論煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化改造

環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)訊:摘要：本文綜述了煙氣排放連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）的氣態(tài)污染物（二氧化硫、氮氧化物）、煙氣參數(shù)（煙氣流速、含氧量、溫度、濕度）、顆粒物的監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，分析了對不同污染物監(jiān)測的測定原理、技術(shù)特點、優(yōu)勢及缺點，為比對監(jiān)測準(zhǔn)確實施及CEMS在線管理提供一定的借鑒，同時實現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享，加強對值的合理化管理，從而規(guī)范環(huán)保局對各企業(yè)的在線管理，為在線監(jiān)測整體水平提供有力的支持。

關(guān)鍵詞：CEMS；監(jiān)測；技術(shù)

引言

CEMS作為煙氣排放連續(xù)監(jiān)測裝置，是監(jiān)測環(huán)保排放和檢測工藝過程的重要設(shè)備。CEMS由顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測量子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集、傳輸與預(yù)處理子系統(tǒng)等組成，通過采樣和非采樣方式，測定煙氣中污染物的質(zhì)量濃度，同時測定煙氣溫度、壓力、流速或流量、含濕量、含氧量等參數(shù)，計算煙氣污染物質(zhì)量濃度、排放率和排放量，顯示和打印各種參數(shù)、圖表，并通過數(shù)據(jù)、圖文傳輸系統(tǒng)傳輸至固定污染源監(jiān)控系統(tǒng)。隨著環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)的實施、超凈排放改造的進(jìn)行，到2020年燃煤鍋爐重點地區(qū)要達(dá)到超凈排放標(biāo)準(zhǔn)，即煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度（基準(zhǔn)含氧量6%）分別不超過5 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，排放限值分別下降83%、75%和50%。CEMS測量的精度、原理、量程已經(jīng)無法滿足現(xiàn)場需要，所以目前現(xiàn)場CEMS監(jiān)測儀表測量的可靠性及穩(wěn)定性已顯得尤為重要。

1、CEMS煙氣參數(shù)測量技術(shù)

（1）煙氣流速。流速測量分為皮托管式測量、熱導(dǎo)式測量、超聲波法測量。皮托管式測量主要是測量煙氣的總壓和靜壓，計算煙氣差壓，依照伯努利方程，得出煙氣流速。通常使用的皮托管式測量有S型和L型二種。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，易于維護(hù)，運行可靠，缺點是容易產(chǎn)生堵塞。我廠煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)采用的就是皮托管式測量，測量準(zhǔn)確，雖然堵塞時有發(fā)生，但是好處理維護(hù)簡單。從經(jīng)濟性、穩(wěn)定性來講優(yōu)點大于缺點。

（2）煙氣含氧量。煙氣含氧量是作為判斷鍋爐燃燒時過剩空氣是否稀釋煙氣濃度的重要指標(biāo)，也是對濃度進(jìn)行折算時的重要依據(jù)。煙氣含氧量測量方法主要是氧化鋯法和氧電池電化學(xué)法。氧化鋯法是利用二氧化鋯在高溫時的電解催化作用，形成煙氣一側(cè)的電極和與含有氧氣的標(biāo)準(zhǔn)氣體（通常為空氣）接觸的參考電極產(chǎn)生電位的不同，從而測量出煙氣中的含氧量。一般測量探頭壽命約為1~2年，且測量的含氧量數(shù)值為濕氧數(shù)值。而氧電池電化學(xué)法運用的是電化學(xué)傳感器原理，一般使用壽命是1~3年，且測量的含氧量數(shù)值為干氧數(shù)值。目前，煙氣含氧量的測量技術(shù)較為成熟，存在的問題較小，我廠采用氧電池電化學(xué)法嵌入在煙氣分析儀內(nèi)，在分析以內(nèi)直接對抽取進(jìn)來的樣品氣體進(jìn)行測量，不用在現(xiàn)場安裝氧化鋯探頭，而且測量準(zhǔn)確維護(hù)起來也方便。

（3）煙氣溫度。主要采用的是鉑電阻溫度傳感器PT100，溫度大致為-200℃~650℃電阻約為100歐姆，我廠煙溫采用鉑電阻PT100傳感器嵌入在煙氣流量拍托管上，出線直接接入CEMS小間的PLC溫度模塊上。煙氣溫度測量技術(shù)目前很成熟測量也準(zhǔn)確，維護(hù)方便。

（4）煙氣濕度。目前在國內(nèi)一般通過測量干濕煙氣中的氧量，通過計算獲得煙氣水分，是一種間接測量的方法，這種方法存在的主要問題是測量值滯后而測量的精度低，不能滿足高溫?zé)煔鉁y量的需要。常見的水分測量方法有：冷凝法，干濕球法，稱重法，露點法和電子式傳感器法。電子式水分傳感器產(chǎn)品及水分測量屬于90年代興起的行業(yè)，近年來，國內(nèi)外在水分傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步，氣體水分的測量在國外目前的發(fā)展方向主要是利用電容式電子測量技術(shù)，但應(yīng)用于高溫?zé)煔獾臏y量，需要克服煙氣高溫、灰塵、酸性物質(zhì)對高分子薄膜電容的磨損和腐蝕問題。針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，我廠選用阻容式濕度儀。該濕度儀能克服高溫?zé)煔獾姆蹓m、高溫和酸性腐蝕問題、可以在線長期穩(wěn)定的測量高溫?zé)煔庵兴值姆滥p和防腐蝕裝置，以有效保護(hù)在線阻容式高溫?zé)煔馑謨x，并在不影響測量精度的條件下實現(xiàn)長期可靠的工作。

2、CEMS顆粒物（煙塵）測量技術(shù)

煙塵測量方法主要有對穿式測量法、微電荷測量法、光散射法、抽取式測量法等。

對穿式測量法用一個激光二極管（測量距離最大可15米）作為發(fā)射端的光源，光線通過煙道發(fā)射到安裝在煙道對面的反射器上，并經(jīng)反射器反射后在次穿過煙道回到接收器，發(fā)射出的光源強度與反射回的光強度之間存在衰減，而這種衰減與粉塵濃度的高低存在一定的函數(shù)關(guān)系，通過這種函數(shù)關(guān)系計算得到粉塵濃度。

優(yōu)點：在當(dāng)前粉塵測量中，技術(shù)較為成熟可靠，在測量直徑小的環(huán)境中使用時，測量穩(wěn)定，隨負(fù)荷變化明顯。

缺點：對側(cè)安裝，對光要求高，在震動大的環(huán)境中使用時，測量穩(wěn)定性差，特別是對于大尺寸煙道，一點點的對光偏差，將會導(dǎo)致粉塵數(shù)據(jù)的突變。當(dāng)煙氣中濕度大時，特別是測量濕煙氣時，煙氣中的水滴將對測量產(chǎn)生影響。維護(hù)量大，定期對污染鏡片進(jìn)行擦拭，并定期進(jìn)行對光檢查。

微電荷測量法當(dāng)煙氣流經(jīng)插入煙道的探桿時，由于粉塵顆粒對探桿的撞擊及摩擦作用，導(dǎo)致電荷的傳遞，會產(chǎn)生微電流，通過專用的微電荷測量儀器將電流信號轉(zhuǎn)換為粉塵濃度信號。電路信號越強，粉塵濃度越大。

優(yōu)點：維護(hù)量小，拆卸容易，檢查方便。單側(cè)安裝，便于維護(hù)。

缺點：不適于靜電除塵器后粉塵測量。煙氣流速過低時對測量穩(wěn)定性有影響。煙氣中濕度過大時，對測量產(chǎn)生影響。

光散射法發(fā)射光源將發(fā)射至含有粉塵的煙道中，粉塵在光照射下回產(chǎn)生散射光，這種散射光的強度與煙道中粉塵的含量成正比，粉塵濃度高時，散射光強度大，反之亦然。

優(yōu)點：此方法對振動要求較低，使用范圍較廣。單側(cè)安裝，便于維護(hù)。測量精度高，為當(dāng)前主流粉塵儀。

缺點：定期檢查光源鏡片的干凈程度。煙氣中濕度過大時，對測量有影響。

抽取式測量法基于光散射法測量原理，不同之處在于，首先將煙氣通過管道抽取至加熱室進(jìn)行加熱，出去煙塵中的水分，處理后的粉塵經(jīng)過測量室進(jìn)行測量分析，避免了煙氣中水滴對粉塵的影響，此測量方法多用于濕煙氣的測量。

優(yōu)點：粉塵不受煙氣濕度影響，排除了煙氣濕度對粉塵測量的影響。煙氣經(jīng)過加熱管道后，變的相對平穩(wěn)，測量穩(wěn)定性好。

缺點：定期檢查取樣管的堵塞情況及腐蝕情況?，F(xiàn)場安裝空間要求較其他測量方式大?，F(xiàn)場人員在維護(hù)過程中，應(yīng)注意靜電對激光光源的損壞。

我廠目前選用光散射法，但是隨著環(huán)保指標(biāo)下壓，水對粉塵儀的干擾越來越突出，我廠煙羽脫白項目上馬以后粉塵會將至5mg/Nm3，煙氣溫度加熱到露點以上，排除了水分干擾，原有光散射法可以穩(wěn)定測出5mg/Nm3的粉塵量，但是量程要重新選型。

3、CEMS氣態(tài)污染物監(jiān)測方法

紫外熒光法和非分散紅外吸收法適用于SO2監(jiān)測，化學(xué)發(fā)光法和非分散紅外吸收法適用于NOX監(jiān)測。

紫外熒光法原理：煙氣在某個波長的紫外光照射下，其中的SO2分子吸收紫外光產(chǎn)生能級躍遷，從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)SO2不穩(wěn)定，返回低能量狀態(tài)的過程中發(fā)射出特定的熒光，該熒光與煙氣中SO2的濃度成正比，通過測量熒光強度，即可得到SO2的濃度值。其特點是靈敏度高。

非分散紅外吸收法是指紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過一定濃度待測的氣體吸收之后，與氣體濃度成正比的光譜強度會發(fā)生變化，通過測量光譜強度的變化量得到氣體的濃度。其特點是靈敏度偏低。

化學(xué)發(fā)光法原理；煙氣中的NO與臭氧反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的NO2，其返回基態(tài)時放出特定的光，該光的強度與煙氣中的NO濃度成正比，測量發(fā)光強度即可得到NO濃度；同時，煙氣中的NO2通過鉬催化技術(shù)轉(zhuǎn)化為NO與臭氧反應(yīng)，測量光強即可得到NOX總濃度值。其特點是線性范圍寬，低濃度下仍能有效測出濃度值。

4、CEMS設(shè)計方案

4.1原CEMS系統(tǒng)

原CEMS系統(tǒng)采用直接抽取法，煙氣先經(jīng)過采樣探頭內(nèi)的初級過濾器對煙氣中的粉塵進(jìn)行過濾，然后通過已加熱至150℃的探頭和伴熱管線，經(jīng)過冷凝器二級冷凝除濕，最后進(jìn)入煙氣分析儀。煙氣分析儀采用非分散紅外法對SO2、NOX進(jìn)行分析測量。原CEMS裝置如表1。

表1 原 CEMS 裝置

4.2 CEMS選型

隨著環(huán)保要求的升級，煙囪入口SO2、NOX和煙塵濃度較低，對煙氣分析儀的精度、靈敏度要求更高。對于SO2分析，紫外熒光法的靈敏度比非分散紅外法要高幾個數(shù)量級，常用于大氣微量監(jiān)測，故超低改造后的SO2采用紫外熒光法檢測。對于NOX分析法，化學(xué)發(fā)光法線性范圍寬，特別在低濃度和微量檢測中應(yīng)用較多，故NOX采用化學(xué)發(fā)光法檢測。對于分析煙塵，超低排放改造后增加了換熱器，將進(jìn)入煙囪的煙氣加熱至露點以上，排除了含水量較大對煙塵測量的影響。煙塵測量的光散射法安裝容易，靈敏度高，測量范圍廣，故選擇光散射法進(jìn)行煙塵檢測。對于取樣方法，考慮到直接抽取法會因為煙氣中的水汽凝結(jié)造成溶解性污染物的成分損失，需增一級除濕裝置，配磷酸滴定裝置保護(hù)除濕過濾器。同時加裝一路壓縮空氣提供稀釋氣體。新CEMS裝置如表2。

表2 新CEMS裝置

4、投運效果

新CEMS投運后，運行穩(wěn)定，特別是在低濃度測量時，消除了測量不準(zhǔn)確、數(shù)值晃動大的現(xiàn)象。通過第三方檢測機構(gòu)對CEMS測量結(jié)果比對顯示，測量結(jié)果滿足超低排放的要求。

結(jié)束語

CEMS作為污染物排放監(jiān)測系統(tǒng)，合理的設(shè)計方案及分析儀表選型，對有效控制脫硫、脫硝效率具有舉足輕重的作用，確保向環(huán)保監(jiān)測站傳送排放監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。CEMS設(shè)計方案及分析儀表選型是否合理需要通過工程實踐來檢驗，并在工程應(yīng)用中不斷進(jìn)行優(yōu)化

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