燃煤發(fā)電廠CEMS比對(duì)監(jiān)測(cè)影響因素研究

李 躍，謝 華，易送祥

（1.湖南省郴州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖南 郴州 423000；2.長沙華時(shí)捷環(huán)?？萍加邢薰?，長沙 410000）

2020年，國內(nèi)原煤產(chǎn)量加國外進(jìn)口量為43 億t，其中大部分用于火力發(fā)電。2020年末，全國發(fā)電裝機(jī)容量為220 058 萬kW，其中火電裝機(jī)容量124 517萬kW，占比為56.58%，火電裝機(jī)容量中燃煤發(fā)電占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。燃煤發(fā)電排放的SO、NO、CO等是全社會(huì)排放總量的主要組成部分，目前，以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是引起我國空氣污染的最重要原因，控制燃煤發(fā)電SO、NO等的排放量是我國實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、碳中和、大氣環(huán)境質(zhì)量改善的主要突破口。

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）可連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)排污單位大氣污染物的排放狀況，是環(huán)境主管部門實(shí)行管理與執(zhí)法的一把利劍。燃煤發(fā)電廠CEMS是否有效運(yùn)行以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是環(huán)境主管部門監(jiān)管的重點(diǎn)，其監(jiān)管方式主要是比對(duì)監(jiān)測(cè)。比對(duì)監(jiān)測(cè)是指采用手工監(jiān)測(cè)作為參比（標(biāo)準(zhǔn)）方法，在排污單位正常生產(chǎn)工況下，與CEMS 實(shí)施同步采樣分析，驗(yàn)證CEMS 監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。比對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果既是判定CEMS 是否有效運(yùn)行以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要依據(jù)，也是打擊排污單位自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)弄虛作假違法犯罪的重要手段，因此意義重大。在燃煤發(fā)電廠CEMS比對(duì)監(jiān)測(cè)過程中，除監(jiān)測(cè)儀器故障、性能不佳外，多重因素會(huì)造成雙方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有較大差異，從而出現(xiàn)與實(shí)際不符的比對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)論，使人對(duì)CEMS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性做出錯(cuò)誤評(píng)價(jià)。

1 比對(duì)監(jiān)測(cè)的主要影響因素

1.1 CEMS 數(shù)據(jù)選取不當(dāng)

CEMS 顆粒物監(jiān)測(cè)的方法原理是激光散射法，激光散射裝置直接安裝在煙囪上，可瞬時(shí)發(fā)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。CEMS 的SO與NO監(jiān)測(cè)分析儀器則需要安裝在地面站房內(nèi)，采樣探頭布設(shè)在離地面數(shù)十米高的煙囪內(nèi)部，燃煤發(fā)電廠煙囪高度超過100 m，從采樣探頭到監(jiān)測(cè)分析儀器樣氣輸送管道的長度普遍有幾十米，甚至達(dá)到70 m。SO、NO分析儀器的采樣流量為0.5 L/min，樣氣輸送管線內(nèi)徑為8 mm，以50 m 長輸送管線為例，計(jì)算樣氣從煙囪采樣探頭到SO、NO分析儀器所需要的時(shí)間。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)樣氣輸送管線長度為50 m 時(shí)，樣氣從煙囪采樣探頭到SO、NO分析儀所需時(shí)間為5 min，樣氣進(jìn)入分析儀器到監(jiān)測(cè)值穩(wěn)定還有一段響應(yīng)時(shí)間，時(shí)間大約為2 min，樣氣輸送時(shí)間加上煙氣分析儀響應(yīng)時(shí)間約為7 min。手工監(jiān)測(cè)儀器樣氣傳輸距離約為3 m，且定電位電解法煙氣分析儀的采樣流量為1.0 L/min，從采樣到顯示結(jié)果，整個(gè)流程只需要1 min 左右，對(duì)于同一股煙氣，CEMS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比手工方法滯后約6 min。手工方法測(cè)SO、NO，一個(gè)有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要測(cè)5 ～15 min，在現(xiàn)實(shí)中，手工監(jiān)測(cè)普遍選擇測(cè)5 min。在進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)計(jì)算時(shí)，以手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間段為主，然后選取CEMS 同時(shí)段分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，由于煙氣中SO、NO濃度會(huì)波動(dòng)起伏且CEMS 數(shù)據(jù)滯后，選雙方同時(shí)段數(shù)據(jù)計(jì)算得到的比對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果不能真實(shí)地反映CEMS 運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2 儀器方法原理不同

燃煤發(fā)電廠CEMS比對(duì)監(jiān)測(cè)中，最重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是顆粒物、SO、NO。對(duì)于上述三個(gè)項(xiàng)目，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范并沒有規(guī)定比對(duì)監(jiān)測(cè)需要采用同一方法原理，因此在實(shí)際比對(duì)監(jiān)測(cè)中，兩者的方法原理并不一致。

目前，承擔(dān)比對(duì)監(jiān)測(cè)工作任務(wù)的是市級(jí)和縣級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，手工監(jiān)測(cè)使用的儀器相對(duì)簡易。顆粒物采樣分析使用的是手工稱重法，方法來源于《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996）和《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測(cè)定 重量法》（HJ 836—2017）；SO、NO的監(jiān)測(cè)分析大多數(shù)用的是定電位電解法，方法來源于《固定污染源廢氣 二氧化硫的測(cè)定 定電位電解法》（HJ 57—2017）和《固定污染源廢氣 氮氧化物的測(cè)定 定電位電解法》（HJ 693—2014）。

國內(nèi)燃煤發(fā)電廠CEMS 顆粒物分析方法普遍為激光散射法，方法來源于地方標(biāo)準(zhǔn)，如《固定污染源廢氣 顆粒物的測(cè)定 激光散射法》（DB 23/T 2482—2019）；SO、NO分析方法以非分散紅外吸收法和紫外差分吸收光譜分析法為主，方法來源于《固定污染源廢氣 二氧化硫的測(cè)定 非分散紅外吸收法》（HJ 629—2011）、《氣體分析 二氧化硫和氮氧化物的測(cè)定 紫外差分吸收光譜分析法》（GB/T 37186—2018）、《固定污染源廢氣 氮氧化物的測(cè)定 非分散紅外吸收法》（HJ 692—2014）。由于各種監(jiān)測(cè)方法原理的精密度、準(zhǔn)確度、抗干擾能力有區(qū)別，因此在監(jiān)測(cè)同股煙氣時(shí)，不同方法原理的儀器監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)差異。

1.3 定電位電解法抗干擾能力較差

手工監(jiān)測(cè)中，SO、NO的監(jiān)測(cè)普遍采用定電位電解法，但該方法原理有一定的局限性，主要原因是監(jiān)測(cè)因子間以及燃煤鍋爐廢氣中有其他共存因子對(duì)SO、NO傳感器產(chǎn)生干擾，干擾產(chǎn)生的效應(yīng)會(huì)使SO、NO監(jiān)測(cè)值發(fā)生偏移。

1.3.1 SO

廢氣中的顆粒物易在傳感器滲透膜表面凝結(jié)并造成SO傳感器靈敏度降低，使監(jiān)測(cè)值偏低；NO 會(huì)對(duì)定電位電解法測(cè)SO產(chǎn)生正干擾，使SO監(jiān)測(cè)值升高；CO 對(duì)SO傳感器的干擾最為顯著，主要原因?yàn)镃O、SO分子直徑接近，部分CO 分子會(huì)透過傳感器滲透膜，與SO分子共同進(jìn)入電解槽，加上兩者的電極電位接近，從而產(chǎn)生干擾。在實(shí)驗(yàn)室開展CO 對(duì)SO傳感器的干擾試驗(yàn)，采用嶗應(yīng)3012H 型自動(dòng)煙塵氣測(cè)試儀測(cè)定4 種不同濃度的CO 標(biāo)準(zhǔn)氣體（測(cè)定3次），試驗(yàn)前用一級(jí)SO標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)SO傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)，CO 標(biāo)準(zhǔn)氣體等級(jí)為一級(jí)，組分為CO 和平衡氣N，SO含量為0 mg/m。分別記錄三次試驗(yàn)結(jié)果并取平均值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 CO 干擾試驗(yàn)結(jié)果

通過干擾試驗(yàn)可以得出，CO 對(duì)定電位電解法的SO傳感器產(chǎn)生正干擾，干擾值為CO 標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的3.6%左右。由于嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)限值，燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣經(jīng)凈化處理后，SO濃度較低，普遍小于200 mg/m，而CO 濃度普遍高達(dá)數(shù)千毫克每立方米，用定電位電解法測(cè)煙氣中的SO，會(huì)使監(jiān)測(cè)結(jié)果嚴(yán)重偏高。

1.3.2 NO

燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣中的顆粒物易在NO傳感器滲透膜表面凝結(jié)，影響NO 和NO的測(cè)定；大部分燃煤發(fā)電廠會(huì)使用NH法脫硝，如NH添加量過多，煙氣中的逃逸NH會(huì)對(duì)NO、NO的測(cè)定產(chǎn)生不同程度的干擾；SO氣體對(duì)NO 的測(cè)定產(chǎn)生正干擾，使結(jié)果偏高；NO 和NO之間也會(huì)相互產(chǎn)生正干擾，使彼此監(jiān)測(cè)結(jié)果偏高。

1.4 煙氣含濕量大

燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣經(jīng)多級(jí)處理后一般呈現(xiàn)出高濕的特點(diǎn)，煙氣濕度為12%～15%。煙氣濕度過高會(huì)影響SO、NO的測(cè)定，具體表現(xiàn)如下：燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣中水分易在定電位電解傳感器滲透膜表面凝結(jié)，影響SO、NO傳感器的性能；煙氣中SO和NO易溶于水，分別反應(yīng)生成HSO、HNO，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果偏低。

1.5 煙氣傳輸煙溫?fù)p失

燃煤發(fā)電廠CEMS 樣氣輸送管道長達(dá)數(shù)十米，樣氣長距離輸送會(huì)出現(xiàn)煙溫大幅降低的現(xiàn)象，溫降過大使樣氣中的水蒸氣在輸送管道中產(chǎn)生冷凝水，冷凝水吸附和溶解部分SO和NO并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，特別是輸送管路如果存在U 形、L 形管段，會(huì)存有大量冷凝水，起到類似吸收瓶的效應(yīng)，從而導(dǎo)致CEMS 監(jiān)測(cè)結(jié)果偏低。

1.6 標(biāo)準(zhǔn)氣體及儀器校準(zhǔn)

按照《固定污染源監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ/T 373—2007）等相關(guān)污染源廢氣監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，CEMS比對(duì)監(jiān)測(cè)開始前，要采用有證標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)手工監(jiān)測(cè)儀器和CEMS 進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.6.1 標(biāo)準(zhǔn)氣體

標(biāo)準(zhǔn)氣體具有復(fù)現(xiàn)、量值溯源的功能，標(biāo)準(zhǔn)氣體質(zhì)量會(huì)因等級(jí)、廠家、批次、濃度不同而有高低。標(biāo)準(zhǔn)氣體按等級(jí)分為國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的純度、均勻性、準(zhǔn)確性、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性等指標(biāo)均優(yōu)于二級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)氣體質(zhì)量關(guān)系到儀器校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性以及監(jiān)測(cè)儀器后期的使用，標(biāo)準(zhǔn)氣體質(zhì)量越好，檢定、校準(zhǔn)儀器的測(cè)量誤差也會(huì)越小。目前，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)入門檻較低，生產(chǎn)企業(yè)眾多，產(chǎn)品質(zhì)量有較大區(qū)別，比對(duì)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)儀器建議采用中國計(jì)量科學(xué)研究院和國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心生產(chǎn)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)氣體。

1.6.2 儀器校準(zhǔn)

現(xiàn)實(shí)情況中，環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)通常在實(shí)驗(yàn)室完成手工監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)，CEMS 運(yùn)維機(jī)構(gòu)則在比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用自備標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)CEMS 進(jìn)行校準(zhǔn)，在此過程中，雙方校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)氣體生產(chǎn)廠家、濃度均不相同。比對(duì)監(jiān)測(cè)雙方應(yīng)在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)用同一標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)，采取高、中、低（接近煙氣實(shí)際濃度）三點(diǎn)校準(zhǔn)，從而使儀器的曲線達(dá)到最佳的擬合，同時(shí)便于發(fā)現(xiàn)儀器的系統(tǒng)誤差和實(shí)現(xiàn)量值溯源。因?qū)嶒?yàn)室內(nèi)溫濕度、振動(dòng)、電磁干擾、供電電源等與監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)有區(qū)別，上述因素會(huì)對(duì)儀器的校準(zhǔn)產(chǎn)生影響，手工監(jiān)測(cè)儀器校準(zhǔn)環(huán)境應(yīng)接近使用環(huán)境，校準(zhǔn)應(yīng)在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。校準(zhǔn)時(shí)，氣體的流量對(duì)儀器校準(zhǔn)示值有影響，若流量大于儀器煙氣泵設(shè)定的流量，會(huì)使校準(zhǔn)示值偏高，反之，則校準(zhǔn)示值偏低，校準(zhǔn)全程要確保標(biāo)準(zhǔn)氣體流量的穩(wěn)定性和一致性，準(zhǔn)確計(jì)量進(jìn)樣流量，防止由于流量的差異引起誤差。

1.7 采樣斷面位置

燃煤發(fā)電廠CEMS 采樣斷面的位置按《固定污染源煙氣（SO、NO、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 75—2017）設(shè)置，該技術(shù)規(guī)范嚴(yán)格規(guī)定了顆粒物、氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的要求。燃煤發(fā)電廠廢氣煙囪高度超百米，煙囪高處的煙氣流速比較穩(wěn)定，各項(xiàng)污染物混合比較均勻，因此CEMS 的采樣探頭、取樣管安裝位置普遍較高，而參比方法手工采樣受場(chǎng)地及安全方面的約束，往往選擇在CEMS 上游布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，若間距過大，則監(jiān)測(cè)的不是同股煙氣，加上煙氣流速、污染物分布均勻程度不盡相同，導(dǎo)致雙方監(jiān)測(cè)結(jié)果有差異。

1.8 負(fù)壓大

由于風(fēng)機(jī)的作用，煙氣在煙道中存在正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)。如果采樣斷面處于高負(fù)壓區(qū)，煙道內(nèi)強(qiáng)大的負(fù)壓對(duì)儀器的煙氣泵形成倒吸作用，采樣抽氣泵必須克服煙道負(fù)壓和采樣系統(tǒng)本身阻力才能采到樣氣，導(dǎo)致儀器無法正常采集煙氣，使煙氣泵抽入儀器的實(shí)際流量偏小。定電位電解法要求流量恒定，且顯示值與流量呈正相關(guān)，若SO、NO采樣斷面處于高負(fù)壓區(qū)，會(huì)使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏低。

2 應(yīng)對(duì)措施

2.1 采用抗干擾能力強(qiáng)的方法

手工監(jiān)測(cè)燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣時(shí)，定電位電解法干擾因素多、抗干擾能力差，監(jiān)測(cè)精度、準(zhǔn)確性、適用性有待提高，易造成比對(duì)監(jiān)測(cè)誤差。針對(duì)燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣特征，手工監(jiān)測(cè)燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣時(shí)，SO宜使用《固定污染源廢氣 二氧化硫的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》（HJ 1131—2020）；NO宜使用《固定污染源廢氣 氮氧化物的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》（HJ 1132—2020）。

2.2 統(tǒng)一監(jiān)測(cè)方法原理

CEMS 和手工監(jiān)測(cè)中，各種監(jiān)測(cè)方法原理都有一定的局限性，各方法原理的干擾因素、準(zhǔn)確度、精密度會(huì)有差異，如果用不同的方法原理做比對(duì)監(jiān)測(cè)，從管理的角度很難評(píng)判哪一方的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映或接近實(shí)際污染物排放情況，對(duì)于SO和NO的監(jiān)測(cè)，比對(duì)監(jiān)測(cè)雙方可以采用同方法原理的儀器。

2.3 同一標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)

比對(duì)監(jiān)測(cè)雙方應(yīng)在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)同步進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，校準(zhǔn)儀器的標(biāo)準(zhǔn)氣體要選用質(zhì)量可靠的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)氣體，采用高、中、低（接近煙氣實(shí)際排放濃度）三種濃度校準(zhǔn)儀器，用同一標(biāo)準(zhǔn)氣體同步檢驗(yàn)雙方儀器的系統(tǒng)誤差并實(shí)現(xiàn)量值溯源。

2.4 選擇合理采樣斷面位置

采樣斷面位置應(yīng)避開高負(fù)壓區(qū)，同時(shí)CEMS 采樣探頭、取樣管應(yīng)在滿足技術(shù)規(guī)范的要求下降低安裝高度，以便開展比對(duì)監(jiān)測(cè)。降低安裝高度還可以縮短樣氣輸送管路的長度，減少輸送過程中的SO和NO損失。

2.5 精準(zhǔn)選取在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

計(jì)算比對(duì)結(jié)果時(shí)，要選取雙方同時(shí)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由于燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣污染物濃度實(shí)時(shí)變化、波動(dòng)起伏，因此數(shù)據(jù)的選取至關(guān)重要。對(duì)于同一股煙氣的監(jiān)測(cè)，CEMS 的SO和NO監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)比參比方法的數(shù)據(jù)滯后數(shù)分鐘，因此在選取在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先精確計(jì)算出CEMS 樣氣傳輸時(shí)間和儀器響應(yīng)時(shí)間，再準(zhǔn)確選取某時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若CEMS 數(shù)據(jù)選取不對(duì)，會(huì)使比對(duì)監(jiān)測(cè)失去意義。

2.6 做好煙氣預(yù)處理

處理后的燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣濕度大，針對(duì)此類煙氣，CEMS 應(yīng)在探頭至分析儀器間的管路上裝伴熱管線，保證氣體樣品溫度始終處于露點(diǎn)溫度10 ℃以上，從而不發(fā)生水凝結(jié)，然后依靠分析儀器的內(nèi)部裝置快速除水；手工監(jiān)測(cè)儀器需要采用除濕裝置對(duì)樣氣進(jìn)行除濕處理，以消除或減少水汽、冷凝水對(duì)儀器的污染以及SO和NO損失。燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣濕度大，樣氣輸送距離長，若無預(yù)處理措施，直接測(cè)定煙氣中的SO和NO不能滿足測(cè)量準(zhǔn)確性的要求。

3 結(jié)論

比對(duì)監(jiān)測(cè)是檢驗(yàn)燃煤發(fā)電廠鍋爐廢氣CEMS 是否有效運(yùn)行及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要手段，除了儀器故障、性能不能滿足要求外，方法原理、煙氣濕度、共存氣體干擾等多重因素會(huì)造成比對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果失真和異常，若針對(duì)上述影響因素采取相應(yīng)措施，則能很大程度上減少比對(duì)數(shù)據(jù)異常，獲得可靠、公正、權(quán)威的比對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果。同時(shí)，做好燃煤發(fā)電廠比對(duì)監(jiān)測(cè)是環(huán)境監(jiān)管的一個(gè)有力抓手，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、碳達(dá)峰、碳中和、資源高效節(jié)約利用發(fā)揮關(guān)鍵作用，進(jìn)而推進(jìn)環(huán)境空氣質(zhì)量改善，建設(shè)美麗中國。