火力發(fā)電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用分析

叢經(jīng)緯，楊金城

火力發(fā)電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用分析

叢經(jīng)緯1，楊金城2

(1. 中國石化集團資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司 揚子分公司，江蘇 南京 210048; 2. 中石化揚子石化有限公司 烯烴廠，江蘇 南京 210048)

煙氣脫硫、脫硝、除塵環(huán)保裝置技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)提出了新的要求。通過對當(dāng)前火力發(fā)電廠應(yīng)用的主流CEMS測量技術(shù)進行了分析研究，闡述了典型CEMS的配置構(gòu)成，分析和比較了CEMS不同檢測因子適應(yīng)于不同應(yīng)用工況下的各類檢測方法的優(yōu)缺點，同時指出了業(yè)內(nèi)CEMS數(shù)據(jù)采集監(jiān)管環(huán)節(jié)存在的不足，針對火力發(fā)電廠CEMS運行維護中存在的幾個典型問題，提出了應(yīng)用于火力發(fā)電廠煙氣新排放標(biāo)準(zhǔn)下的CEMS發(fā)展改進思路。

火力發(fā)電廠 煙氣 連續(xù)排放 煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) 超低排放

參照GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和能源局等部門頒布的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，火力發(fā)電廠相應(yīng)脫硫、脫硝、除塵環(huán)保裝置陸續(xù)得到投用與改造以滿足大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前中國脫硫裝置主要的工藝技術(shù)路線有濕法煙氣脫硫、煙氣循環(huán)流化床脫硫以及海水脫硫等方法。脫硝裝置工藝技術(shù)包括采用低氮燃燒器(LNB)、選擇性非催化還原法(SNCR)、選擇性催化還原法(SCR)等技術(shù)方法，通常采用上述幾種技術(shù)方法根據(jù)自身條件進行組合以達到預(yù)期脫硝效果；除塵技術(shù)則有電除塵、袋式除塵以及電袋復(fù)合除塵技術(shù)等。環(huán)保裝置運行過程控制及監(jiān)控設(shè)施——煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)CEMS(continuous emission monitoring system)在電力行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，并根據(jù)減排技術(shù)路線的不同以及排放標(biāo)準(zhǔn)的升級需要而發(fā)展出多種技術(shù)方向的CEMS系列產(chǎn)品。

1 CEMS系統(tǒng)簡介

根據(jù)HJ/T 75—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)》的規(guī)定，CEMS由氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測量子系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)組成[1]?；鹆Πl(fā)電廠氣態(tài)污染物主要包括二氧化硫和氮氧化物，煙氣排放參數(shù)是指煙氣溫度、壓力、流量、含氧量及濕度，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)則是采集現(xiàn)場儀器儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)并以數(shù)字字符串的形式無線傳輸至政府環(huán)境監(jiān)控平臺，形成政府對企業(yè)生產(chǎn)排放的監(jiān)管。典型的CEMS結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型CEMS結(jié)構(gòu)示意

2 系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用分析

隨著CEMS的發(fā)展，其各類檢測因子的測量涌現(xiàn)出了多種取樣、檢測方法。如何合理配置CEMS以滿足不同介質(zhì)工況下的測量需求，是該系統(tǒng)能否可靠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。筆者針對火力發(fā)電廠煙氣工況下典型CEMS配置應(yīng)用進行了闡述、分析和比較，提出了一些系統(tǒng)配置和發(fā)展的建議。

2.1 氣態(tài)污染物測量

火力發(fā)電廠氣態(tài)污染物主要是指對二氧化硫、氮氧化物的分析測量。目前主要應(yīng)用的測量原理是基于光學(xué)原理，其中絕大多數(shù)采用的是非分散紅外吸收法，其原理是基于氣體分子對特定譜段的紅外光的吸收，其吸收關(guān)系服從朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律，針對被測氣體特定波長的紅外濾光片的輻射探測器通過測量該譜段紅外光的衰減度，結(jié)合探測器得到的電信號與被氣體吸收掉的光能量成對應(yīng)關(guān)系，通過計算得到對應(yīng)煙氣的濃度。

此外，采用非分散紫外吸收法的分析儀器，其原理是根據(jù)煙氣對不同波長的紫外線吸收程度不同而對物質(zhì)組成進行分析的方法，光源發(fā)出的紫外光經(jīng)光柵或棱鏡分光后，分別通過試樣溶液及參比溶液，再投射到光電倍增管上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并放大后，由繪制的紫外吸收光譜可對煙氣進行分析。由于紫外線能量較高，故紫外吸收光譜法靈敏度較高，具有檢出限低、在低濃度條件下運行穩(wěn)定、抗干擾能力強等特點，隨著超低排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，其在火力發(fā)電廠超低排放環(huán)保裝置上將具有較好的應(yīng)用前景。

2.2 顆粒物測量

火力發(fā)電廠煙氣排放顆粒物濃度檢測主要采用濁度法和散射法，其中濁度法適合測量高濃度顆粒物介質(zhì)，在早期有著較為廣泛的應(yīng)用。隨著一系列新型脫硫除塵環(huán)保裝置的投運，顆粒物排放濃度不斷降低，適合測量低濃度顆粒物的散射法測量儀表相應(yīng)推出。在濕法脫硫裝置后，國內(nèi)通常采用濕煙氣直排的方式，未配置煙氣再熱器(GGH)裝置，煙氣中含有的大量液滴對散射光的干擾吸收又將是顆粒物測量儀表必須解決的問題。為達到超低排放顆粒物10 mg/m3標(biāo)準(zhǔn)下的測量要求，抽取干燥式散射法儀表得到應(yīng)用，其特點是在線校驗便捷，能克服煙氣濕度的影響，適合測量低濃度顆粒物煙氣，但成本較高且儀表維護量較大。

2.3 煙氣排放參數(shù)測量

火電廠煙氣排放參數(shù)測量主要包括煙氣溫度、流量、壓力、含氧量、濕度的測量。溫度、壓力測量相對簡單，在配置過程中只需注意環(huán)境與介質(zhì)的腐蝕和堵塞問題即可，此處不作詳細敘述。

煙氣流量測量是通過測量煙氣流速的方式計算所得。流速測量方法根據(jù)其測量原理分類主要包括S型皮托管法、熱平衡法和超聲波法[3]。皮托管法和熱平衡法為點式測量，超聲波法為線式測量[3]。當(dāng)前國內(nèi)煙氣流速測量主要采用皮托管法，但需要解決的問題是由于煙道直管段不能充分滿足測量條件的情況下，測量結(jié)果真實反映實際工況。為解決該問題，矩陣式多點測量煙氣流速裝置得以發(fā)展，但受現(xiàn)場安裝空間以及安裝施工量巨大等因素制約，目前在CEMS煙氣流量測量上應(yīng)用極少。

煙氣含氧量作為判斷煙氣被稀釋與否的參數(shù)是該系統(tǒng)中的一個重要檢測因子，其測量技術(shù)較為成熟。目前主要應(yīng)用的測量方法有氧化鋯直接測量法和集成于氣態(tài)污染物分析儀中的直接抽取電化學(xué)法。

煙氣濕度作為煙氣減排總量計算的參數(shù)，通常采用干濕氧法測量計算所得，即通過直接測量式氧化鋯測量出的濕氧與氣態(tài)污染物分析儀所測量的干氧計算出煙氣濕度。當(dāng)然，基于紅外光譜的光學(xué)法煙氣濕度儀與基于電容法的煙氣濕度儀也因產(chǎn)品價格及故障率等因素，極少在該系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.4 采樣方式

當(dāng)前CEMS采樣測量方式主要包含直接抽取式、稀釋抽取式以及直接測量式。其中稀釋抽取式與直接抽取式是目前該系統(tǒng)常用的采樣方法。

稀釋抽取式是利用壓縮空氣通過文丘里喉部時，在喉部附近形成的負壓系統(tǒng)將被測煙氣吸入，與潔凈干燥的空氣按一定比例混合稀釋，減少被測煙氣中的水分，使得樣氣的露點溫度遠低于室溫，送至分析儀中且將分析的結(jié)果乘以稀釋比從而得到測量因子的檢測值。該方式省去了復(fù)雜的樣氣預(yù)處理過程，避免煙氣在傳輸過程中冷凝，防止采樣探頭管路腐蝕堵塞，提高了分析儀壽命，減少維護工作量。缺點是該系統(tǒng)復(fù)雜，稀釋比例不易控制，若比例控制不好將放大測量誤差。此外，該方式在應(yīng)用于高濕度低溫度煙氣工況下樣氣中可能出現(xiàn)凝液影響正常測量，國內(nèi)該類產(chǎn)品仍需進一步完善。

直接抽取式是指煙氣通過采樣探頭取樣后，首先經(jīng)過伴熱管線加溫以保證煙氣在不結(jié)露的狀態(tài)下送至控制系統(tǒng)，在經(jīng)過除塵除水處理后進入分析儀進行檢測。該方式系統(tǒng)相對簡單，維護直觀方便，但故障率較高，據(jù)不完全統(tǒng)計目前采用該方式的CEMS約占70%[3]，但在超低排放脫硫裝置應(yīng)用上，則需考慮對采樣管路中凝液的形成對測量穩(wěn)定性及測量誤差的影響。

直接測量式是指所有分析單元均直接安裝在煙道上，直接對煙氣進行連續(xù)分析測量。其特點是省去了采樣和煙氣預(yù)處理單元，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性強。缺點是受環(huán)境溫度、腐蝕、振動[4]等因素的影響大，測量精度較差，且維護工作量大。

2.5 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)是抽取式CEMS的重要組成部分，包括煙氣采樣、輸送、除塵除濕等單元。稀釋抽取式CEMS預(yù)處理過程相對簡單，而直接抽取式CEMS的預(yù)處理過程又分冷干法和熱濕法。此處重點分析冷干法煙氣預(yù)處理系統(tǒng)。

采樣探頭是對煙氣顆粒物進行初級過濾，防止影響系統(tǒng)后續(xù)單元。安裝時，探頭應(yīng)斜插安裝，以便煙氣中的液滴及冷凝出的酸液回流至煙道。為便于維護，探頭過濾器通常布置于煙道外，同時配置加熱裝置及反吹系統(tǒng)以減少探頭堵塞故障率。

采樣管線是將煙氣保持在露點之上無污染無損失地輸送至CEMS機柜的通路，長度通常為20～70 m，管線過長一方面將延長煙氣傳輸時間使得系統(tǒng)測量滯后，另一方面也將大幅增加建設(shè)成本。敷設(shè)時應(yīng)避免管線出現(xiàn)U型彎，采樣管束按系統(tǒng)功能應(yīng)設(shè)置樣氣、校準(zhǔn)及反吹3根管線，同時配置電伴熱設(shè)施以保持煙氣溫度。

除濕單元就是脫除煙氣中的水蒸氣的裝置，當(dāng)前主要采用冷卻除濕和滲透干燥除濕兩種方法。其中冷卻除濕有壓縮機制冷和電子制冷兩種方式[3]，該種應(yīng)用國內(nèi)較為普遍。壓縮機制冷是將制冷劑壓縮后在冷凝器中液化放熱，經(jīng)干燥器脫水后再進入氣化器釋壓氣化吸熱，從而使與其換熱的煙氣冷卻，該方式特點是制冷效果較穩(wěn)定，但維護維修專業(yè)性更強。電子制冷是基于半導(dǎo)體的帕爾帖(peltier)效應(yīng)，配合冷卻塊來冷卻煙氣，特點是體積小，維護簡單，但對環(huán)境溫度要求較高，如環(huán)境溫度超過35℃后制冷效率將會急劇降低，且成本較高。為保證除濕效率，冷凝器一般采用兩級冷卻。此外，在配置冷凝器時還應(yīng)考慮煙氣在冷凝器中SO2組分丟失率因素，應(yīng)根據(jù)不同工況合理配置冷凝器及其熱交換管，尤其是在超低排放高濕低濃度SO2工況下除濕技術(shù)應(yīng)謹慎應(yīng)用。

滲透干燥除濕通常采用Nafion管，其工作原理是基于其內(nèi)部硫(磺)酸基的親水特性，通過水合作用滲透吸收來移除水分。該方式?jīng)]有水蒸氣的冷凝，避免了煙氣與冷凝水的接觸導(dǎo)致煙氣測量組分丟失，更適合應(yīng)用于超低排放工況，但Nafion管對煙氣要求較高，液滴、堿性物質(zhì)(NH3)、顆粒物都易致其失效，因而在國內(nèi)現(xiàn)有排放環(huán)境下應(yīng)用較少。

2.6 數(shù)據(jù)采集及傳輸

CEMS數(shù)據(jù)采集及傳輸包括就地PC上位機數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲、制表、打印和數(shù)采儀采集數(shù)據(jù)發(fā)送至環(huán)保監(jiān)管平臺兩大功能。系統(tǒng)PLC采集了現(xiàn)場儀表的測量信號加以處理后通信至PC上位機，配以CEMS煙氣監(jiān)測軟件實現(xiàn)相關(guān)監(jiān)控功能；數(shù)采儀以硬接線方式采集現(xiàn)場測量信號，通過4G路由器無線發(fā)送至政府環(huán)保監(jiān)管平臺。但監(jiān)測軟件的開發(fā)需要對儀器儀表知識及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范具有相當(dāng)專業(yè)的理解，加上目前數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不統(tǒng)一，故CEMS在數(shù)據(jù)采集傳輸環(huán)節(jié)仍需要不斷完善。

3 常見問題分析

3.1 測量偏差

通常從火力發(fā)電廠煙氣處理工藝流程上看，鍋爐煙氣在經(jīng)過脫硝處理后，進入除塵器進行顆粒物脫除，最終煙氣進入脫硫裝置的脫硫流程。然而，在很多實際應(yīng)用中鍋爐脫硝出口、脫硫進口、脫硫出口的氮氧化物的質(zhì)量濃度出現(xiàn)了與工藝流程不符，偏差大甚至出現(xiàn)流程前端氮氧化物濃度小于后端濃度的現(xiàn)象。以某熱電廠鍋爐采用LNB加SNCR加SCR三合一技術(shù)的煙氣脫硫脫硝裝置為例，在不同運行工況下其煙氣流程中各階段氮氧化物測量值見表1所列。

表1 某熱電廠鍋爐脫硫脫硝NOx的質(zhì)量濃度測量值 mg/m3

究其原因，在排除CEMS本身故障、系統(tǒng)漏風(fēng)以及分析儀表漂移等因素外，大致為鍋爐裝置進行脫硝改造時，尤其是老爐型改造受鍋爐尾部煙道空間的局限及脫硝SCR入口流場均布裝置不夠完善，導(dǎo)致了脫硝出口NOx的質(zhì)量濃度分布不均勻，CEMS采樣點所采集的樣氣不具備代表性，從而致使煙氣流程中各階段CEMS所測量NOx的質(zhì)量濃度出現(xiàn)了不規(guī)律偏差。其后果則是運行人員為控制最終排口NOx的質(zhì)量濃度不超標(biāo)，參照后流程中的間接參數(shù)調(diào)整脫硝裝置噴氨量，極易造成局部噴氨過量、出口氨逃逸超標(biāo)、鍋爐尾部換熱器堵塞等嚴重后果。該類問題通常解決方法就是改造并優(yōu)化CEMS采樣點，具體可以是將CEMS采樣點移位或者是采用多探頭采樣混合進入分析儀分析的方式。第一種方式成本小、操作簡單，但隨鍋爐運行燃燒工況的變化給測點位置能否具有持續(xù)的代表性帶來不確定性；第二種方式相對能夠較為準(zhǔn)確地反映煙氣實際NOx的質(zhì)量濃度，但缺點是由于采樣探頭增加導(dǎo)致了成本和維護量的增加，且具體實施方案需事先得到政府環(huán)保部門的認可確認。

3.2 系統(tǒng)可用性問題分析

1) 制約火力發(fā)電廠煙氣脫硫脫硝CEMS穩(wěn)定可靠運行最常見的問題是采樣探頭、采樣管路堵塞問題。解決該類問題可從以下幾個方面加以考慮： 在系統(tǒng)設(shè)計階段應(yīng)盡量避免采樣管線過長、采樣管線采用高溫型、在脫硝高溫高粉塵煙氣工況下采樣探頭配置脫硝專用前置過濾器以及在探頭管路中設(shè)置壓縮控制反吹回路；在安裝階段規(guī)范安裝采樣探頭及取樣管路，采樣探頭安裝時保證向煙道內(nèi)留有一定傾角以便煙氣中的液滴及冷凝出的酸液回流至煙道，取樣管路敷設(shè)保證向系統(tǒng)柜側(cè)單調(diào)傾斜，且角度不小于5°[3]，用于安裝高溫采樣探頭的法蘭套筒在漏出保溫層的部分需要做保溫處理，以防止煙氣在探桿內(nèi)降溫過快，導(dǎo)致焦油、銨鹽等物質(zhì)粘結(jié)堵塞探桿；在使用階段提高采樣探頭及管路伴熱溫度，根據(jù)煙氣工況合理設(shè)置反吹時間間隔和持續(xù)時間，如果持續(xù)時間過長也會導(dǎo)致探頭過渡冷卻以至于再次采樣時煙氣冷凝[3]。

2) 影響系統(tǒng)可用性的另一個重要因素是污染和腐蝕問題。一方面在系統(tǒng)設(shè)計、選型及材質(zhì)應(yīng)用上充分考慮測量介質(zhì)組分在流程中特性變化對系統(tǒng)部件的腐蝕影響。另一方面，在CEMS使用中采取一些相應(yīng)防污防腐措施： 火力發(fā)電廠鍋爐煙氣中含有較多焦油、SO3等物質(zhì)，經(jīng)冷凝器降溫處理后易形成氣溶膠，且難以隨冷凝液排出系統(tǒng)，而是進入后續(xù)部件甚至進入分析儀檢測池，造成部件污染腐蝕，被嚴重污染腐蝕的檢測池引起測量數(shù)據(jù)漂移波動甚至導(dǎo)致儀器故障，現(xiàn)場運行中酸霧過濾器的應(yīng)用實踐證明可抑制該類腐蝕；系統(tǒng)設(shè)計兩級熱交換柱，將采樣泵布置于兩級熱交換柱之間不僅有利于提升制冷效果，還可以減少煙氣對采樣泵的腐蝕；針對鍋爐煙氣中含有的氟離子對冷凝器玻璃熱交換柱腐蝕的問題，可采用對玻璃熱交換柱進行防腐處理的方法降低冷凝器的故障頻率，提高系統(tǒng)可用性。

3) 在CEMS運行維護方面還應(yīng)加強日常運維工作，關(guān)注系統(tǒng)各部件運行狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，防止因發(fā)現(xiàn)處理不及時引起故障惡化，危及整體CEMS正常工作，維護成本增高。

4 結(jié)束語

CEMS在火力發(fā)電廠鍋爐煙氣脫硫脫硝環(huán)保裝置上已有著廣泛的應(yīng)用，隨著環(huán)保裝置工藝技術(shù)路線的不斷改進以及政府污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，為保證環(huán)保裝置的正常運行監(jiān)控和排放監(jiān)管，該系統(tǒng)無論在測量技術(shù)路線上還是在運行維護管理過程中都需要不斷改進完善，以更好地服務(wù)于環(huán)保裝置。

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Analysis on Application of Continuous Emission Monitoring System of Flue-gas in Thermal Power Plant

Cong Jingwei1， Yang Jincheng2

(1. Yangzi branch，Sinopec Group Asset Management Co. Ltd.， Nanjing， 210048， China; 2. Olefin Plant，Sinopec Yangzi Petrochemical Co. Ltd.， Nanjing， 210048， China)

s: New requirements for continuous emission monitoring system (CEMS ) have been put forward with development and application of flue gas desulfurization， denitrification and dust removal environmental protection devices. Based on analysis and study on current mainstream CEMS measurement technology applied in thermal power plant， configuration of typical CEMS is expounded. Advantages and disadvantages of various detection methods of CEMS with different detect factors for different application working conditions are analyzed and compared. Deficiencies in data acquisition and supervision steps for industry CEMS are pointed out. Aiming at several typical problems in operation and maintenance of CEMS in thermal power plant， development and improvement ideas for CEMS under new emission standard of thermal power plant is proposed.

thermal power plant; exhaust gas; continuous emission; continuous emission monitoring system; ultra low emission

叢經(jīng)緯(1979—)，男，江蘇如東人，畢業(yè)于東南大學(xué)熱能工程及其自動化專業(yè)，主要從事火電廠熱工儀表維護管理工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)02-0050-04

稿件收到日期： 2016-10-13，修改稿收到日期： 2016-12-22。