煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在芳烴聯(lián)合裝置上的應(yīng)用

徐進(jìn)濤

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）是指對(duì)大氣污染源排放的氣態(tài)污染物和顆粒物進(jìn)行濃度和排放總量連續(xù)監(jiān)測，并將信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鞴懿块T的監(jiān)測系統(tǒng)，由氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理與通訊子系統(tǒng)組成。

我國的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測工作起步較晚，1996年頒布的GB 13223—1996《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中，首次提出了新建和改擴(kuò)建火電廠應(yīng)該裝設(shè)CEMS的要求，2001年國家環(huán)保局頒布了HJ／T 75—2001《火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和HJ／T—2001《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》，我國的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測工作開始步入正規(guī)，有了符合我國國情的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國第一套CEMS是1986年廣東沙角B發(fā)電廠從日本引進(jìn)的，1997年之后，由于國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 13223—1996的頒布實(shí)施，安裝CEMS的電廠數(shù)增長較快，2001年之后，煙氣排放連續(xù)監(jiān)測工作全面鋪開，不但火電行業(yè)，其他行業(yè)的大型鍋爐和工業(yè)爐窯，均開始安裝CEMS。雖然目前技術(shù)、裝備、管理和運(yùn)行維護(hù)方面還存在許多問題，環(huán)保機(jī)構(gòu)的監(jiān)管能力和監(jiān)管力度也比較薄弱，但我國的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)市場規(guī)模巨大、前景廣闊，這一點(diǎn)是毋庸置疑的［1］。

按照上海頒布的DB 31／387—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，額定蒸發(fā)量大于等于14 MW的鍋爐應(yīng)按照《污染源自動(dòng)監(jiān)控管理辦法》規(guī)定的安裝大氣污染物連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)，與環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)，并保證設(shè)備正常運(yùn)行。某煉化企業(yè)為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控加熱爐煙氣中二氧化硫、氮氧化物和煙氣流量等各類信息，利用裝置停車消缺檢修機(jī)會(huì)，為加熱爐增設(shè)煙氣排放連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)。在此項(xiàng)目中為芳烴聯(lián)合裝置的所有加熱爐新增11套CEMS，并配套設(shè)置9個(gè)分析小屋，實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置加熱爐大氣污染物排放情況。

1 CEMS總體情況介紹

1.1 CEMS組成介紹

CEMS由氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)4個(gè)部分組成。氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)主要用于監(jiān)測氣態(tài)污染物二氧化硫、氮氧化物等的濃度和排放總量；煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)主要用來監(jiān)測煙塵的濃度和排放總量；煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)主要用來測量煙氣流速、溫度、壓力、含氧量及濕度等，用于排放總量的計(jì)算和相關(guān)濃度的折算；數(shù)據(jù)采集處理與通訊子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)參數(shù)，生成與各濃度值對(duì)應(yīng)的干基、濕基及折算濃度，生成日、月、年的累積排放量，完成丟失數(shù)據(jù)的補(bǔ)償并將報(bào)表實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鞴懿块T。CEMS一般應(yīng)具備在線自助或手段核準(zhǔn)功能。系統(tǒng)一般具有開放平臺(tái)，能夠隨環(huán)保法規(guī)和政策的改變而不斷完善。

CEMS的總體情況見圖1。

圖1 CEMS總體情況

1.2 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)

氣態(tài)污染物主要為氮氧化物、二氧化硫，采用的連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)有抽取式連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)和直接測量法連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，其中抽取式連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)又分為完全抽取法和稀釋抽取法兩種形式。直接抽取法連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)是樣品在到達(dá)分析儀之前，經(jīng)過除塵、除水、冷卻等處理，分析儀測得的是干基樣品中的污染物濃度。而稀釋抽取法連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)利用干燥、清潔的儀表空氣對(duì)煙氣進(jìn)行精確的稀釋取樣，將稀釋后的煙氣引入分析儀進(jìn)行分析，分析結(jié)果再折算成稀釋煙氣中的濃度，分析儀表測得的是濕基樣品中的污染物濃度。直接測量法連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)又稱為現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，即直接將分析儀安裝在煙道上（或者煙道旁路上），對(duì)煙氣中污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，也稱為橫穿煙道的連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，它不需要抽取煙氣在煙道外進(jìn)行分析，分析儀測得的是濕基樣品中的污染物濃度。

從目前世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家的使用情況看，美國和歐洲以稀釋抽取采樣法為主，日本則以直接抽取采樣法為主。鑒于目前分析儀的性能還不能完全滿足直接測量法連續(xù)監(jiān)測的要求，使用壽命較短，維修難度較大，其測量精度和長期可靠性還存在一些問題，需要改進(jìn)，所以，直接測量法連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在中國使用的數(shù)量并不多。本項(xiàng)目從各個(gè)方面綜合考慮，最終決定選用直接抽取法來監(jiān)測氣態(tài)污染物。

1.3 煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)

煙塵顆粒物濃度測量方法主要有光學(xué)透射法、光學(xué)散射法、β射線法、電子探針法。其中光學(xué)透射法是激光或紅外光通過含有煙塵的煙氣時(shí)，光強(qiáng)因煙塵的吸收和散射作用而減弱，通過測定光束穿過煙氣前后的光強(qiáng)比值來確定煙塵濃度，光學(xué)透射法又稱為濁度法。光學(xué)散射法是激光或紅外平行光束射向煙氣時(shí)，煙塵對(duì)光產(chǎn)生散射，經(jīng)煙塵散射的光強(qiáng)在一定范圍內(nèi)與煙塵濃度成比例，通過測量散射光強(qiáng)來確定煙塵濃度。β射線法利用煙塵對(duì)β射線的吸收與煙塵質(zhì)量成正比的原理，用采樣方法將煙塵富集到濾膜上，然后測量被吸收后的β射線劑量，可測得煙塵含量。電子探針法是煙塵粒子隨煙氣運(yùn)動(dòng)與探針摩擦產(chǎn)生靜電，電荷量的多少與煙塵顆粒數(shù)量成正比，以此原理來測量煙塵含量的多少。

我國環(huán)保法推薦的煙塵濃度測量方法有光學(xué)透射法和光學(xué)散射法兩種。由于β射線法需要放射源，因此，我國標(biāo)準(zhǔn)不考慮這種方法。電子探針法受流速的影響較大，校準(zhǔn)困難，也不推薦采用。由于加熱爐的燃料采用的是燃料氣，在項(xiàng)目實(shí)施前期對(duì)所有加熱爐煙氣多次采樣分析，并未發(fā)現(xiàn)煙氣中存在粉塵顆粒，經(jīng)請(qǐng)示上海市環(huán)保局并得到其同意后，本項(xiàng)目未新增煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)。

1.4 煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)

煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目有煙氣流速、溫度、壓力、濕度、氧含量等，其作用是測量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干煙氣流量，以便計(jì)算排污總量。

在煙氣流量監(jiān)測方面，目前國際上一般采用壓差法、超聲波法、熱傳感法3種，其中壓差法是用測速管流量計(jì)測量流量，由皮托管（或均速管）測量元件和差壓變送器組成。超聲波法就是利用超聲波流量計(jì)測量流量，根據(jù)超聲波換能器安裝方式分為內(nèi)置探頭式和外置式兩種結(jié)構(gòu)型式。熱傳感法就是利用熱平衡式質(zhì)量流量計(jì)測量流量，根據(jù)探頭上熱傳感元件的多少，分為單點(diǎn)插入式和多點(diǎn)插入式兩種。從產(chǎn)品性價(jià)比等各項(xiàng)因素綜合考慮，本項(xiàng)目中煙氣流量測量采用皮托管的壓差測量法。同時(shí)本項(xiàng)目中煙氣的溫度采用溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)，煙氣的壓力采用壓力傳感器來測量。

煙氣的濕度采用濕度儀進(jìn)行測量。具體分析方法有紅外吸收法、測氧計(jì)算法、濕敏電容法。其中紅外吸收法通過測量對(duì)水較敏感的紅外線吸收量，測定煙氣中水分含量；測氧計(jì)算法是用氧分析儀測定除濕前后煙氣中含氧量，利用含氧量差值計(jì)算煙氣中水分含量；濕敏電容法是電容器兩極間的介質(zhì)中含有水分時(shí)，改變介質(zhì)的介電常數(shù)值，從而導(dǎo)致電容量的變化，該變化與介質(zhì)的含水量有線性關(guān)系。本項(xiàng)目中濕度的測量采用的是濕敏電容法。

二氧化硫的測量方法主要有紫外熒光法和非分散紅外法。氮氧化物的測量方法主要有化學(xué)發(fā)光法、非分散紅外吸收法。目前直接抽取法大多采用非分散紅外分析儀，稀釋抽取法則采用紫外熒光法二氧化硫分析儀和化學(xué)發(fā)光法氮氧化物分析儀，直接測量法則采用紅外或紫外吸收法來測量。本項(xiàng)目中煙氣中的二氧化硫和一氧化氮的測量采用的是非分散紅外法來測量，具體是利用在2.5～12μm波長范圍由異種原子構(gòu)成的分子氣體固有的吸收特性，這個(gè)波長范圍有分子固有的振動(dòng)現(xiàn)象，分子振動(dòng)在分子固有波長引起光譜的吸收，除了惰性氣體或N2、H2、O2等元素氣體（由兩個(gè)同種原子構(gòu)成）之外，大部分的氣體分子都有自己固有的吸收光譜線，紅外光在樣品池被吸收，吸收的定量關(guān)系與朗伯／比耳定律一致。

煙氣氧含量可以采用氧化鋯氧分析直接測量，也可以采用多組分分析儀和氣體污染物一起測量。本項(xiàng)目采用電化學(xué)分析方法分析煙氣中的氧氣，具體是在直接抽取采樣法中，在紅外分析儀中增加一個(gè)氧測量模塊，用電化學(xué)測量原理測量煙氣中的煙含量。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工作流程

2.1 系統(tǒng)硬件組成

芳烴聯(lián)合裝置新增的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測CEMS采用的是ABB公司的ACX－C150系統(tǒng)。所有CEMS數(shù)據(jù)都通過儀表電纜采用硬接線的方式傳遞給分布式控制系統(tǒng)（DCS），方便操作工在控制室實(shí)時(shí)了解加熱爐的運(yùn)行情況，同時(shí)通過數(shù)采儀能將數(shù)據(jù)無線傳輸至環(huán)保局、中國石化網(wǎng)站。CEMS向DCS傳遞的數(shù)據(jù)主要有二氧化硫的濃度、氮氧化物的濃度、雙組分氧化鋯測的煙氣中一氧化碳濃度和氧氣濃度、煙氣濕度、煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流量、分析小屋的溫度、CEMS故障狀態(tài)信號(hào)、分析儀故障狀態(tài)信號(hào)、分析儀表標(biāo)定狀態(tài)信號(hào)、分析儀表反吹狀態(tài)信號(hào)、分析儀表超量程信號(hào)，使操作工在控制室內(nèi)能全面了解加熱爐和CEMS的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 系統(tǒng)工作流程

芳烴聯(lián)合裝置加熱爐新增煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在加熱爐煙囪排放處新增4個(gè)孔，第一個(gè)孔作為CEMS數(shù)據(jù)人工比對(duì)孔，由環(huán)保人員定期在此人工取樣孔采樣，對(duì)煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證CEMS是否運(yùn)行正常；第二個(gè)孔作為雙組分氧化鋯儀表的安裝位置，該表在CEMS之外對(duì)煙氣中的一氧化碳、氧氣進(jìn)行測量，同時(shí)還起到對(duì)CEMS中氧含量的數(shù)據(jù)比對(duì)的作用；第三個(gè)孔是為了安裝CEMS的溫壓流一體機(jī)而開的，通過溫壓流一體機(jī)對(duì)煙氣的溫度、壓力、流量進(jìn)行測量，然后將數(shù)據(jù)傳遞給CEMS的分析小屋內(nèi)的工控機(jī)；第四個(gè)孔上安裝了CEMS的取樣探頭，通過取樣管線將煙氣輸送到分析小屋的預(yù)處理部分，同時(shí)取樣管線外層包裹了一體化伴熱電伴熱管線，對(duì)取樣管線伴熱。進(jìn)入分析小屋內(nèi)的煙氣首先經(jīng)過取樣泵加壓送至濕度儀內(nèi)對(duì)煙氣的濕度進(jìn)行測量，接著送至冷凝器中進(jìn)行冷凝除水后，干燥的煙氣接著被送至ABB公司的EL3020分析儀進(jìn)行二氧化硫、一氧化氮、氧氣的測量，所有測量數(shù)據(jù)傳輸給碩華的工控機(jī)。最終所有CEMS數(shù)據(jù)再通過碩華的工控機(jī)用儀表電纜采用硬接線的方式傳遞給控制室的DCS，操作工在控制室內(nèi)即可實(shí)時(shí)了解加熱爐煙氣排放情況，進(jìn)而及時(shí)對(duì)加熱爐運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整。

3 系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

3.1 CEMS選用

第一，為了CEMS能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)和順利通過環(huán)保局的CEMS驗(yàn)收，固定污染源煙氣在線儀表的選擇必須遵循性能優(yōu)越、業(yè)績突出、價(jià)格合理、服務(wù)到位、測量實(shí)時(shí)、設(shè)計(jì)合理、抗干擾等原則，可以滿足石化工業(yè)生產(chǎn)和特殊工藝的要求，所選設(shè)備（包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備）必須取得國家計(jì)量器具制造許可證、進(jìn)口儀器國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門的計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書、國家環(huán)境保護(hù)部環(huán)境監(jiān)測儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的產(chǎn)品適用性檢測合格報(bào)告和國家環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品認(rèn)證證書，儀器的名稱、型號(hào)必須與上述證書相符合，且在有效期內(nèi)，產(chǎn)品必須滿足國家有關(guān)安全、環(huán)保等強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。

第二，使用的測量方法和測量結(jié)果的準(zhǔn)確度符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，便于環(huán)保部門的驗(yàn)收。

第三，系統(tǒng)應(yīng)具備在線自動(dòng)或者手動(dòng)校準(zhǔn)功能。

第四，具有開放的平臺(tái)，能夠隨環(huán)保法規(guī)的改變而不斷完善，并具備局域網(wǎng)或廣域聯(lián)網(wǎng)接入功能。

3.2 煙氣CEMS開孔位置的選擇

煙氣CEMS開孔應(yīng)優(yōu)先選擇在垂直管段和煙道負(fù)壓區(qū)域，確保所采集樣品的代表性，測定位置應(yīng)避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。對(duì)于顆粒物CEMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于4倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向不小于2倍煙道直徑處；對(duì)于氣態(tài)污染物CEMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于2倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向不小于0.5倍煙道直徑處。對(duì)矩形煙道，其當(dāng)量直徑D＝2A×B／（A＋B），式中 A和B為邊長。當(dāng)安裝位置不能滿足上述要求時(shí)，應(yīng)盡可能選擇在氣流穩(wěn)定的斷面，并采取措施保證采樣斷面煙氣和顆粒物分布相對(duì)均勻，監(jiān)測斷面無紊流，且安裝位置前直管段的長度必須大于安裝位置后直管段的長度。最終開孔位置必須經(jīng)過環(huán)保部門簽字認(rèn)可之后才能施工。

3.3 參比方法采樣孔位置和數(shù)目的選擇

在煙氣CEMS監(jiān)測斷面下游應(yīng)預(yù)留參比方法采樣孔，采樣孔內(nèi)徑不小于80 mm（裝法蘭）。當(dāng)煙道為正壓煙道或有毒氣時(shí)，應(yīng)采用帶閘板閥的密封采樣孔。采樣孔位置和數(shù)目按照GB／T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》中4.2.4的要求確定，以供參比方法測試使用。在互不影響測量的前提下，應(yīng)盡可能靠近。

3.4 取樣管線和電伴熱管線安裝

取樣管線盡量從煙囪取樣口豎直鋪設(shè)到分析小屋，盡量避免取樣管線彎折，同時(shí)取樣管線水平方向鋪設(shè)時(shí)應(yīng)該水平傾斜向下（略有傾斜角度）鋪設(shè)。整個(gè)取樣管線從煙囪到分析小屋的豎直距離盡量不要超過70 m，否則就比較難以通過驗(yàn)收。電伴熱管線的長度單根控制在60 m以內(nèi)，如果整個(gè)電伴熱管線長度超過60 m，為了保證取樣管線的伴熱效果，建議采用兩段電伴熱管線伴熱，保證取樣管線的伴熱效果。

3.5 CEMS數(shù)據(jù)缺失時(shí)的處理

當(dāng)任一參數(shù)的煙氣CEMS數(shù)據(jù)缺失在24 h以內(nèi)（含24 h），缺失數(shù)據(jù)按該參數(shù)缺失前1 h的有效小時(shí)均值和恢復(fù)后1 h的有效小時(shí)均值的算術(shù)平均值進(jìn)行補(bǔ)遺。

當(dāng)顆粒物、氣態(tài)污染物CEMS數(shù)據(jù)缺失超過24 h時(shí)，缺失的小時(shí)排放量按該參數(shù)缺失前720個(gè)有效小時(shí)均值中最大的排放量進(jìn)行補(bǔ)遺。

當(dāng)除顆粒物、氣態(tài)污染物以外的其他參數(shù)的煙氣CEMS數(shù)據(jù)缺失超過24 h，缺失數(shù)據(jù)按該參數(shù)缺失前720個(gè)有效小時(shí)均值的算術(shù)平均值進(jìn)行補(bǔ)遺。

4 結(jié)語

通過為芳烴聯(lián)合裝置的所有加熱爐新增煙氣排放連續(xù)監(jiān)測CEMS，可以讓操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控到煙氣中一氧化氮、二氧化硫、氧氣的含量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)以上數(shù)據(jù)有上升趨勢時(shí)，及時(shí)調(diào)整加熱爐燃料氣的進(jìn)料量或者空氣進(jìn)料量，在降低裝置能耗和物耗的同時(shí)可以減少裝置揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放。芳烴聯(lián)合裝置在新增煙氣排放連續(xù)監(jiān)測CEMS后，氮氧化物的排放指標(biāo)可以達(dá)到40 mg／m3，二氧化硫的排放指標(biāo)可以達(dá)到10 mg／m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氮氧化物不超過100 mg／m3、二氧化硫不超過 50 mg／m3的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 王森，符青靈.儀表工試題集－在線分析儀表分冊(cè)［M］.北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2006：164－165