鍋爐煙氣超凈排放項目中CEMS應用探討

張鋒

(中石化寧波工程有限公司 脫硫脫硝技術(shù)公司， 上海 200030)

鍋爐煙氣超凈排放項目中CEMS應用探討

張鋒

(中石化寧波工程有限公司 脫硫脫硝技術(shù)公司， 上海 200030)

介紹了新的污染物排放標準中特征污染物的排放極值的新要求，討論了煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)如何在污染物的質(zhì)量濃度超低范圍應用于工程項目的問題,著重介紹了直接抽取法和稀釋抽取法的測量原理及在超低質(zhì)量濃度測量中的應用，針對超低排放的工況條件、采樣過程的特殊性，提出了在污染物的質(zhì)量濃度超低情況下CEMS應用的注意事項與發(fā)展改進新思路。

超凈排放 煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) 直接抽取法 稀釋抽取法

中國在“十二五”期間提高了對大氣污染物排放的控制要求。伴隨著排放標準的提高，GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》[1]、GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》[2]、GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》[3]中的特征污染物的質(zhì)量濃度極值已經(jīng)比過去的標準值大幅提高。為應對日益嚴格的環(huán)保要求和企業(yè)發(fā)展需求，中國石化股份有限公司下屬各分廠含自備電廠燃料鍋爐都陸續(xù)進行超凈排放改造以適應新的排放標準。以文獻[2]為例，重點地區(qū)火力發(fā)電廠燃煤鍋爐污染物的質(zhì)量濃度排放標準的極值見表1所列。

1 CEMS系統(tǒng)

固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的監(jiān)測目標為顆粒物，含SO2以及NOx等氣態(tài)污染物，排放氣相關參數(shù)包括:煙氣流量、溫度、壓力、含氧量、濕度、氨逃逸量等。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)》[4]中定義，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。通過采樣和非采樣方式，測量煙氣中的上述指標，計算煙氣中污染物的質(zhì)量濃度和排放量，顯示和打印各種參數(shù)、圖表并通過數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)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。

表1 火力發(fā)電廠燃煤鍋爐污染物的質(zhì)量濃度排放極值 mg/m3

2 CEMS的測量原理及在超低質(zhì)量濃度測量中的應用

超低排放CEMS監(jiān)測系統(tǒng)是在原有CEMS監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上針對工況條件進行特殊設計的，主機采用超低量程的主機，采樣過程采用特有的采樣形式，否則會導致較大的測量誤差，無法為環(huán)保監(jiān)測部門提供準確的測量數(shù)據(jù)。氣態(tài)污染物SO2和NOx的測量，根據(jù)采樣方法的不同，通常采用的有直接抽取法和稀釋抽取法。

2.1 直接抽取法測量原理

依據(jù)朗伯-比爾吸收定律制成的光譜吸收儀，分為非分散紅外吸收法和非分散紫外吸收法。非分散紅外吸收法可以同時測量SO2和NO的質(zhì)量濃度，當采用非分散紅外吸收法測量NOx的質(zhì)量濃度時，因NO2對特定譜段紅外光無法吸收，所以需要加裝轉(zhuǎn)換爐將NO2轉(zhuǎn)化為NO，通過NO的質(zhì)量濃度反應NOx的質(zhì)量濃度。該方法需要注意NO2在轉(zhuǎn)化為NO過程中的轉(zhuǎn)化率問題，如果轉(zhuǎn)化率不確定，則測量精度也受到影響。當采用非分散紫外吸收法時，可以同時測量SO2和NO2的質(zhì)量濃度，而且該方法不受水分子光譜段的干擾，因此測量精度較高，但是紫外發(fā)生晶體管是易耗件，且需頻繁更換，價格也比較貴，這是選用時需要考慮的因素。

超凈排放改造處理后的煙氣，氣態(tài)污染物的質(zhì)量濃度正常情況下均低于100 mg/m3，抽取的過程中如果忽略，導致被測組分的損失，則會大幅影響測量的精度。此外，鍋爐外排煙氣中含有大量的水分，而采樣管線從采樣點到分析儀表的路徑較長，采樣過程中如果某段管線溫度過低，低于煙氣的露點溫度，采樣煙氣會凝結(jié)成水，而SO2和NOx均能溶于水，將會導致被測組分流失。此種流失在高量程測量時可以看作是低誤差的測量值損失，而在超凈排放的測量量程內(nèi)，流失的量則不可忽視，因此在超凈改造項目中，氣態(tài)污染物的測量首先要防止被測組分的流失。通常采取的措施是加熱采樣探頭、伴熱采樣管線，使采樣全過程的溫度不低于140 ℃，保證采樣煙氣中的水分一直處于氣體狀態(tài)，抑制被測組分的流失。

而水蒸氣分子會對特定譜段的紅外光進行吸收，從而對被測組分進行干擾，該干擾對被測組分的測量影響較大。因此，采樣煙氣進分析儀前必須去除樣氣中的水蒸氣。常見方法有冷凝法和滲透干燥除濕法。冷凝法常用的是壓縮機制冷，2套壓縮機串聯(lián)組成二級制冷回路，壓縮機制冷效率高、性能穩(wěn)定，故制冷效果比較好。在冷凝階段為了防止被測量組分丟失，通常會在冷凝容器中配置磷酸形成磷酸飽和溶液，抑制SO2和NOx等組分的溶解。

滲透干燥除濕法采用那分(nafion)管，利用內(nèi)部硫磺酸親水的特性，通過水合作用滲透吸收去除煙氣中的水分。該方法不會對煙氣冷凝，避免了被測組分與水接觸溶解，能更有效地抑制被測組分損失，但是那分管本身對煙氣的要求很高，堿性物質(zhì)和顆粒物都會使那分管失效，如何高效地除去雜質(zhì)保證那分管正常工作是應用的關鍵。

典型直接抽取法采樣流程示意如圖1所示。

2.2 稀釋抽取法測量原理

目前普遍采用脈沖紫外熒光法SO2分析儀和化學發(fā)光法NOx分析儀。稀釋抽取法采用獨特的現(xiàn)場樣品預處理的氣體采集方式；在采樣探頭頂部，通過1個音速小孔進行采樣,并用干燥的儀表空氣在探頭內(nèi)部進行稀釋。樣氣進入分析儀之前不需要進行除濕處理，通常選擇稀釋比在100∶1至250∶1之間的樣氣，經(jīng)過稀釋后，有效地降低了樣氣的露點溫度，使之低于安裝地的環(huán)境最低溫度，從而避免了樣氣在環(huán)境溫度下產(chǎn)生的結(jié)露現(xiàn)象；另一方面，樣氣雖然經(jīng)過稀釋，但仍為帶濕氣體，測量過程是典型的濕法測量。

由于稀釋探頭采樣不需要除濕設備，因而無需購置除濕設備，可以徹底避免樣氣在采樣管線中冷凝結(jié)水，而且無需加熱氣體傳輸管線并可避免許多與其他采樣技術(shù)伴隨而來的麻煩。稀釋抽取法的測量方法是美國EPA優(yōu)選的帶濕計算方法，不僅避免了除濕過程中產(chǎn)生的SO2和NOx損失，而且徹底消除了直接采樣法經(jīng)常發(fā)生的由于水分沒有從試樣中徹底消除而帶來的腐蝕影響。稀釋法提供帶濕樣氣測量數(shù)值和帶濕煙氣流量值，因而不再需要為數(shù)據(jù)修正提供額外的濕度計。

稀釋系統(tǒng)的采樣管線由4根聚四氟乙烯管組成，其中2根分別用于往采樣探頭輸送校準氣和稀釋空氣，剩余2根分別用于往各種分析儀器輸送稀釋后的煙氣樣氣和探頭部分的真空度監(jiān)測。所有采樣管線除真空管線外都是正壓，避免了由氣體泄漏而帶來的誤差。稀釋采樣法在樣氣的采集和傳輸過程中，不像非稀釋采樣法那樣需要采樣泵及若干個流量控制閥，從而降低了設備購置費和運行維護成本，減少了故障隱患。采樣管線距離最遠可達100 m。稀釋抽取法采樣流程如圖2所示。

圖1 典型直接抽取法采樣流程示意

圖2 稀釋抽取法取樣流程示意

3 結(jié)束語

CEMS不論是在煙氣脫硫、脫硝工藝反應過程，還是在政府環(huán)保部門監(jiān)管終端的參數(shù)指示過程都扮演極其重要的角色。CEMS應用好壞間接決定了煙氣超凈排放的成敗。在CEMS應用過程中還需要不斷地探討與改進，以選用合適的系統(tǒng)來滿足不同工況下工程的應用。

[1] 撫順石油化工研究院,中國環(huán)境科學研究院.GB 31570—2015石油煉制工業(yè)污染物排放標準[S].北京:中國環(huán)境科學出版社，2015.

[2] 中國環(huán)境科學研究院，國電環(huán)境保護研究院.GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標準[S].北京:中國環(huán)境科學出版社，2012.

[3] 天津市環(huán)境保護科學研究院，中國環(huán)境科學研究院.GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準[S].北京:中國環(huán)境科學出版社，2014.

[4] 上海市環(huán)境監(jiān)測中心，中國環(huán)境監(jiān)測總站，中日友好環(huán)境保護中心.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) [S].北京:中國環(huán)境科學出版社，2007.

[5] 國家環(huán)境保護總局.HJ/T 76—2007 固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法(試行)[S].北京:中國環(huán)境科學出版社，2007.

[6] 環(huán)境保護部/國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 13323—2011 火電廠大氣污染物排放標準 [S].北京:中國環(huán)境科學出版社，2011.

[7] 孫磊，黃步余，任軍，等.SH/T 3174—2013 石油化工在線分析儀系統(tǒng)設計規(guī)范 [S].北京:中國石化出版社，2013.

[8] 陳昕.淺析國內(nèi)FCCU煙氣除塵脫硫技術(shù)控制要點 [J].石油化工自動化，2015，51(03)：8-12.

[9] 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)的應用分析 [J].石油化工自動化，2017，53(02)：50-53.

[10] 王森，周永峰，劉德允，等.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) [M].北京:化學工業(yè)出版社，2015.

[11] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊 [M].3版.北京:化學工業(yè)出版社，2000.

DiscussiononApplicationofCEMSinUltra-cleanEmissionReconstructionofBoilerFlueGas

Zhang Feng

(Flue Gas Desulfurization & Denitrification Technology Company, Sinopec Ningbo Engineering Co.Ltd., Shanghai, 200030, China)

s：The new requirements for emission extremes of characteristic pollutants in new pollutant emission standards are introduced.How to apply continuous emission monitoring system(CEMS) to engineering project in ultra-low mass concentration range of pollutant is discussed.The measuring principle of direct extraction sampling and diluted extraction sampling and application under ultra-low mass concentration are stressed.On the part of particularity of working condition and sampling process of ultra-low emission,the new development ideas and attention of CEMS application in ultra-low mass concentration of pollutant are put forward.

ultra-clean emission; flue gas continuous emission monitoring system; direct sampling method; dilution sampling method

稿件收到日期：2017-08-10，修改稿收到日期2017-09-31。

張鋒(1978—)，男，山東臨淄人，2001年畢業(yè)于青島大學自動化專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)就職于中石化寧波工程有限公司脫硫脫硝技術(shù)公司，從事儀表工程設計工作，任工程師。

TH744.4

B

1007-7324(2017)06-0057-03