CEMS 系統(tǒng)在鍋爐煙氣超潔凈系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝 佳

（中國(guó)石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇南京 210048）

鍋爐燃燒中產(chǎn)生的煙氣除煙塵外，還含有SO2、NOx等污染物質(zhì)，排入空氣會(huì)造成污染，危害十分嚴(yán)重。2018 年國(guó)家環(huán)境環(huán)保部發(fā)布了HJ 75—2017《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和HJ 76—2017《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》，詳細(xì)規(guī)定了煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要指標(biāo)、檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方法等[1-2]。根據(jù)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局制定了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》，提出了燃煤機(jī)組“超低排放”要求和時(shí)間表，要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組同步建設(shè)先進(jìn)高效脫硫、脫硝和除塵設(shè)施，不得設(shè)置煙氣旁通通道；新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值（即煙塵、SO2、NOx排放質(zhì)量濃度分別不高于5，35，50 mg/m3）。因此，對(duì)鍋爐煙氣排放進(jìn)行連續(xù)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System，縮寫(xiě)CEMS）對(duì)大氣污染源排放的煙塵、氣態(tài)污染物排放濃度可進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并將信息實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)。CEMS 由顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、煙氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等構(gòu)成。

1 CEMS 在站區(qū)鍋爐煙氣排放脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用

站區(qū)現(xiàn)有3 臺(tái)220 t/h 高壓燃煤鍋爐和2 臺(tái)25 MW 抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)，通過(guò)SCR 脫硝再配有3 臺(tái)布袋除塵器，煙氣由3 路煙道進(jìn)入脫硫塔采用加氨的脫硫方式進(jìn)行處理。3 臺(tái)鍋爐公用2 個(gè)煙囪（1 開(kāi)1 備），煙氣正常溫度120 ℃，最高時(shí)達(dá)135 ℃，煙氣壓力-1 500 kPa，在1 套煙氣脫硫系統(tǒng)中設(shè)置了2 套CEMS。

CEMS 系統(tǒng)配置見(jiàn)圖1。

圖1 CEMS系統(tǒng)配置

1.1 顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)中采用加熱抽取法+光學(xué)法，儀表主要由樣氣采樣器、樣氣稀釋裝置、煙塵測(cè)量單元、控制單元和反吹單元等組成。采用稀釋加熱抽取煙氣方式，取樣系統(tǒng)從煙道中連續(xù)等速抽取煙氣，抽取的煙氣經(jīng)加熱進(jìn)入高溫加熱測(cè)量池，通過(guò)激光前散射煙塵儀測(cè)量顆粒物濃度，消除濕氣對(duì)顆粒物測(cè)量的干擾，提高測(cè)量顆粒物濃度的準(zhǔn)確度。

1.2 煙氣流量和溫度測(cè)量系統(tǒng)

煙氣流速采用皮托管測(cè)量，主要是正負(fù)壓室所產(chǎn)生的差壓原理進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。根據(jù)能量守衡定律得知，流體在流動(dòng)中的能量包括位能、動(dòng)能和靜壓能。對(duì)于氣體流動(dòng)，位能的變化通常忽略不計(jì)，動(dòng)能和靜壓能在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。煙氣流速皮托管中2 個(gè)采樣探頭分別代表煙氣的總能量和靜壓能，兩者的差值為動(dòng)壓能，動(dòng)壓能與煙氣流速的平方成正比，所以皮托管是通過(guò)測(cè)量壓差測(cè)得流體速度的。現(xiàn)階段固定污染源煙氣 CEMS 安裝在煙道的位置很難有流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，流速在煙道中分布不均勻，當(dāng)煙道中流速小于10 m/s 時(shí)（尤其是流速小于5 m/s 時(shí)），煙氣流速測(cè)量會(huì)相當(dāng)困難。流速/壓力/溫度系列煙氣參數(shù)監(jiān)測(cè)儀采用皮托管差壓法測(cè)量煙氣流速，并且對(duì)煙道中的壓力、溫度直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使得測(cè)量精度和準(zhǔn)確度更有保障,特別適合于在線實(shí)時(shí)測(cè)量煙氣參數(shù)。煙氣流速的測(cè)量是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況進(jìn)行的，采用參照比較法進(jìn)行確定，并通過(guò)通訊接口調(diào)整流速系數(shù)減少測(cè)量過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差，可以確定輸出的測(cè)量參數(shù)為煙氣流速V、煙氣溫度T，煙氣壓力P。在粉塵濃度較高的情況下，可以通過(guò)自動(dòng)反吹系統(tǒng)，來(lái)完成自動(dòng)吹掃程序，反吹的程序是在控制箱內(nèi)增加了反吹模塊，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)置反吹的頻率和時(shí)間。

1.3 氣態(tài)污染物測(cè)量系統(tǒng)

根據(jù)環(huán)保要求及規(guī)定，需要測(cè)量的氣態(tài)污染物有SO2、NOx和O2。該系統(tǒng)采用了直接抽取法檢測(cè)鍋爐煙氣系統(tǒng)中的氣態(tài)污染物。氣態(tài)污染物測(cè)量系統(tǒng)主要由取樣單元和預(yù)處理單元組成。

1） 取樣單元。取樣單元有采樣探桿、采樣探頭、伴熱管線，溫度均保持在180 ℃，可有效防止樣氣在傳輸過(guò)程中SO2損失。

2）預(yù)處理單元。預(yù)處理單元由冷凝加酸系統(tǒng)、NOx轉(zhuǎn)換器、露點(diǎn)儀、氣溶膠過(guò)濾器、隔膜抽氣泵等組成。樣氣經(jīng)前置過(guò)濾器、采樣探頭后，通過(guò)伴熱管線被抽取傳輸?shù)綑C(jī)柜內(nèi)，高溫取樣傳輸可防止溫度降低及SO2丟失；繼續(xù)采用伴熱帶進(jìn)行伴熱，樣氣和磷酸一起進(jìn)入冷凝器內(nèi)，將標(biāo)定口放在磷酸注入口前，以減少標(biāo)準(zhǔn)氣中含有水量對(duì)測(cè)量精度的影響。另在冷凝器后設(shè)有露點(diǎn)儀，當(dāng)露點(diǎn)過(guò)高時(shí)，自動(dòng)切斷抽氣泵和磷酸輸出泵，避免設(shè)備損壞及產(chǎn)生不必要的損失。

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集，把采集到的數(shù)據(jù)分析處理，并計(jì)算出污染物濃度和排放量。數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)還將測(cè)量參數(shù)以通信或硬接線的方式傳送至DCS 系統(tǒng)和數(shù)采儀。同時(shí)對(duì)數(shù)采儀中相關(guān)參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸送至環(huán)保部門(mén)進(jìn)行監(jiān)控。

2 CEMS 測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)

該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)為：

1）系統(tǒng)采用了取樣探桿為高溫探頭+加熱護(hù)套+高溫伴熱管線的方式，采樣與樣氣傳輸高溫加熱的特性有效緩解工藝氨鹽結(jié)晶對(duì)設(shè)備的腐蝕堵塞，系統(tǒng)采樣過(guò)程基本上未改變煙氣流動(dòng)狀態(tài)。該方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，適用氨法脫硫工藝煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)分析檢測(cè)氣體。

2）反吹系統(tǒng)使用采樣螺旋式不銹鋼管有效對(duì)反吹氣源加熱，解決反吹帶來(lái)的探頭降溫形成水汽及內(nèi)部顆粒物結(jié)晶的問(wèn)題。

3）經(jīng)過(guò)處理的樣氣較潔凈，對(duì)分析儀的污染較小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都比較好，便于長(zhǎng)期運(yùn)行，初次投用后后續(xù)維護(hù)成本較低、維護(hù)量小。

4）系統(tǒng)具有氣體預(yù)處理功能，可處理的氣體最大流速達(dá)6 L/min，濕度超過(guò)50%?？删苓^(guò)濾粒徑0.1 μm 的氣體微粒，除去煙氣中所含酸霧或氨氣，完成樣氣凈化、除塵、除濕，將符合分析儀器要求的超低、恒溫、流量穩(wěn)定的樣氣連續(xù)送入分析儀器，確保分析儀器的準(zhǔn)確性和可靠性。

5）智能診斷及報(bào)警有濕度報(bào)警、采樣頭溫度異常報(bào)警、冷凝器溫度異常報(bào)警、加熱溫度異常報(bào)警、供氣系統(tǒng)異常報(bào)警、采樣流量不足報(bào)警、煙氣露點(diǎn)指示及報(bào)警、低流速報(bào)警等。

6）分析機(jī)柜放在專(zhuān)門(mén)的房間內(nèi)，對(duì)粉塵、溫度和濕度可以進(jìn)行控制，保證了分析儀的工作環(huán)境，延長(zhǎng)分析儀使用壽命。

7）系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)分析且響應(yīng)時(shí)間快，利于現(xiàn)場(chǎng)工藝人員的及時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)整。

8）儀器和系統(tǒng)日志功能記錄各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性提供溯源的基礎(chǔ)。

3 CEMS 的測(cè)量方法存在的問(wèn)題與建議措施

CEMS 的測(cè)量方法在應(yīng)用中也存在問(wèn)題，工作過(guò)程中要加以注意：

1）由于采樣探頭直接和煙氣接觸，探頭容易受到煙氣腐蝕，同時(shí)煙氣中水汽和灰塵經(jīng)過(guò)探頭后會(huì)附著在探頭上，使探頭容易堵塞。需要在日常維護(hù)中多注意對(duì)探頭反吹系統(tǒng)周期性吹掃及定期對(duì)前置濾芯更換維護(hù)，避免長(zhǎng)期運(yùn)行中采樣探頭堵塞嚴(yán)重的問(wèn)題。

2）由于分析儀對(duì)樣品氣體的潔凈度要求高，因此該方法必須有一套完整的煙氣加熱、冷卻、除水和除塵系統(tǒng)，在采樣系統(tǒng)與樣品傳輸過(guò)程確保管徑一致性，管路對(duì)接使用卡箍接頭，管路負(fù)壓部分減少不必要的接頭及引用其他設(shè)備，避免系統(tǒng)漏氣影響測(cè)量。

3）由于該系統(tǒng)附屬系統(tǒng)較多，長(zhǎng)期運(yùn)行投資成本較高，樣氣檢測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)傳輸管線、冷凝除濕技術(shù)設(shè)備要求高，長(zhǎng)期使用可通過(guò)儀器自診斷過(guò)程及報(bào)警監(jiān)控，實(shí)時(shí)有效地對(duì)在線系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)器件運(yùn)行狀況及隱患排查必須要人員現(xiàn)場(chǎng)定期巡查，避免其他因素干擾影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

隨著CEMS 監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，人工分析維護(hù)系統(tǒng)存在一定的局限性，提高分析系統(tǒng)自動(dòng)和遠(yuǎn)程標(biāo)氣調(diào)零校核智能功能可有效排除日常性的儀表誤差；取樣探頭及過(guò)濾器可以自動(dòng)反吹掃和遠(yuǎn)程控制反吹掃防止堵塞，長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)疏忽儀表反吹氣壓控制，在實(shí)際應(yīng)用維護(hù)中，可加裝智能反吹氣源氣壓的使用控制；當(dāng)系統(tǒng)受外界強(qiáng)干擾、意外或掉電后又上電等情況發(fā)生使程序中斷時(shí)，提高異常情況自動(dòng)恢復(fù)能力，如實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)并記錄出現(xiàn)故障的時(shí)間和恢復(fù)運(yùn)行的時(shí)間，啟動(dòng)后系統(tǒng)能通過(guò)自動(dòng)標(biāo)校操作確定校準(zhǔn)偏移量等。

4 結(jié)語(yǔ)

CEMS 系統(tǒng)的正常運(yùn)行是保證鍋爐煙氣排放環(huán)保監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)，也與脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)中，按照規(guī)程做好CEMS系統(tǒng)的日常運(yùn)維和定期校準(zhǔn)，才能保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和科學(xué)性。