定電位電解法測定鍋爐煙氣的要點

馮麗芳，陳文斌，王遠(yuǎn)

（1.陜西云筑檢測技術(shù)有限公司，陜西 西安 710077；2.國檢控股集團(tuán)陜西京誠檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著國家工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，鍋爐在生產(chǎn)生活中的作用日益顯著，同時鍋爐燃燒過程中的污染問題也逐漸被人們關(guān)注，特別是早期以煤為燃料的鍋爐，存在燃燒效率不高、能耗大、污染嚴(yán)重等問題。在意識到這一系列的問題后，國家出臺了一系列規(guī)劃、行動計劃、部門規(guī)范等文件，鼓勵生產(chǎn)生活中鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造，包括技術(shù)提升、燃料轉(zhuǎn)型等，同時也明確了使用鍋爐產(chǎn)生煙氣中的各項污染因子的監(jiān)測。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部2014 年發(fā)布的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，鍋爐燃燒使用的燃料不同，燃燒過程中煙氣產(chǎn)生的污染物也會有差異。對于燃煤、燃油和燃?xì)忮仩t，顆粒物、二氧化硫、氧化氮等都屬于污染因子，同時燃煤鍋爐應(yīng)增加污染因子汞及其化合物。目前，國家發(fā)布的鍋爐煙氣SO2和NOx的監(jiān)測方法有紫外吸收法、紅外吸收法、化學(xué)發(fā)光法、分光光度法、酸堿滴定法、定電位電解法等方法。本文主要說明鍋爐現(xiàn)場監(jiān)測指標(biāo)SO2和NOx的定電位電解法監(jiān)測時的注意事項。

1 鍋爐的定義

利用燃料（包括煤、油、氣等）燃燒釋放的熱能或其他熱能加熱熱水或其他介質(zhì)，用來生產(chǎn)規(guī)定溫度、壓力和品質(zhì)的蒸汽、熱水的設(shè)備，是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。鍋爐的基本組成為汽鍋和爐子。爐子主要用于燃料的燃燒，汽鍋則作為加熱熱水或其他介質(zhì)的容器。

2 定電位電解法的測定原理

鍋爐煙氣經(jīng)過除塵和脫水，進(jìn)入煙塵（氣） 測試儀的傳感器發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在一定的條件下，傳感器輸出的電流大小與煙氣污染因子的濃度成正比，儀器通過測量傳感器的電流可計算出煙氣污染因子的瞬時濃度；同時，可根據(jù)檢測到的煙氣排放參數(shù)（流速、含濕量、煙溫等）計算煙氣的排放量。

注：傳感器由電解槽、電解液和三種電極組成，三種電極為敏感電極、參比電極和對電極。

3 測定過程中的干擾與消除

3.1 SO2 的干擾以及消除

煙氣中的水分和SO3對SO2監(jiān)測的干擾詳見標(biāo)準(zhǔn)HJ 57—2017 5.1。

CO 對SO2監(jiān)測的干擾最為顯著，測定煙氣時須同時測定CO 的濃度。煙氣中CO 超過某一濃度值，可能會導(dǎo)致SO2的監(jiān)測結(jié)果偏離。如圖1 和圖2 所示。其中圖1 為鍋爐未充分燃燒導(dǎo)致CO 偏高的狀態(tài)，圖2為鍋爐燃料充分燃燒的狀態(tài)。

圖1 有CO 干擾

圖2 無CO 干擾

一般情況下，CO 的干擾濃度由設(shè)備廠家在設(shè)備出廠時提供，如圖3 的YQ3000-D 煙塵（氣） 測試儀的CO 干擾試驗報告。從中可以看出，CO 濃度大于4 000 μmol/mol 時，該設(shè)備不能進(jìn)行SO2的監(jiān)測。

圖3 YQ3000-D 煙塵（氣）測試儀的CO 干擾試驗報告

圖1 的SO2的濃度達(dá)到754 mg/m3，正常無煙煤的SO2濃度都不會如此高，燃?xì)忮仩t的SO2濃度更是以未檢出（檢出限3 mg/m3）居多。分析圖1 的監(jiān)測數(shù)據(jù)，含氧量偏?。?.2%），SO2異常大，CO 很高（5 976 mg/m3）。究其原因，可判斷為鍋爐未充分燃燒造成。定電位電解法中，CO 對SO2為正干擾狀態(tài)，SO2濃度偏高由CO偏高造成。此時，不宜進(jìn)行現(xiàn)場采樣工作，應(yīng)將取樣管立即從煙道取出，放置在空氣中清洗管路及傳感器，同時核實工況，要求企業(yè)將鍋爐運行負(fù)荷調(diào)至正常狀態(tài)再進(jìn)行監(jiān)測。工況的核實可參考本文5.3。

圖2 為企業(yè)鍋爐調(diào)整后的數(shù)據(jù)，此時的含氧量3.9%，SO2未檢出（檢出限3 mg/m3），CO 未檢出（檢出限3 mg/m3），NOx結(jié)果53 mg/m3。監(jiān)測結(jié)果正常。

3.2 NOx 的干擾以及消除

測定煙氣時，煙氣中顆粒物和水分對NOx監(jiān)測的干擾詳見標(biāo)準(zhǔn)HJ 693—2014 5。

4 儀器技術(shù)指標(biāo)要求

4.1 儀器

YQ3000-D 煙塵（氣） 測試儀（生產(chǎn)廠家：青島明華電子儀器有限公司）及配件。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)對于儀器的性能要求

標(biāo)準(zhǔn)對于儀器的性能要求如表1 所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)對于儀器的性能要求

5 煙氣SO2 和NOx 的監(jiān)測過程

5.1 儀器標(biāo)定

采樣前應(yīng)對煙塵（氣）測試儀的煙塵和煙氣部分進(jìn)行核查或標(biāo)定。煙氣視檢測因子而定，分別用對應(yīng)標(biāo)氣對傳感器進(jìn)行核查，要求示值誤差不大于±5%。否則，需按照標(biāo)準(zhǔn)值與儀器示值，重新計算新倍率（新倍率=標(biāo)準(zhǔn)值/儀器示值×原倍率），對儀器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后切記需要再次通入不同濃度的標(biāo)氣，進(jìn)行多點核查，示值要求同上，直至不同濃度的標(biāo)氣示值誤差都滿足要求為止。煙氣流量可用電子流量計或皂膜流量計進(jìn)行核查，標(biāo)準(zhǔn)對于流量誤差未做要求，一般小于5%。

5.2 現(xiàn)場監(jiān)測條件核查

現(xiàn)場監(jiān)測前，應(yīng)及時對現(xiàn)場監(jiān)測條件進(jìn)行核實。如：開孔位置是否選在垂直管道，是否滿足上3 下6的要求；孔口的內(nèi)徑是否滿足標(biāo)準(zhǔn)對于氣態(tài)污染物監(jiān)測的要求；監(jiān)測平臺是否安全，且能夠滿足監(jiān)測人員操作的需求。具體的可參考標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 397—2007 5。

監(jiān)測時，采樣管前端置于采樣點后，應(yīng)將采樣孔密封，不能出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

5.3 工況核查

現(xiàn)場采樣前，首先要對鍋爐運行工況進(jìn)行核查，標(biāo)準(zhǔn)HJ 373—2007 5.3 中，對于工況核查給出了幾種方法，包括風(fēng)量核定法、SO2排放量核定法、NOx排放量核定法、煙塵量核定法、燃煤量核定法、熱工儀表核定法。在此，介紹一種快速核查現(xiàn)場工況的方法-耗氣量法。

耗氣量法：舊制熱值單位為大卡（kcal），現(xiàn)在用焦耳（J）。

60×104kcal=1 t/h=7 MW。

0.7 MW 的熱水鍋爐=1 t/h 的蒸汽鍋爐。

700 kW×3 600 s=2 520 000 kJ，目前市面天然氣的發(fā)熱中位值為：8 400 kcal。

8 400 kcal=8 400×4.186 8=35 145.6 kJ/m3。

流量：2 520 000÷35 145.6=71.7 m3/h。

根據(jù)以上計算公式可知，0.7 MW 的熱水鍋爐和1 t/h 的蒸汽鍋爐一小時的耗氣量約為71.7m3（100%負(fù)荷）。

以上耗氣量計算為根據(jù)天然氣發(fā)熱中位值計算得出，該方法可在現(xiàn)場進(jìn)行快速核查工況，節(jié)省時間成本。目前所有的燃?xì)忮仩t均配有工況表，也就是天然氣流量計，根據(jù)鍋爐實時的耗氣量與基準(zhǔn)耗氣量進(jìn)行比較，可得出當(dāng)前鍋爐的運行負(fù)荷，進(jìn)而判斷鍋爐是否處于正常燃燒狀態(tài)。

5.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)選用

SO2和NOx監(jiān)測時，儀器應(yīng)設(shè)置為按照分鐘保存數(shù)據(jù)，同時監(jiān)測結(jié)果取5～15 min 平均值作為一次的監(jiān)測結(jié)果。

鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對于鍋爐煙氣SO2和NOx的濃度限值一般以折算濃度確定。因此，監(jiān)測結(jié)果應(yīng)根據(jù)鍋爐的燃料類型選擇不同的基準(zhǔn)含氧量進(jìn)行折算，選用折算濃度與排放限值進(jìn)行比較，并給出合格與否的結(jié)論。

注：基準(zhǔn)氧含量（O2/%）：煤9；油和氣：3.5。

6 質(zhì)量控制要求

（1） 人員持證上崗。（2） 場所環(huán)境滿足監(jiān)測要求。（3） 儀器設(shè)備：①定期送檢檢定/校準(zhǔn)，結(jié)果滿足使用要求；②對設(shè)備傳感器進(jìn)行維護(hù)并定期更換；③監(jiān)測前后對設(shè)備進(jìn)行氣密性檢查；④監(jiān)測前后對設(shè)備的示值誤差和系統(tǒng)偏差進(jìn)行檢查；⑤每月一次對設(shè)備的零點漂移和量程漂移進(jìn)行檢查。

7 采樣過程中的異常情況及處理

7.1 監(jiān)測時遇到高濕排氣筒，監(jiān)測數(shù)據(jù)異常小

監(jiān)測時遇到高濕排氣筒，監(jiān)測數(shù)據(jù)異常小，甚至有時候NOx低于檢出限（3 mg/m3）。

首先，看到NOx監(jiān)測結(jié)果低于檢出限（3 mg/m3）時，應(yīng)意識到這是異常數(shù)據(jù)。這種情況應(yīng)特別注意工況（流速，含濕量，煙溫，采樣嘴等）的監(jiān)測。排煙溫度較高時，NOx會受到一定的影響，同時溫度超出煙槍的耐高溫度，煙槍也會損壞。同時，水汽進(jìn)入傳感器，也會導(dǎo)致設(shè)備傳感器失效。此時，需要在采樣前連接煙氣預(yù)處理器，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行加熱同時采樣。

7.2 含氧量較高

含氧量較高（大于10%），NOx結(jié)果很小。

根據(jù)5.3 選擇合適的方式進(jìn)行工況核查，若鍋爐運行負(fù)荷滿足監(jiān)測要求，可判斷此種含氧量較高為鍋爐給風(fēng)偏大導(dǎo)致。正常情況每燃燒1 m3的天然氣需要10～14 m3的空氣，（高海拔地區(qū)空氣的需要量會適當(dāng)增大，主要根據(jù)空氣的含氧量進(jìn)行計算）。給風(fēng)量較大，除所需正常燃燒后，其余的氧氣則通過排氣筒直排，導(dǎo)致監(jiān)測過程中含氧量較大，多余氧量則會稀釋污染物的濃度，導(dǎo)致污染物濃度降低。因此，在含氧量較高時，應(yīng)特別關(guān)注給風(fēng)量。

7.3 含氧量偏大

含氧量偏大，CO 偏大，SO2偏大，NOx偏小。

此時，CO 濃度未達(dá)到干擾最大值，但較正常情況偏大（>150 mg/m3），這種情況屬于非正常燃燒，可通過核查運行工況進(jìn)行驗證并處理。驗證方式：增大運行工況。若遇到鍋爐壓力到達(dá)設(shè)定值或者回水溫度到達(dá)設(shè)定溫度，則無法繼續(xù)監(jiān)測，此時，蒸汽鍋爐可通過泄壓，熱水鍋爐可通過排掉熱水方式處理后繼續(xù)監(jiān)測，但會增加企業(yè)的運行成本。根據(jù)目前鍋爐檢測的經(jīng)驗以及不同工況下的CO 濃度得出，CO 的濃度在150 mg/m3以下為正常狀態(tài)。

7.4 風(fēng)量異常大

風(fēng)量異常大，含氧量為21%，其他數(shù)據(jù)全部為零。

首先確保儀器使用前的核查無誤，另外排查企業(yè)的排風(fēng)管道，是否存在人為增風(fēng)情況，管道旁路是否存在鼓風(fēng)機等。這種情況相對來說較少，但由于此種方式屬于人為稀釋污染物濃度，應(yīng)引起足夠的重視。現(xiàn)場監(jiān)測中可能會存在各種異常情況，對于現(xiàn)場監(jiān)測人員來說，要具備發(fā)現(xiàn)異常情況的能力，更應(yīng)具備解決問題的能力。這樣，得到的數(shù)據(jù)才能經(jīng)得起檢查和推敲。

8 結(jié)語

鍋爐使用過程中產(chǎn)生的煙氣也對大氣環(huán)境造成了一定的污染。因此，應(yīng)通過監(jiān)測了解鍋爐運行產(chǎn)生煙氣的具體污染情況。作為監(jiān)測人員，如何獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)是最主要的任務(wù)。對于監(jiān)測人員，除了掌握豐富的理論知識，具備熟練的設(shè)備操作能力，同時應(yīng)具有較強的現(xiàn)場應(yīng)變能力和問題處理能力，在保證人員安全和監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。