEMS設(shè)備進(jìn)行提標(biāo)升級(jí)改造，改造后的CEMS各項(xiàng)性能指標(biāo)根據(jù)煙氣治理設(shè)施的不同而有所差異。本文對(duì)某火電廠(chǎng)超低排放改造成功的CEMS系統(tǒng)工作原理及影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)單論述，希望對(duì)正在進(jìn)行超低改造的企業(yè)有所幫助。該火電廠(chǎng)煙氣治理設(shè)施工藝為SCR脫硝+電袋除塵+氨法脫硫，超低改造后排放口安裝的是美國(guó)熱電公司的AT200稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤測(cè)試，該系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)均符合新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定且準(zhǔn)確可靠。

1 稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS的組成結(jié)構(gòu)

稀釋抽取式系統(tǒng)由稀釋探頭、樣氣傳輸管線(xiàn)、分析儀器、稀釋氣及零氣處理系統(tǒng)，其基本構(gòu)成如圖1所示。

在該系統(tǒng)中，稀釋探頭利用潔凈的空氣將煙氣抽取并稀釋成固定比例的混合氣，該稀釋比一般為100∶1，使混合氣的露點(diǎn)溫度降至空氣溫度以下，從而避免樣品輸送過(guò)程中有水滴析出，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)失真。通過(guò)帶有常溫伴熱的傳輸管線(xiàn)將樣氣輸送到在線(xiàn)分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)分析測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為工藝精細(xì)化操作及各環(huán)保部門(mén)監(jiān)督該企業(yè)排污情況提供有力的數(shù)據(jù)保證。

2 稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS的特點(diǎn)

相比完全抽取式氣態(tài)污染物CEMS，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，稀釋后的樣品氣露點(diǎn)降至環(huán)境溫度以下，全年氣溫在零上的地區(qū)可以使用沒(méi)有電伴熱的取樣管纜，減少了電加熱溫控系統(tǒng);稀釋后的樣品氣直接進(jìn)分析儀進(jìn)行分析測(cè)量，免除了復(fù)雜的冷凝降溫系統(tǒng)，大幅降低了測(cè)量系統(tǒng)故障頻率。

由于該系統(tǒng)是通過(guò)100∶1的比例對(duì)原煙氣進(jìn)行稀釋測(cè)量的，稀釋探頭的過(guò)濾器、儀器入口過(guò)濾膜使用壽命有了很大的提高，大幅降低了儀表運(yùn)維人員維護(hù)工作量，從而使該系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，為工藝操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整提供有力保障。

該系統(tǒng)稀釋后的樣品氣是濕基的，稀釋后的氣體濕度非常低，可以使用低量程、高精度的濕度傳感器，準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于直接抽取式的干濕氧法和大量程濕度儀測(cè)量法，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出原煙氣的濕度，為CEMS各污染物干基排放值和干基排放量換算提供可靠數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)采用的是稀釋氣正壓傳輸樣品，不存在完全抽取式氣態(tài)污染物系統(tǒng)的完全負(fù)壓傳輸，負(fù)壓傳輸如果存在某處管線(xiàn)破裂或者接頭漏氣現(xiàn)象，空氣漏進(jìn)取樣管線(xiàn)，對(duì)分析儀的測(cè)量值影響很大，而稀釋抽取式CEMS出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)對(duì)測(cè)量值影響很小。

由于美國(guó)熱電科技公司的AT200稀釋抽取式系統(tǒng)和環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀表的測(cè)量原理基本相同，從事稀釋系統(tǒng)的運(yùn)維人員可以輕松地維護(hù)環(huán)境空氣質(zhì)量系統(tǒng)儀表，為排污企業(yè)節(jié)省了許多不必要的成本。

3 稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS的測(cè)量原理

3.1 恒流稀釋原理

稀釋抽取式污染物CEMS系統(tǒng)最關(guān)鍵的保證就是要有恒定的稀釋比，當(dāng)前CEMS大部分采用的稀釋技術(shù)為音速臨界限流小孔技術(shù)。音速臨界限流小孔采用某種耐熱玻璃和陶瓷材質(zhì)，陶瓷的前端裝有石英棉進(jìn)行過(guò)濾除塵。小孔的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于孔的直徑，當(dāng)小孔兩端存在一定壓差時(shí)，氣體通過(guò)限流小孔的流速隨壓差的增大而增大，當(dāng)小孔兩端的壓力差達(dá)到0.46倍以上時(shí)，氣體流過(guò)小孔的流速基本與小孔兩端的壓力變化無(wú)關(guān)，僅取決于氣體分子流經(jīng)限流小孔的振動(dòng)速度。在氣體壓力、溫度、密度保持穩(wěn)定的情況下，氣體通過(guò)臨界限流小孔的流速將保持恒定，即產(chǎn)生恒流現(xiàn)象。

3.2 SO2氣體分析儀測(cè)量原理

稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS系統(tǒng)SO2多采用紫外熒光法測(cè)量原理，以美國(guó)熱電公司的43i氣體分析儀為例說(shuō)明該測(cè)量原理。稀釋后的樣品氣體進(jìn)入測(cè)量池，用適當(dāng)波長(zhǎng)的（190～230 nm）紫外線(xiàn)照射樣品，SO2吸收紫外光變成激發(fā)態(tài)的分子，即，該分子非常不穩(wěn)定，瞬間返回激發(fā)態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生330 nm波長(zhǎng)的特征熒光，即，在一定溫度和壓力條件下，該熒光強(qiáng)度與樣品中的SO2濃度成正比，即，式中I為特征熒光的強(qiáng)度，c為SO2氣體濃度，k為比例系數(shù)。用光電倍增管或其他檢測(cè)器測(cè)量出熒光的強(qiáng)度，通過(guò)分析儀電子單元可進(jìn)一步換算成SO2濃度值。美國(guó)熱電43i分析儀主要由紫外光源、反應(yīng)氣室、光電檢測(cè)器、光電倍增管等部件組成，其工作原理圖如2所示。

3.3 NO-NO2-NOx氣體分析儀測(cè)量原理

目前稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS系統(tǒng)NO-NO2-NOx多采用化學(xué)發(fā)光法測(cè)量。以美國(guó)熱電42i分析儀為例說(shuō)明該測(cè)量方法，該分析儀主要由采樣泵、反應(yīng)室、光電倍增管、鉬轉(zhuǎn)化爐、臭氧發(fā)生器等部件組成，NO-NO2-NOx氣體分析儀工作原理圖如3圖所示。該分析儀帶有一個(gè)NO-NOx切換電磁閥，用來(lái)切換進(jìn)入測(cè)量室的樣品氣，使樣品直接進(jìn)入測(cè)量室，或者樣品經(jīng)過(guò)鉬轉(zhuǎn)化器后進(jìn)入測(cè)量室，通過(guò)光電檢測(cè)器測(cè)量反應(yīng)室的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)計(jì)算出樣品氣中的NO和NOx濃度值，分析儀電子單元通過(guò)NO和NOx值計(jì)算出NO2濃度值。具體的測(cè)量原理為：在一定的條件下，NO與O3發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的分子，該分子十分不穩(wěn)定，瞬間返回成激發(fā)態(tài)NO2分子，同時(shí)產(chǎn)生波長(zhǎng)為900 nm的近紅外熒光，用光電倍增管或其他檢測(cè)器測(cè)量出該熒光的強(qiáng)度，通過(guò)分析儀電子單元可進(jìn)一步換算成NO-NO2-NOx濃度值。該反應(yīng)的化學(xué)方程式如下式所示：（1-1），（1-2）。

燃煤鍋爐排放的煙氣中氮氧化物主要由NO和NO2組成，NO2不能與O3發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，只能通過(guò)間接方法測(cè)量出煙氣中NO2的含量。目前，最常用的方法就是鉬轉(zhuǎn)化法，即利用一定活潑特性的金屬鉬在高溫下與NO2發(fā)生反應(yīng)，將NO2還原為NO，當(dāng)該樣氣進(jìn)入測(cè)量室，分析測(cè)量出NOx的濃度，NOx和NO的差值即為NO2濃度。鉬轉(zhuǎn)化方程式為：。

4 稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS的影響因素

（1）影響稀釋抽取式氣態(tài)污染物恒流即影響該系統(tǒng)的稀釋比，系統(tǒng)恒流狀態(tài)隨稀釋比的改變而改變，而稀釋氣壓力、煙氣絕對(duì)壓力、煙氣密度和煙氣溫度的變化都會(huì)造成臨界限流孔的流速異常，從而影響稀釋比，造成該系統(tǒng)采樣流量波動(dòng)，測(cè)量結(jié)果失真。目前消除這些影響的主要手段就是結(jié)合實(shí)際工況在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該系統(tǒng)的稀釋比進(jìn)行重新校準(zhǔn)，對(duì)煙氣的溫度和壓力變化能實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，用與樣氣測(cè)量值相近的標(biāo)氣對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行定期全程標(biāo)定，這樣能減少這些因素對(duì)稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS測(cè)量造成的影響。由于該廠(chǎng)采用濕氨法脫除煙氣中的二氧化硫，稀釋煙氣中會(huì)有白色的硫酸銨粉末析出堵塞音速小孔，從而使稀釋比發(fā)生變化，造成儀表測(cè)量不準(zhǔn)確。由于音速小孔孔徑只有頭發(fā)絲一樣大，堵塞后疏通起來(lái)比較費(fèi)時(shí)間，一般企業(yè)會(huì)備有新的音速小孔，替換下堵塞小孔進(jìn)行疏通處理，這樣不會(huì)影響儀表的正常測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸，將儀表故障處理時(shí)間降到最少。

（2）影響稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS中SO2測(cè)量的因素主要有：煙氣中的烴類(lèi)、臭氧、煙氣中粉塵、測(cè)量室溫度、激發(fā)光源等。

其中烴類(lèi)化合物由于能使熒光淬滅，使儀器發(fā)射熒光的濃度降低，使測(cè)量誤差偏差較大。美國(guó)熱電公司的43i紫外熒光法二氧化硫分析儀在樣品進(jìn)入測(cè)量氣室前裝有一個(gè)氣體洗滌器，用來(lái)除去樣品中任何烴類(lèi)化合物，避免該類(lèi)化合物對(duì)測(cè)量造成影響。

由于臭氧對(duì)一個(gè)相對(duì)寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)紫外光都有吸收，所以為避免空氣中臭氧對(duì)該儀表測(cè)量值的影響，43i分析儀在設(shè)計(jì)上盡可能地縮短了熒光氣室到光電檢測(cè)器之間的距離，二者之間設(shè)有一個(gè)窄帶濾光片，熒光氣室和檢測(cè)器之間狹縫完全密封。

由于該廠(chǎng)脫硫系統(tǒng)采用的是濕氨法脫硫，稀釋后的煙氣在傳輸過(guò)程中會(huì)有細(xì)小的粉塵粉末（主要為硫酸銨粉末）析出，盡管分析儀入口裝有目數(shù)很小的膜式過(guò)濾器，也要定期檢查過(guò)濾器膜片使用情況，否則如果膜片破損，該分析儀測(cè)量氣室鏡片會(huì)受到污染，測(cè)量誤差變大。

因?yàn)闇囟冉档蜁?huì)減少熒光碰撞和非輻射失活的概率，會(huì)使熒光的強(qiáng)度增強(qiáng)，分子能量以熒光形式釋放的幾率變大;溫度升高會(huì)引起氣體黏度減小，從而造成分子發(fā)生碰撞的幾率和頻率變大，分子通過(guò)其他形式釋放能量，這樣產(chǎn)生的熒光效應(yīng)就會(huì)變?nèi)?，所以維持測(cè)量室溫度恒定，一般測(cè)量氣室溫度設(shè)定為45 ℃左右，從而使測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確。

激發(fā)光源對(duì)熒光光譜的影響作用主要是由激發(fā)光源的波長(zhǎng)和強(qiáng)度不同所造成的，由于物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)發(fā)生細(xì)小改變很可能引起熒光效率的巨大改變，從而影響該儀表測(cè)量結(jié)果。美國(guó)熱電43i二氧化硫分析儀采用鋅燈作為光源，采用特定濾光片讓213 nm的主共振線(xiàn)通過(guò)，獲得穩(wěn)定的激發(fā)波長(zhǎng)，光源衰減小和使用壽命長(zhǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，環(huán)境保護(hù)是構(gòu)建和諧社會(huì)和資源節(jié)約型、友好型社會(huì)的重要組成部分，而固定污染源廢氣排放監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)工作和數(shù)據(jù)來(lái)源，保證各污染源儀表的穩(wěn)定測(cè)量和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效尤為重要。以當(dāng)前最為流行的稀釋抽取式氣態(tài)污染物CEMS為例，從該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、測(cè)量原理及影響因素等方面進(jìn)行詳細(xì)的敘述，希望能為從事環(huán)保工作的同行提供必要的幫助，讓其能快速深入了解該系統(tǒng)的主要技術(shù)內(nèi)容。

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