煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在鍋爐中的應(yīng)用

吳濤

(福陸(中國)工程建設(shè)有限公司，上海 201103)

隨著國內(nèi)外對環(huán)境保護(hù)的日益重視，煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)CEMS(continuous emission monitoring system)越來越多地用于實(shí)時(shí)跟蹤測量固定污染源如鍋爐、工業(yè)爐窯、焚燒爐等排放的煙氣，并上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)到當(dāng)?shù)丨h(huán)境管理部門。

1 CEMS簡述

CEMS由顆粒物監(jiān)測單元、氣態(tài)污染物監(jiān)測單元、煙氣參數(shù)監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元四個(gè)部分組成，如圖1所示。其中，氣態(tài)污染物監(jiān)測單元以直接抽取采樣法為例，數(shù)據(jù)采集與處理單元的遠(yuǎn)程輸出接口上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)到環(huán)境管理部門。

圖1 CEMS系統(tǒng)組成示意

1.1 顆粒物監(jiān)測單元

光學(xué)透射法和光學(xué)散射法是兩種常用的顆粒物濃度測量方法。顆粒物濃度測量孔位置應(yīng)優(yōu)先選擇在垂直管段，測量光束應(yīng)通過煙道中心，煙氣中沒有水滴或水霧。對于水平煙道，要考慮顆粒物重力沉降因素對測量結(jié)果的影響。

1.2 氣態(tài)污染物監(jiān)測單元

1.2.1氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)的類型

在氣態(tài)污染物測量中，由于固定污染源排放的煙氣具有含塵、高溫、高濕、腐蝕、不穩(wěn)定等特性，給取樣及樣氣傳輸帶來了一定的困難。一旦煙氣離開煙道，如果不采取合適的技術(shù)措施，隨著煙氣溫度從煙道內(nèi)的130～300 ℃降至100 ℃以下，水分逐漸冷凝，與煙氣中顆粒物結(jié)合成糊狀物，將會堵塞采樣管線，嚴(yán)重影響測量結(jié)果。為了解決該測量難點(diǎn)，目前國際上有三種檢測方法： 直接測量法、稀釋抽取采樣法、直接抽取采樣法。

1)直接測量法是將分析儀直接安裝在煙道上，測量煙氣中的污染物。這種方式結(jié)構(gòu)比較簡單，沒有采樣管線，也不需要采樣處理裝置。分析儀測量的是未去除水分的濕基樣氣中的污染物濃度，但是該方法受到煙氣溫度的限制，使用維護(hù)不方便，而且由于煙氣中水分干擾，會影響測量精度。因此，實(shí)際應(yīng)用中直接測量法使用的不多。

2)稀釋抽取采樣法是用干燥、清潔的儀表空氣作為動(dòng)力源和稀釋氣，通過噴射泵抽取煙氣樣氣并且混入稀釋氣，將混合氣送到分析儀進(jìn)行測量，最后將分析結(jié)果乘以稀釋倍數(shù)，從而折算回未稀釋的濃度。分析儀測得的是濕基樣氣中的污染物濃度。

由于煙氣樣氣稀釋后降低了露點(diǎn)溫度，所以常溫下采樣管線無需伴熱處理，就能夠防止樣氣在傳輸和檢測過程中出現(xiàn)水汽結(jié)露和堵管現(xiàn)象。但是，在環(huán)境溫度低于零的場合，例如中國的北方地區(qū)，冬季仍需要做伴熱處理。

3)直接抽取采樣法是用隔膜泵直接抽取煙氣樣氣，通過伴熱管線送至冷卻器，樣氣經(jīng)冷凝除濕后再送入分析儀進(jìn)行測量。分析儀測得的是去除水分的干基樣氣中的污染物濃度。伴熱管線的溫度控制在140 ℃左右，保持在樣氣露點(diǎn)溫度以上，以避免結(jié)露。

具體使用哪種檢測方法需要考慮CEMS使用地的法律法規(guī)和使用習(xí)慣，例如美國主要采用稀釋抽取采樣法，而直接抽取采樣法則廣泛應(yīng)用于日本。在國內(nèi)，HJ76-2017《固定污染源煙氣(SO2，NOx，顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》中明確規(guī)定污染物物質(zhì)的量濃度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干煙氣濃度，所以國內(nèi)CEMS絕大多數(shù)采用直接抽取采樣法；如果采用直接測量法或稀釋抽取采樣法，必須要有濕度測量儀修正水分，其修正值也存在一定誤差，而且該方法也增加了維護(hù)工作量。

1.2.2分析儀器

直接抽取采樣法經(jīng)常使用多組分紅外氣體分析儀，稀釋抽取采樣法大多采用紫外熒光法SO2分析儀和化學(xué)發(fā)光法NOx分析儀。

筆者參與的異壬醇裝置(INA)位于馬來西亞，經(jīng)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境管理部門和最終用戶確認(rèn)，用于鍋爐排放煙氣的CEMS選擇直接抽取采樣法測量干煙氣濃度，使用的是紅外氣體分析儀。

紅外線被吸收的數(shù)量與吸收介質(zhì)的濃度有關(guān)，它的測量原理符合郎伯-比爾吸收定律，如式(1)所示：

I=I0e-kcL

(1)

式中：I，I0——吸收后和吸收前的光強(qiáng)度；k——被測組分的吸收系數(shù)；c——被測組分的物質(zhì)的量濃度；L——光線通過被測組分的距離(氣室長度)。

當(dāng)被測組分濃度很低或L很小時(shí)，式(1)可以簡化為

I=I0(1-kcL)

(2)

為了保證式(2)中I與c的線性關(guān)系，當(dāng)被測組分濃度高時(shí)，選用較短的測量氣室；當(dāng)濃度低時(shí)，則選用長測量氣室。

1.3 煙氣參數(shù)監(jiān)測單元

需監(jiān)測的煙氣參數(shù)包括溫度、壓力、流速、濕度、含氧量等。通過這些參數(shù)和測得的顆粒物濃度、氣態(tài)污染物濃度，可以計(jì)算煙氣中污染物排放速率和排放量。

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理單元

該單元自動(dòng)采集并處理數(shù)據(jù)，顯示和記錄各種參數(shù)，形成相關(guān)圖表，通過數(shù)據(jù)、圖文等方式傳輸至管理部門。

2 應(yīng)用及注意問題

由于固定污染源排放的污染物不同，各國法律、法規(guī)以及環(huán)境管理部門的要求不盡一致，不同項(xiàng)目CEMS需要測量的參數(shù)有所不同。

用于該裝置鍋爐煙氣排放的CEMS要求測量的參數(shù)是氣體污染物NOx和CO濃度、含氧量、流量、溫度、壓力。其中，流量測量采用阿牛巴流量計(jì)，溫度測量采用一體化熱電阻/溫度變送器，壓力測量采用壓力變送器。氣態(tài)污染物采用直接抽取采樣法測量，使用多組分氣體分析儀。流量、溫度、壓力測量點(diǎn)和分析儀取樣口都在煙囪中部，有操作平臺；樣品預(yù)處理系統(tǒng)和分析儀盤柜布置在地面煙囪旁半開放式的三邊房內(nèi)。

下面重點(diǎn)介紹氣態(tài)污染物的測量。

2.1 采樣探頭

采樣探頭模塊如圖2所示。取樣管插入煙囪中心，這樣取樣更有代表性。采樣探頭內(nèi)有陶瓷過濾器，過濾掉3 μm以上的粉塵顆粒；還配有電加熱器，恒溫調(diào)節(jié)器控制溫度在180 ℃左右，高于煙氣的露點(diǎn)溫度，防止冷凝液與煙塵結(jié)合堵塞過濾器，同時(shí)避免酸性可溶性氣體溶于冷凝液腐蝕系統(tǒng)組件，保證樣氣的代表性。此外，采樣探頭設(shè)置了自動(dòng)反吹裝置，由內(nèi)部的小型PLC控制儀表空氣定期吹掃，防止煙塵積聚堵塞探頭，吹掃周期可以在小型PLC上設(shè)定。

圖2 采樣探頭模塊示意

按照用戶要求，CEMS自動(dòng)驗(yàn)證時(shí)量程氣應(yīng)從采樣探頭處接入，故設(shè)有量程氣入口，由316不銹鋼Tube管接到地面分析儀盤柜旁的氣體鋼瓶。

煙氣樣氣由電伴熱采樣管線送至樣品預(yù)處理系統(tǒng)，伴熱溫度設(shè)定在140 ℃左右。采樣管材質(zhì)是可溶性聚四氟乙烯(PFA)，避免酸性氣體可能造成的腐蝕。

2.2 樣品預(yù)處理系統(tǒng)

樣品預(yù)處理系統(tǒng)的作用是對采樣的煙氣樣氣進(jìn)行冷凝、除水、除塵、整流等處理，以便為分析儀的正常使用提供合格的樣氣。樣品預(yù)處理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 樣品預(yù)處理系統(tǒng)示意

煙氣樣氣首先通過氣水分離器再進(jìn)入一級冷卻器，快速將氣樣冷卻至4 ℃，快速冷卻的目的是防止樣氣失真。氣水分離器氣體出口在垂直方向應(yīng)低于樣品預(yù)處理系統(tǒng)樣氣入口。煙氣通常為微負(fù)壓，經(jīng)隔膜泵后樣氣壓力增加，露點(diǎn)溫度相應(yīng)升高，所以泵后設(shè)有二級冷卻器，保證后續(xù)樣氣沒有水分析出。冷卻器冷凝出的水分經(jīng)排液蠕動(dòng)泵排出。

由于紅外分析儀不能測量NO2含量，所以設(shè)置了1套NO2/NO轉(zhuǎn)化器，分析儀測量的是NO濃度。樣氣最后經(jīng)精細(xì)過濾器進(jìn)一步除塵后，送至多組分氣體分析儀。

當(dāng)樣品預(yù)處理系統(tǒng)中的濕度測量儀檢測到冷凝液時(shí)，將聯(lián)鎖關(guān)閉隔膜泵停止采樣，以免樣氣中夾帶的液滴損害分析儀的檢測器；轉(zhuǎn)子流量計(jì)(帶針閥)用于調(diào)節(jié)流量；樣氣流量低時(shí)，流量開關(guān)信號送到DCS報(bào)警。

2.3 氣體分析儀

經(jīng)過處理的樣氣送至多組分氣體分析儀，通過非分散紅外分析模塊測量NOx和CO濃度，電化學(xué)式氧分析模塊測量O2濃度。

通過樣品預(yù)處理系統(tǒng)中5個(gè)“二位三通”電磁閥的不同流路組合可以實(shí)現(xiàn)分析儀的采樣/標(biāo)定選擇、零點(diǎn)標(biāo)定、量程標(biāo)定和自動(dòng)驗(yàn)證功能。DCS可以遠(yuǎn)程遙控分析儀的自動(dòng)標(biāo)定和自動(dòng)驗(yàn)證。

測量后的樣氣和標(biāo)定后殘余的零點(diǎn)氣、量程氣高點(diǎn)放空或者排入工廠常壓放空總管。

2.4 需要注意的問題

1)由于國內(nèi)外各地對CEMS的具體要求不盡一致，設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必與項(xiàng)目所在地環(huán)境管理部門和最終用戶充分溝通，準(zhǔn)確理解相關(guān)規(guī)范和客戶需求。馬來西亞環(huán)境管理部門要求CEMS系統(tǒng)應(yīng)有自動(dòng)驗(yàn)證功能，最終用戶要求CEMS要有TüV或者M(jìn)CERT證書，要求測量煙氣中的含氧量，分析儀量程是測量組分濃度的2.5倍，工廠DCS可以遙控CEMS實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定和自動(dòng)驗(yàn)證，自動(dòng)驗(yàn)證時(shí)量程氣應(yīng)從采樣探頭處接入，盡量靠近取樣點(diǎn)，要求供應(yīng)商提供首次相對精度測試審核，RATA是證明CEMS滿足環(huán)境管理部門要求的驗(yàn)收試驗(yàn)。

2)盡量縮短取樣點(diǎn)到分析儀的距離，以減少煙氣樣氣傳輸?shù)臏髸r(shí)間。當(dāng)滯后時(shí)間大于60 s時(shí)，可以考慮在隔膜泵后增加快速回路。

3)煙囪中部的操作平臺應(yīng)有足夠的空間，以利于溫度、壓力、流量變送器和采樣探頭模塊的安裝和日常維護(hù)。

3 結(jié)束語

在當(dāng)前國內(nèi)冬季霧霾還比較嚴(yán)重的情況下，CEMS能否得到普遍推廣，能否連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測固定污染源煙氣排放，對于大氣污染治理、保護(hù)大氣環(huán)境具有十分重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)該根據(jù)煙氣組分和應(yīng)用場合具體分析，采用合適的樣品預(yù)處理系統(tǒng)，選擇合適的分析儀，保證CEMS實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量。