雷瑤

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

“十三五”期間，隨著新的中國環(huán)保法規(guī)和標準的不斷出臺和完善，對于固定污染源煙氣排放監(jiān)測的要求更加嚴格。石化裝置作為被重點監(jiān)管的對象之一，根據環(huán)保法規(guī)和標準的要求，在石化裝置的廢液焚燒爐排放口必須安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)，通過在煙道氣中采樣和非采樣方式在線連續(xù)監(jiān)測固定污染源顆粒物、氣態(tài)污染物排放濃度和排放量，并將監(jiān)測數(shù)據和信息傳送到環(huán)保主管部門，目的是確保排污企業(yè)排放的污染物濃度和排放總量達標。

CEMS作為在線分析系統(tǒng)的組成部分，由于其在國家強制性環(huán)保認證和驗收方面的要求，又具有相對特殊性。伴隨著環(huán)保標準的不斷升級，如何在超低排放工況下根據不同煙氣的特點及技術條件，選擇合適的的測量方式和測量技術，合理配置CEMS以滿足不同煙氣工況下的測量要求，是CEMS設計選型的關鍵。

1 CEMS設計標準和認證要求

CEMS作為環(huán)保在線監(jiān)測系統(tǒng)，首先必須遵循相應的環(huán)保標準，與CEMS有關的環(huán)保標準分為排放控制標準和監(jiān)測技術標準兩類，排放控制標準因行業(yè)和地域不同又有所區(qū)分。石化裝置廢液焚燒爐CEMS設計應遵循的排放控制標準主要有GB 31571—2015《石油化學工業(yè)污染物排放標準》和GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》[1-2]，同時應執(zhí)行所在地域的排放控制標準。監(jiān)測技術標準應遵循GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》、HJ 836—2017《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測定重量法》、HJ 75—2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范》及HJ 76—2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》等，其中以HJ 75—2017和HJ 76—2017作為CEMS主要設計依據[3-7]。需要說明的是，作為HJ75/T—2007和HJ76/T—2007 的修訂版，HJ 75—2017和HJ 76—2017成為了強制性標準；新的標準要求CEMS必須滿足更苛刻的驗收考核指標，同時克服更復雜背景條件和干擾因素的影響，需要提供更多的檢測項目，從而對CEMS的設計提出了新的要求；此外，如果CEMS安裝在爆炸危險區(qū)，其設計還應遵循相應的國家防爆標準；最后，CEMS還應遵循在線分析系統(tǒng)相關的設計標準。

CEMS應具有中國環(huán)境保護產品認證CCEP，認證檢測的依據是HJ 76—2017，通過該認證的CEMS產品的名稱和型號可在中國環(huán)境監(jiān)測總站網站《CEMS合格產品名錄》查詢。進口的CEMS產品應取得計量器具型式批準證書CPC。爆炸危險區(qū)安裝的CEMS相關電子儀表必須具有中國機構NEPSI，CQST，PCEC或國家授權認可的國外機構頒發(fā)的防爆合格證書，以滿足其安裝區(qū)域的電氣防爆要求。

2 廢液焚燒爐煙氣排放特點

某PO/SM裝置在生產過程中會產生含有苯等組分的有毒廢液，會對環(huán)境和人員造成嚴重污染和傷害，因此在裝置下游必須設置廢液焚燒爐，將裝置內有毒廢液進行焚燒處理，同時向工藝系統(tǒng)提供需要的熱負荷。廢液焚燒爐末端設置高70 m的煙囪，其排放煙氣參數(shù)見表1所列，可以看出其排放煙氣的主要特點是濕度很大，而主要監(jiān)測參數(shù)顆粒物(PM10)和氣態(tài)污染物(SO2，NOx)質量濃度較低，滿足GB 31571—2015對其超低排放限值的要求[1]。

表1 排放煙氣參數(shù)

3 CEMS設計要求和系統(tǒng)組成

由于廢液焚燒爐煙氣排放的特殊性，對CEMS也提出了較為苛刻的技術要求，其設計應充分考慮煙氣排放的高濕度、低濃度的特點，解決高濕度下低質量濃度顆粒物和氣態(tài)污染物監(jiān)測難點，實現(xiàn)準確測量煙氣中顆粒物、氣態(tài)污染物質量濃度，煙氣參數(shù)(溫度、壓力、流速、濕度等)，同時計算煙氣中污染物排放速率和排放量，顯示、打印和記錄各種數(shù)據和參數(shù)，形成相關圖表，并通過數(shù)據、圖文等方式傳輸至環(huán)保監(jiān)控部門等。

基于CEMS的設計要求，1套完整的CEMS應由顆粒物監(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)監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據采集和處理子系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 CEMS系統(tǒng)組成示意

4 CEMS測量方式和測量技術

4.1 測量方式

根據不同的測量分析方式，CEMS可分為抽取測量方式和直接測量方式。抽取測量方式是將煙氣從煙囪中抽取出來分析；直接測量方式是將測量分析裝置安裝在煙囪上直接對排放煙氣分析。

抽取測量方式的CEMS依據對煙氣調節(jié)處理方式的不同又分為完全抽取方式和稀釋抽取方式兩種。從煙道氣中抽取排放源的煙氣，經調節(jié)處理后進行監(jiān)測的稱為完全抽取方式；從煙道中抽取煙氣，經稀釋氣稀釋后進行監(jiān)測的稱為稀釋抽取法。而根據采樣預處理過程中是否除水，完全抽取式的CEMS又可分為冷/干法完全抽取和熱/濕法完全抽取，樣氣在進入分析儀前經冷卻除濕系統(tǒng)除去水分變成干態(tài)后再分析稱為冷/干完全抽取法；煙氣經抽取后全程不除濕，保持煙氣在露點溫度之上，分析儀直接分析熱濕態(tài)煙氣，稱為熱/濕完全抽取法。CEMS不同測量方式比較見表2所列。

4.2 測量技術

CEMS根據所采用測量方式的不同，其測量分析單元所配套的測量技術也不盡相同[8]，目前CEMS常用到的測量技術分類見表3所列。

表2 CEMS測量方式比較

表3 CEMS常用測量技術分類

5 廢液焚燒爐CEMS設計方案

5.1 采樣點位置選擇

選擇合適的采樣點是CEMS設計的重要環(huán)節(jié)，根據HJ 75—2017的要求，采樣點應優(yōu)先選擇在垂直管段和煙道負壓區(qū)域，確保所采集試樣的代表性；同時應避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。顆粒物和流速采樣點應至少滿足前4D后2D的直管段要求，氣態(tài)污染物采樣點應至少滿足前2D后0.5D的直管段要求，對于圓形煙道，D代表煙道內徑，對于矩形管道，D代表當量直徑，其計算公式如下[3]：

(1)

式中：A，B——矩形煙道的邊長。

5.2 顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)

目前中國顆粒物監(jiān)測儀絕大多數(shù)采用直接測量方式，其中光透射法是基于朗伯-比爾定律測定煙氣顆粒物質量濃度的一種方法，但其靈敏度較低，適用于顆粒物質量濃度較高(大于300 mg/m3)、濕度低的場合。光散射法是基于波格爾(Bouguer)定律設計，利用顆粒物對光的散射作用檢測顆粒物質量濃度，靈敏度高，在低濃度場所應用較多，按照其檢測散射光位置不同可分為前向散射、后向散射和邊向散射三種類型，在一定的顆粒物粒徑范圍內，前向散射對顆粒物的粒徑和折射系數(shù)的變化敏感度最小，邊向散射最為敏感。但無論哪種散射類型，水滴對其測量影響都會較大，因此光散射法適用于粉塵濃度低、且濕度低的場合。而廢液焚燒爐出口煙氣濕度較大，基于直接測量方式的光透射法和光散射法都難以滿足如此高濕度下低顆粒物質量濃度的連續(xù)自動監(jiān)測要求，因此選用基于抽取測量方式的顆粒物質量濃度監(jiān)測方法更為合適，抽取β射線吸收法對抽取的顆粒物照射后強度的衰減進行測定，不受煙氣含水量影響，但價格昂貴，容易受流速變化影響，且要求有核輻射源。

根據國內顆粒物排放特點，一些廠家開發(fā)了以抽取“光學”測量方式為代表的污染源高濕度、低濃度顆粒物監(jiān)測設備，在降低成本的同時可以滿足高濕度、低濃度顆粒物監(jiān)測的要求，因此在廢液焚燒爐顆粒物濃度監(jiān)測中可采用此種測量方式，將煙氣顆粒物以等速跟蹤的方式保溫伴熱從煙道中抽取出來，通過加熱升溫使得煙氣中的高濕水分保持氣體狀態(tài)從而不結露出現(xiàn)液滴，再通過前向光散射原理對煙氣顆粒物質量濃度進行測量，從而計算出煙氣中顆粒物的排放濃度。

5.3 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)

目前國內氣態(tài)污染物的測量以抽取方式為主，相比于冷/干完全抽取法，熱/濕完全抽取法取樣系統(tǒng)和分析儀都要耐高溫，成本很高，適用于被測煙氣組分復雜且又極易溶于水的組分(如HCl，NH3等)；稀釋抽取法在煙氣濕度過大的情況下，按一定比例稀釋后煙氣露點下降不能太大，否則在環(huán)境溫度較低時冷凝，造成可溶性氣態(tài)污染物缺失，從而導致測量結果偏低。由于冷/干完全抽取法測出的煙氣濃度為干基值，而熱/濕完全抽取法和稀釋抽取法測出的煙氣濃度為濕基值，且國內排放標準以干基濃度計，因此根據廢液焚燒爐煙氣排放的特點，綜合考慮可選用冷/干完全抽取法的測量方式，但需對采樣和預處理系統(tǒng)進行特殊配置。

5.3.1試樣采集和傳輸

在滿足5.1節(jié)采樣點要求的前提下，采樣探頭選用電加熱式自動控溫取樣探頭，在煙囪中不斷地通過加熱探頭提取試樣，探頭帶有2～5 μm過濾器，同時帶有校準接口、吹掃接口、煙氣截止閥等，具有故障報警功能，異常狀態(tài)下自動停止采集樣氣。采樣探頭后端連接電伴熱樣氣傳輸管線，試樣傳輸管線內包覆的氣體傳輸管至少為2根，1根用于試樣氣體的采集傳輸，另1根用于標準氣體的全系統(tǒng)校準，樣氣傳輸管線加熱溫度在140 ℃以上，保證高于煙氣露點溫度，防止水蒸氣產生冷凝，將高溫高濕的樣氣輸送至樣品預處理單元。

5.3.2樣品預處理

樣品預處理系統(tǒng)完成樣氣的凈化、除塵、除濕，同時進行壓力、流量和溫度的調整，將符合要求的樣氣持續(xù)傳輸至煙氣組分分析儀表，主要包括除濕單元、耐腐采樣泵、精細過濾器、中心反吹單元等。針對廢液焚燒爐排放煙氣濕度大的特點，為了減少樣氣中低濃度SO2溶于水造成的損失，在預處理系統(tǒng)中增加動態(tài)磷酸滴定裝置，通過在冷凝器中滴入磷酸，磷酸電離出的H+有效地抑制H2SO3的產生，從而降低了SO2溶于水的量；兩級除濕后煙氣露點降到2～3 ℃，經采樣泵采出后通過氣溶膠過濾器去除樣氣中的液滴，并進一步除塵，過濾精度小于1 μm；為了進一步降低樣氣的露點溫度，使其與標氣的露點溫度一致，樣氣經過Nafion管干燥器進一步除水，最后通過膜式過濾器進一步精過濾，過濾精度小于0.1 μm，使得樣氣滿足分析儀表的測量要求。

5.3.3分析儀表

基于冷/干完全抽取測量方式的SO2和NOx在線分析技術主要有非分散紅外吸收法和非分散紫外吸收法，兩者都是屬于基于朗伯-比爾定律的吸收光譜法，分別通過測量氣態(tài)污染物對于非分散型紅外光和紫外光特征光譜的吸收來連續(xù)檢測其濃度。相比于非分散紅外吸收法，非分散紫外吸收法在SO2和NOx的在線監(jiān)測中的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在如下幾個方面： 紫外光波長較短，吸收能力強，靈敏度更高，可以獲得更低的檢測限；紫外光譜不受水汽的影響，可以較好地避免煙氣中H2O等組分的干擾；可對NO2直接測量，不需要加裝NO2-NO轉換器。針對廢液焚燒爐煙氣的特點，煙氣含水量大，且氣態(tài)污染物濃度較低，顯然選擇非分散紫外吸收法測量低濃度的SO2和NOx更為適合。

5.4 煙氣排放參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)

煙氣排放參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)用于氣態(tài)污染物排放速率及排放量的計算，以及排放狀態(tài)的轉換折算(濕基/干基)等，HJ 76—2017中要求測量的煙氣參數(shù)包括煙氣含氧質量濃度、煙氣流速、煙氣溫度、煙氣壓力以及煙氣濕度。煙氣溫度和壓力的測量技術已經很成熟，溫度測量常用熱電阻和熱電偶，壓力測量常用壓力變送器，測量煙氣溫度和壓力的目的之一是為了配合測流速，在煙氣參數(shù)監(jiān)測中通常將煙氣溫度、壓力和流量測量三位一體化，測量煙氣溫度和壓力的另一個目的是用于計算標準狀態(tài)下干煙氣的排放值。

5.4.1煙氣含氧量

CEMS常用的煙氣含氧量的在線測量儀器有氧化鋯氧分析儀(直插式和抽取式)、電化學燃料電池氧分析儀及順磁氧分析儀等。在抽取式CEMS中，通常采用直插式氧化鋯分析儀測量濕煙氣中氧質量濃度，或者在多組分分析儀模塊中增加順磁氧分析儀或電化學氧分析儀測量干煙氣中的氧質量濃度。考慮到廢液焚燒爐的煙氣溫度較低，不適合使用氧化鋯分析儀測量，綜合考慮成本等因素，可選擇電化學燃料電池氧分析儀測量廢液焚燒爐排放煙氣中的氧質量濃度。

5.4.2煙氣流速

CEMS常用的煙氣流速測量方法有壓差法、超聲波法和熱平衡法。壓差法流速測量儀表主要有皮托管流量計，超聲波法流速測量儀表主要有超聲波流量計，熱平衡法流速測量儀表主要有熱式氣體質量流量計。三種測量儀表的優(yōu)缺點比較見表4所列[8]。廢液焚燒爐煙氣流速測量選用皮托管流量計測量流速，可以滿足相關標準對其測量準確度的要求，但應設計反吹裝置定期對皮托管測量孔反吹，避免煙塵的堵塞和腐蝕。

表4 常用流速監(jiān)測技術比較

5.4.3煙氣濕度

相比于HJ 76—2007，新的環(huán)保標準HJ 76—2017要求煙氣濕度必須在線監(jiān)測，不能手動輸入。煙氣濕度的在線監(jiān)測方法主要有濕敏電容法和干濕氧測定法，通過利用氧化鋯分析儀測量干濕氧從而計算濕度的方法在國外應用較為普遍，而在國內濕敏電容法應用較為廣泛，主要原因有： 近年來濕敏傳感器的耐腐蝕技術不斷提高，其用于測定煙氣濕度的方法得到推廣；相比于干濕氧測定法儀表，濕敏電容法儀表成本較低，國內具有環(huán)保認證(CCEP)的產品更多。廢液焚燒爐煙氣濕度測量可采用濕敏電容法。

5.5 數(shù)據采集和處理子系統(tǒng)

數(shù)據采集和處理子系統(tǒng)用于采集、處理和存儲監(jiān)測數(shù)據，按照HJ 75—2017要求進行數(shù)據的換算、統(tǒng)計、存儲、顯示，按照環(huán)保部門規(guī)定的格式、內容和時間將數(shù)據傳送到環(huán)保部門的監(jiān)控中心。監(jiān)測數(shù)據同時以4～20 mA(DC)信號輸出到DCS，并通過RS-485通信接口與DCS通信。數(shù)據采集和處理子系統(tǒng)同時應有與當?shù)丨h(huán)保部門監(jiān)控中心傳輸數(shù)據的接口，目前較多采用GPRS或者CDMA的傳輸方式，其數(shù)據傳輸應符合HJ/T 212—2017數(shù)據傳輸標準[11]。

6 結束語

伴隨著環(huán)保排放控制標準要求越來越嚴格，超低排放工況已成為新常態(tài)，而環(huán)保監(jiān)測技術標準的不斷提高也對CEMS的設計選型提出了新的要求。PO/SM裝置廢液焚燒爐CEMS設計的關鍵在于充分分析其煙氣排放特點及技術條件的基礎上，選擇合適的測量方式和測量技術，進行針對性取樣處理系統(tǒng)設計，從而有效地解決高濕度下低濃度顆粒物和氣態(tài)污染物監(jiān)測難點問題；同時在CEMS工程設計中還應充分考慮成本因素，在滿足相關標準技術要求的同時應為工程項目提供經濟實用的CEMS。