燃煤鍋爐超低排放CEMS 設(shè)備選型分析

白佩榮，鐘建清，石天琪，劉進(jìn)海

（陜西榆林能源集團(tuán)楊伙盤煤電有限公司，陜西榆林 719316）

1 背景及概念

為了加快推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，進(jìn)一步提升煤電高效清潔發(fā)展水平，2014 年國(guó)家發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》，明確要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組應(yīng)同步建設(shè)先進(jìn)高效脫硫、脫硝和除塵設(shè)施，不得設(shè)置煙氣旁路通道。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（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3）。要樹立綠水青山就是金山銀山的理念，火力發(fā)電作為重污染行業(yè)，務(wù)必要貫徹落實(shí)國(guó)家政策和方針，提高環(huán)保意識(shí)和生態(tài)意識(shí)，著力打造新型現(xiàn)代化環(huán)保型發(fā)電企業(yè)。

CEMS 是英文Continuous Emission Monitoring System 的縮寫,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(cè)并將信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)江h(huán)保部門的裝置,稱為煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。CEMS 系統(tǒng)由氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、煙氣參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理與通信系統(tǒng)組成。

2 CEMS 儀表采樣方式

CEMS 采樣方式通常分為抽取式和原位式（又稱直接測(cè)量法），抽取式又分為直接抽取式（又稱完全抽取式）和稀釋抽取式（又稱稀釋抽取法），而直接抽取式又可分為冷干法直接抽取式和熱濕法直接抽取式。

2.1 直接抽取式

直接抽取式是指直接從煙道中抽取煙氣、過濾掉顆粒物，將煙氣送入分析儀器的系統(tǒng)。其又分為冷干法與熱濕法兩大類。

2.1.1 冷干法

樣氣采集后經(jīng)過除塵、除濕冷凝處理，進(jìn)入分析儀器進(jìn)行分析。該方式主要存在問題在于取樣管路需要加熱，管路越長(zhǎng)，系統(tǒng)冷凝水問題越突出，同時(shí)樣氣濃度也會(huì)受到一定影響，此外還存在探頭堵塞、取樣管路泄漏、管路吸附等問題。

2.1.2 熱濕法

采用加熱采樣探頭將煙氣從煙道中抽取出來(lái)，過濾后經(jīng)伴熱傳輸，使煙氣在傳輸中不發(fā)生冷凝，然后進(jìn)入分析儀進(jìn)行分析檢測(cè)。該方式優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量過程中氣體不降溫，氣體成分不變，腐蝕減少，但必須保持探頭到分析儀全程氣體溫度高于露點(diǎn)，一旦加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)對(duì)取樣系統(tǒng)甚至分析儀造成不可逆的損傷，導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)故障。

2.2 稀釋抽取式

稀釋抽取式系統(tǒng)是在采樣探頭頂部通過一個(gè)音速小孔進(jìn)行采樣，并用干燥的壓縮空氣在探頭內(nèi)部進(jìn)行稀釋，然后將稀釋后的樣品氣體送入測(cè)量腔室進(jìn)行分析測(cè)量。該方式具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，可以分析各類氣體；經(jīng)過對(duì)樣氣處理后，樣氣比較潔凈，對(duì)分析儀的污染比較小，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。抽氣量較少，過濾時(shí)間短。稀釋減少了濕氣含量，使煙氣的露點(diǎn)大幅下降，不需要加熱采樣管。但初次投資較大，后續(xù)維護(hù)成本較低、維護(hù)量較小。紫外熒光法和化學(xué)發(fā)光法一般采用稀釋抽取式。

2.3 直接測(cè)量式

直接測(cè)量按照測(cè)量范圍分為點(diǎn)測(cè)量和線測(cè)量。點(diǎn)測(cè)量為傳感器安裝在探頭端部，探頭直接插入煙道，使用電化學(xué)或者光電傳感器，測(cè)量較小范圍內(nèi)污染物程度。線測(cè)量為傳感器與探頭直接安裝在煙道上，傳感器發(fā)射一束光穿過煙道，利用煙氣的特征吸收光譜進(jìn)行分析測(cè)量，可以采用紫外、紅外、差分光學(xué)吸收光譜、激光燈測(cè)量技術(shù)。

根據(jù)探頭的結(jié)構(gòu)不同，直接測(cè)量式可分為內(nèi)置式和外置式；根據(jù)光線是否兩次穿過被測(cè)煙氣可分為雙光程和單光程；有采用探頭的光譜儀緊湊相連的一體式結(jié)構(gòu)，也有將探頭和光譜儀分開的分體式結(jié)構(gòu)，探頭和光譜儀之間采用光線進(jìn)行光信號(hào)傳輸。無(wú)需預(yù)處理系統(tǒng)，安裝方便，維護(hù)量較小，但消耗品較貴。非分散紅外、紫外吸收法一般采用直抽法。

3 CEMS 測(cè)量?jī)x表選型分析

3.1 SO2、NOx 監(jiān)測(cè)儀表

目前國(guó)內(nèi)使用頻率較高的分析儀表主要有：美國(guó)Thermo Fisher、美國(guó)API、德國(guó)SIEMENS、德國(guó)ABB 以及德國(guó)SICK 等，測(cè)量模塊中美國(guó)系產(chǎn)品一般采用單組分測(cè)量，德國(guó)系產(chǎn)品一般采用多組分測(cè)量。根據(jù)測(cè)量原理來(lái)分，單組分分析儀采用紫外熒光法測(cè)量SO2，化學(xué)發(fā)光法測(cè)量NOx；多組分測(cè)量則一般采用紅外測(cè)量原理。

從表1 可以看出，企業(yè)選用Thermo Fisher、SIEMENS、ABB三種產(chǎn)品的比例較高。此外根據(jù)目前榆林地區(qū)大型火力發(fā)電企業(yè)CEMS 儀表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，幾乎所有企業(yè)脫硫進(jìn)出口SO2、NOx分析儀表均采用Thermo Fisher 公司產(chǎn)品。

表1 某集團(tuán)公司CEMS 儀表使用情況統(tǒng)計(jì)

目前分析儀表主要故障集中在取樣系統(tǒng)故障、零點(diǎn)漂移、分析儀故障、電氣回路故障、制樣系統(tǒng)故障，其中取樣系統(tǒng)故障及零點(diǎn)漂移又是氣體分析儀故障的主要原因。

根據(jù)各廠家儀表取樣方式、測(cè)量原理及運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性來(lái)看，紫外熒光法測(cè)量SO2靈敏度較高，維護(hù)成本較低，更適合低濃度SO2的測(cè)量。化學(xué)發(fā)光法測(cè)量NOx測(cè)量精度較高，選擇性強(qiáng)，受背景氣的干擾相對(duì)小，更適合低濃度NOx的測(cè)量。

3.2 粉塵儀

超低排放工況下的粉塵測(cè)量，目前大型火力發(fā)電廠主要選用德國(guó)SICK、德國(guó)DURAG、德國(guó)Foedisch、美國(guó)Thermo Fisher、英國(guó)PCME、安榮信科技、雪迪龍、深圳彩虹谷等公司產(chǎn)品。

從表2 可以看出，大型火力發(fā)電企業(yè)選用DURAG、SICK、國(guó)產(chǎn)品牌的比例較高。粉塵儀目前故障點(diǎn)主要集中在取樣系統(tǒng)故障、測(cè)量系統(tǒng)故障及煙塵儀裝置故障。

表2 某集團(tuán)公司粉塵儀使用情況統(tǒng)計(jì)

Thermo 3880i 粉塵儀帶有振蕩天平，能定期自動(dòng)校準(zhǔn)，其他品牌均要進(jìn)行手工比對(duì)，但價(jià)格較高，體積龐大，維護(hù)不方便。SICK FWE200 儀表取樣短管安裝要求與煙道管壁有傾斜角度，如達(dá)不到對(duì)儀表測(cè)量準(zhǔn)確度影響較大。取樣系統(tǒng)易堵塞和光學(xué)鏡片易污染，定期維護(hù)工作量大，幾乎是所有品牌都存在的問題。在預(yù)算費(fèi)用允許的情況下，建議選用進(jìn)口公司產(chǎn)品。

3.3 氧量測(cè)量

目前煙氣中含氧量的測(cè)量方法主要有氧化鋯法、電化學(xué)法、順磁法，其中：氧化鋯法一般用于測(cè)量燃燒過程中煙氣的氧濃度含量，不太適合于高濕低溫?zé)煔庵醒趿康臏y(cè)量；電化學(xué)法測(cè)量氧量精度不高，設(shè)備使用壽命較短，目前電廠中使用最為廣泛；順磁氧測(cè)量法選擇性好，精度高，使用壽命較長(zhǎng)，也適合在排放口煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用，但是其價(jià)格大幅度增加。

3.4 流速測(cè)量

目前流速測(cè)量方法主要有：皮托管法、矩陣測(cè)量法、超聲波法。皮托管法已實(shí)現(xiàn)溫、壓、流測(cè)量一體化，設(shè)備及裝置應(yīng)用比較成熟，設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，適合直管段足夠長(zhǎng)，符合“前四后二”要求的機(jī)組。矩陣測(cè)量法因?qū)χ惫芏我筝^低，近幾年在電廠的應(yīng)用比例逐步提升，但一定要設(shè)置防堵塞措施。超聲波法因設(shè)備價(jià)格高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少，存在信號(hào)跳變頻繁，儀表故障率高等問題。目前榆林地區(qū)大型火力發(fā)電廠主要以矩陣測(cè)量法為主。

3.5 濕度測(cè)量

濕度測(cè)量目前幾乎都采用阻容式，設(shè)備一般都采用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，在選型時(shí)選取自帶溫度、壓力補(bǔ)償修正功能，傳感器采用進(jìn)口產(chǎn)品且?guī)в羞^濾和加熱功能的都能滿足測(cè)量要求，維護(hù)成本也較低。

4 量程的選取

SO2、NOx分析儀表的測(cè)試量程應(yīng)設(shè)置雙量程，低量程范圍一般在相應(yīng)污染物排放限值的2.5～3 倍，高量程范圍一般為相應(yīng)污染物排放限值的5～8 倍，確保污染源正常排放時(shí)使用低量程，污染物排放濃度超過低量程上限值時(shí)儀器自動(dòng)切換成高量程。煙塵儀量程應(yīng)按正常運(yùn)行值的2.5～3 倍確定，因此顆粒物組分量程一般應(yīng)選擇不大于15 mg/m3或30 mg/m3，個(gè)別電廠煙塵濃度控制在3 mg/m3及以下，建議量程選取不大于10 mg/m3。同時(shí)要滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的要求。

5 選型建議

為了保證超低排放標(biāo)準(zhǔn)下CEME 儀表測(cè)量精度，SO2測(cè)量建議采用紫外熒光法，NOx測(cè)量建議采用化學(xué)發(fā)光法。濕煙氣顆粒物測(cè)量建議采用加熱抽取式激光前散射原理的測(cè)量?jī)x表。氧量測(cè)量建議優(yōu)先選用電化學(xué)法或順磁氧法。流速測(cè)量建議直管段滿足“前四后二”要求的機(jī)組采用皮托管法，不符合要求的選用矩陣測(cè)量法。濕度建議采用原位安裝的阻容式儀表。