鍋爐超低排放煙氣在線監(jiān)測技術探討

宋玲玲

(陽煤集團平定化工有限責任公司，山西 平定 045200)

引 言

現階段，我國的工業(yè)發(fā)展迅速，逐步成為社會經濟的中流砥柱，與建筑業(yè)、農業(yè)并列為基礎行業(yè)。隨著工業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴大，煙氣的排放量逐年增長，對周邊的生態(tài)環(huán)境造成較為嚴重的影響，如土地污染、水質污染以及空氣污染等。

隨著工業(yè)發(fā)展規(guī)模的迅速擴張，煙氣排放量逐年增長，空氣環(huán)境污染問題嚴重，引起社會各界的廣泛重視。近些年來，政府陸續(xù)出臺了以《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》為首的一系列相關文件，以此表現對火電廠實施超低排放改造的大力支持與推廣，并已經在我國東部地區(qū)試行。

經過試點后，創(chuàng)新發(fā)展期間全國范圍內將實施火電廠超低排放改造。改造后的火電廠將執(zhí)行煙塵10 mg/m3、二氧化硫35 mg/m3、氮氧化物50 mg/m3的煙氣排放限值標準。經過改造后的火電廠在生產過程中，煙氣污染物的濃度大幅降低，增大了排除煙氣中的水分含量，煙氣特性也隨之發(fā)生了很大變化?；诰G色發(fā)展理念，當前對火電廠污染物排放在線監(jiān)測的精確性提出了較高的性能要求。由此可見，超低排放試點電廠煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)勢在必行，且必須明確其性能特點[1]。

1 火電廠煙氣在線監(jiān)測技術發(fā)展現狀

1.1 非分散紅外/紫外吸收法SO2和NOx監(jiān)測技術

非分散紅外吸收法監(jiān)測技術是我國開展“十一五”及“十二五”期間最常見的在線監(jiān)測手段，尤其是在脫硫及脫硝等方面，其中含有部分紫外吸收技術。非分散紅外吸收法監(jiān)測技術以朗伯-比爾吸收定律的光譜吸收技術為基礎，當光通過待測氣體時，氣體分子會吸收特定波長的光，可通過測定光被介質吸收的輻射強度計算出氣體濃度(I=I0e-KCL)。

1.2 紫外熒光法SO2監(jiān)測技術

紫外熒光法的技術基礎是分子發(fā)光技術，在部分情況下，SO2氣體分子吸收波長基本保持在190 nm～230 nm,紫外線能量呈激發(fā)態(tài)分子，激發(fā)態(tài)下的SO2分子并不穩(wěn)定，受到任意刺激的情況可瞬間返回基態(tài)，正常激態(tài)下的SO2分子可發(fā)射波長為330 nm的特征熒光。當SO2分子的濃度較低時，所產生的特征熒光強度與SO2分子濃度呈線性關系。

1.3 化學發(fā)光法NOX監(jiān)測技術

NOX監(jiān)測技術的基礎就是化學發(fā)光法，它是通過特殊條件實現NO與過量O3的化學反應，促使兩者合成激發(fā)態(tài)的NO2。前文提到，激發(fā)態(tài)下的SO2分子較易受到外界刺激，從而返回基態(tài)，NO2分子與SO2同理。當激發(fā)態(tài)的NO2分子瞬間返回基態(tài)的情況下，會制造波長900 nm的近紅外熒光。當煙氣濃度較低時，NO與O3的化合反應能夠保持光強度與NO濃度的數據平衡，從而達到線性關系，有助于計算氣體NO的濃度。通常情況下，我們會采用NO+O3→NO2+O2以及NO2→NO2+hγ計算NO的濃度。

1.4 煙塵監(jiān)測技術

隨著煙塵監(jiān)測技術不斷的更新換代，煙塵監(jiān)測技術也分為多種形式，主要包括光透射法煙塵監(jiān)測技術、光散射法煙塵監(jiān)測技術、電荷法煙塵監(jiān)測技術以及β射線吸收法煙塵監(jiān)測技術等。

光透射法煙塵監(jiān)測技術。同非分散紅外吸收法監(jiān)測技術一樣，光透射法煙塵監(jiān)測技術也是將朗伯-比爾的吸收定律作為基礎理論。光通過含塵煙氣的過程時，其透過率與煙塵濃度逐漸形成下降關系，兩者相應數據顯示隨之降低。在實際應用該定律的過程中，研發(fā)出單光程與雙光程兩種儀器，為透過率與煙塵濃度關系研究提供了設備保障。

如果采用光透射法驗證透過率與煙塵濃度的關系，相關工作人員應當時刻注意顆粒物粒徑分布狀態(tài)，否則將無法保證光透射法結果的準確性。由于顆粒物粒徑分布狀態(tài)對光透射法的影響較大，導致光透射法的靈敏度不高。基于此，光透射法僅適用于煙塵濃度高、煙道直徑大且煙氣濕度低等狀況。

光散射法煙塵檢測技術從原理上講，當光線照射在煙塵上時會被煙塵吸收與散射處理，散射光的入光路徑將結合煙塵濃度而發(fā)生改變，散射光的強度與煙塵粒徑和入射光波長具有較大的關聯性。從本質上講，光散射法就是通過測量散射光的強度來監(jiān)測煙塵濃度，在光散射法的實際運用過程中，將光的散射逐漸分化成前向散射、后向散射以及邊向散射三種類型。

由于光散射技術的靈敏度遠超非分散紅外吸收法監(jiān)測技術以及光透射法煙塵監(jiān)測技術，因此該項技術的測量質量濃度范圍從0.1 mg/m3分布至5 mg/m3，適用范圍較廣，所有煙塵濃度低、煙道直徑小等情況均可使用光散射技術。雖然該技術的計算精度及靈敏度高于其他兩種在線監(jiān)測技術，且適用范圍相對較廣，但是同樣受到水汽的影響，不適合煙氣濕度高的情況。

1.5 煙氣預處理技術

現階段，國內多數的CEMS系統(tǒng)以非分散紅外/紫外吸收法技術作為基礎，通過直抽法進行煙塵取樣，其真實目的主要是為了防止系統(tǒng)堵塞和水汽對測量的干擾，基于此，在計算相應數值之前，需要執(zhí)行煙氣預處理，具體就是對煙氣進行除塵與干燥處理。預處理裝置的處理效果將直接影響CMES系統(tǒng)的整體性能，通常以處理后的煙氣露點作為主要參考數值，以此判斷預處理的性能。

在實際開展煙氣預處理工作的過程中，最常見的預處理方式就是“過濾+冷凝”。在多種預處理手段中，煙氣過濾除塵技術相對成熟，且預后工作完善，實施該項技術的過程中較為常用的零部件包括金屬濾芯、陶瓷燒結濾芯以及膜式過濾器等。通常情況下，采樣探頭處應進行初步過濾，煙氣樣本在進入分析儀之前應當進行深度過濾，且深度過濾后煙氣的顆粒物的粒徑必須達到0.5 μg～1 μg[2]。

2 幾種煙氣在線監(jiān)測技術的性能比較

截止目前，國內最常見的煙氣在線監(jiān)測技術為非分散紅外吸收法、非分散紫外吸收差分法以及化學發(fā)光法三種類型。結合實際效果分析，非分散紅外吸收法的最小量程為0 mg/m3～308 mg/m3，非分散紫外吸收法的最小量程為0 mg/m3～100 mg/m3，而化學發(fā)光法的最小量程為0 mg/m3～0.1 mg/m3。從實際的檢出下限來看，非分散紅外吸收法的檢出下限為≤1.5 mg/m3，非分散紫外吸收法的檢出下限為≤1.05 mg/m3，而化學發(fā)光法的檢出下限為0.33×10-3。

非分散紅外吸收法適用于高煙塵、低濕度、高濃度的場所，非分散紫外差分法則適用于高煙塵、低濕度以及中濃度的情況，而化學發(fā)光法則適用于中低煙塵、高濕度以及低濃度的實驗場所。結合以上數據分析，傳統(tǒng)的非分散紅外吸收法分析儀中，SO2分子以及NOx分子的最小量程分別為286 mg/m3和308 mg/m3，無法滿足當前社會對火電廠超低排放污染物的在線監(jiān)測需求[3]。另一方面，紫外熒光法與化學發(fā)光法中，對SO2分子以及NOx分子的最小量程的檢出下限極低，自身具備靈敏度高、選擇型號、試樣量少以及操作簡單等優(yōu)勢，廣泛分布于生物學、醫(yī)藥學以及環(huán)境科學等多個領域。

3 結語

綜上所述，國內工業(yè)領域實施超低排放改造措施勢在必行，且在實施改造后，進出口的煙氣特性差異相對較大。在環(huán)境污染問題及綠色發(fā)展理念的影響下，煙氣監(jiān)測對CEMS系統(tǒng)的配置提出了更高更具體的技術要求。