楊銀仁

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

圖1 2008～2013年中國(guó)煤炭消費(fèi)曲線示意

中國(guó)的大氣污染主要以煤煙型污染為主，其主要污染物是SO2，NOx和煙塵，該污染狀況與國(guó)內(nèi)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[1]。2008～2013年間煤炭消費(fèi)態(tài)勢(shì)如圖1所示[2],根據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的2013年年度報(bào)告，全國(guó)煤炭產(chǎn)銷量總計(jì)3.61×103Mt左右，約占世界煤炭總消費(fèi)量的50%。煤炭的大量消費(fèi)伴隨而來的是污染物的大量排放。在燃煤電廠設(shè)置煙氣連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)，并與當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門在線通信聯(lián)系，一方面可有效控制污染物的排放，另一方面為政府控制環(huán)境污染提供依據(jù)。

1 CEMS的組成

電廠的CEMS由顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，煙氣排放參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理子系統(tǒng)等組成，參照HJ/75—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》。顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要用來監(jiān)測(cè)煙塵濃度、汞濃度和排放量；氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要用來監(jiān)測(cè)SO2，NOx等污染氣體的濃度和排放量；煙氣排放參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)用來測(cè)量煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流速或流量、煙氣含水量、煙氣含量等參數(shù)，CEMS組成如圖2所示，圖2中虛線表示任選一種氣體參數(shù)測(cè)量?jī)x和氣態(tài)污染物CEMS。

圖2 CEMS組成示意

2 氣態(tài)污染物取樣方法及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

CEMS根據(jù)采樣方式的不同可分為直接測(cè)量采樣法、稀釋采樣法和直接抽取法。氣態(tài)污染物在不同環(huán)境(溫度、壓力、濕度)具有不穩(wěn)定、腐蝕性等特點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)使用習(xí)慣的不同，決定了氣態(tài)污染物的采樣方法。

2.1 直接測(cè)量采樣法

直接測(cè)量采樣法指所有分析部件均安裝在現(xiàn)場(chǎng)的煙囪或煙道上，直接對(duì)煙囪或煙道中的氣體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)，無需采樣，不必進(jìn)行樣氣預(yù)處理，瞬時(shí)性強(qiáng)，無需管線，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；但由于安裝于現(xiàn)場(chǎng)，儀表工作環(huán)境差、不便于維修、儀表光源使用壽命短、測(cè)量精度低、維護(hù)工作量大等，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。

2.2 稀釋采樣法

稀釋采樣法是將除塵后的取樣煙氣用大量的干燥純凈空氣按100～250倍比例稀釋后，使樣氣的露點(diǎn)溫度遠(yuǎn)低于室溫(一般-30 ℃以下)，再送至微量分析儀進(jìn)行分析，分析結(jié)果乘以稀釋比，得到檢測(cè)值。稀釋法通過采用臨界孔技術(shù)保證稀釋比。稀釋法的主要優(yōu)點(diǎn)是： 樣氣稀釋后降低了煙氣露點(diǎn)，傳輸管道不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露和堵管現(xiàn)象，防止了煙氣中的水汽凝結(jié)造成溶解性污染物的成分損失；避免了酸性凝結(jié)水腐蝕管道引起的故障，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性；儀器維護(hù)工作量?。徊恍枰獰煔忸A(yù)處理裝置，操作簡(jiǎn)便。稀釋法的主要缺點(diǎn)是： 由于樣氣未除去水分，為濕法測(cè)量，結(jié)果需修正；需用微量分析儀，精度要求高，降低靈敏度，誤差增大；需要配套空氣凈化裝置，系統(tǒng)價(jià)格較高。

2.3 直接抽取法

直接抽取法又稱加熱管線法，是通過加熱管對(duì)抽取的已除塵的煙氣進(jìn)行保溫，保持煙氣不結(jié)露，經(jīng)除塵干燥裝置、冷凝除濕預(yù)處理裝置后再送至分析儀。直接抽取法由于存在脫水過程，對(duì)煙氣中濃度較低且易溶于水的 HCl，NH3， H2S 等成分無法測(cè)量，因此不能用于垃圾焚燒發(fā)電廠的煙氣監(jiān)測(cè)中。直接抽取法適用于煙氣除塵效果好的場(chǎng)合，其主要優(yōu)點(diǎn)是： 由于樣氣中去除了水分，為干氣測(cè)量，不需要修正；用常量分析儀監(jiān)測(cè)，精度可靠；無需稀釋氣，維修費(fèi)用和系統(tǒng)價(jià)格均較稀釋法低。直接抽取法的主要缺點(diǎn)是： 需要伴熱系統(tǒng)；需要采樣泵和預(yù)處理裝置。對(duì)于電廠的脫硫系統(tǒng)過程控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)，高溫處理的直接抽取法是最適合的方法。

直接抽取法是目前國(guó)內(nèi)CEMS最常采用的方法。

3 CEMS選型中應(yīng)注意的問題

3.1 煙氣中水分的干擾問題

煙氣中的水分會(huì)吸收一部分被檢測(cè)的氣體，包括NOx和SOx,使實(shí)際測(cè)量值偏低。因此，系統(tǒng)采用多級(jí)冷凝技術(shù)來解決該問題。主要包括以下幾個(gè)方面：

1)第一級(jí)冷凝。煙氣取樣口至CEMS分析小屋的距離通常在20 m以上，經(jīng)過環(huán)境溫度的熱交換，煙氣冷卻至環(huán)境溫度，即保持前置冷凝器前采樣管線的一定斜度和長(zhǎng)度(2 m左右)。

2)第二級(jí)冷凝。煙氣冷卻至低于環(huán)境溫度5 ℃，即前置冷凝器的設(shè)計(jì)溫度低于環(huán)境溫度5 ℃。

3)第三級(jí)冷凝。煙氣冷卻至分析所需的溫度，同時(shí)也達(dá)到除濕的目的。

3.2 煙氣中的SO3帶來的高腐蝕問題

鍋爐燃料中所含的硫在燃燒過程中會(huì)生成SO2，其中有部分可能轉(zhuǎn)化成高價(jià)氧化物。雖然SO2在潔凈干燥的大氣中氧化成SO3的過程是很緩慢的，但是在相對(duì)濕度較大，特別是在有顆粒物存在時(shí)，可發(fā)生催化氧化反應(yīng)，從而加快生成SO3。鍋爐裝置為了滿足環(huán)保的要求，盡管都會(huì)設(shè)置脫硫環(huán)節(jié)，濕法和半干法脫硫后的煙氣中水分含量是相當(dāng)高的，這時(shí)SO3如果溶于水時(shí)會(huì)放出大量的熱，使液態(tài)的水蒸發(fā)成水蒸氣，SO3與煙氣中的水蒸氣反應(yīng)生成含有硫酸的細(xì)小顆粒狀酸霧，在一定濃度下會(huì)嚴(yán)重腐蝕金屬管件，造成氣路管路漏氣、分析儀測(cè)量池污染、部件損壞等。在選型時(shí)可選用以硅藻土為填充劑的霧吸收器，這樣更能有效地去除和吸收SO3，干燥樣氣，降低腐蝕性，減少維護(hù)量。同時(shí)，霧吸收器在CEMS中過濾其他粉塵顆粒，能保證采樣泵、分析儀等重要部件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)裝置生命周期。

4 CEMS的設(shè)置

CEMS的設(shè)置既要達(dá)到HJ/T 75—2007的要求，又要盡可能地節(jié)約投資。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有電廠鍋爐的統(tǒng)計(jì)和作者的工程經(jīng)驗(yàn)，推薦CEMS的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置和監(jiān)測(cè)內(nèi)容見表1所列。

表1 CEMS的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置和監(jiān)測(cè)內(nèi)容

續(xù)表1

5 CEMS安裝位置特殊要求

5.1 工藝安裝要求

1)采樣或監(jiān)測(cè)平臺(tái)易于人員到達(dá)，有足夠的空間，便于維護(hù)和對(duì)比監(jiān)測(cè)。當(dāng)采樣平臺(tái)設(shè)置在高于地面5 m以上的位置時(shí)，應(yīng)有通往平臺(tái)的“Z”字梯/旋梯/升降梯。

2)取樣點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先選擇在垂直和煙道負(fù)壓區(qū)域。

3)對(duì)于顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)置在距離彎頭、閥門、變徑管等部件下游方向4倍煙道直徑(對(duì)于矩形煙氣管道指當(dāng)量直徑)，以及距離上述部件上游方向不小于2倍煙道直徑處。

4)對(duì)于氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)置在距離彎頭、閥門、變徑管等部件下游方向2倍煙道直徑(對(duì)于矩形煙氣管道指當(dāng)量直徑)，以及距離上述部件上游方向不小于0.5倍煙道直徑處。

5)每臺(tái)固定污染源排放設(shè)備應(yīng)安裝1套CEMS。

6)如果由多條煙道并入1根固定污染源的總管時(shí)，應(yīng)將CEMS安裝在該固定污染源的總管上。不得只在其中1個(gè)煙道上安裝1套CEMS，然后將測(cè)定值的倍數(shù)作為整個(gè)污染源的排放結(jié)果，但允許在每個(gè)煙道上安裝相同的CEMS，測(cè)定值匯總后作為該源的排放結(jié)果。

7)某些企業(yè)或省市環(huán)保部分對(duì)CEMS安裝有特殊要求，在不與HJ/T75—2007中安裝要求矛盾的前提下，應(yīng)滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的要求。

5.2 儀表安裝要求

CEMS的測(cè)量點(diǎn)至少應(yīng)符合下列條件之一：

1)顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)離煙道壁的距離不小于煙道直徑的30%，氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、氧氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及流速連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)離煙道壁距離不小于1 m。

2)測(cè)量點(diǎn)位于或接近煙道斷面的中心區(qū)。

氣態(tài)污染物采樣探頭需要帶吹掃和伴熱設(shè)施，采樣管線采用一體化的伴熱采樣管，并能做到自限溫。采樣管線的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地短，以減小整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)滯?？紤]到檢修的需要，采樣管線和其他連接煙囪和地面分析儀的管欄均需考慮順著爬梯外緣敷設(shè)，可設(shè)1路橋架使各類線路顯得更整齊。激光粉塵儀也需要帶吹掃保護(hù)，一方面清潔鏡頭，而另一方面能有效降低鏡頭表面的溫度。熱式質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)安裝在上游側(cè)，從上游至下游，儀表順序依次為： 采樣探頭—流速以及溫度檢測(cè)—氧化鋯—壓力—粉塵儀。煙囪直徑較大，可在其四周分別布置以上測(cè)點(diǎn)，以避免各參數(shù)相互干擾。

根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》規(guī)定： 固定污染源煙氣凈化設(shè)備設(shè)置不允許設(shè)煙道旁路，對(duì)較早前建成的固定污染源煙氣凈化設(shè)備設(shè)置帶有旁路煙道的，應(yīng)在旁路煙道內(nèi)增設(shè)煙氣流量連續(xù)計(jì)量裝置。濕法脫硫裝置后未安裝煙氣氣—?dú)鈸Q熱器(GGH)的煙道內(nèi)，顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可安裝在脫硫裝置前的管段中，其實(shí)際排放濃度值可通過計(jì)算得到。通常環(huán)保部門在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)使用的儀器需要供電，因此需要在檢測(cè)平臺(tái)上設(shè)置1路檢修電源，且電源及儀表設(shè)備至少應(yīng)滿足IP65防護(hù)和防雷要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

CEMS在電廠的鍋爐中得到了廣泛的應(yīng)用，為地方和國(guó)家控制煙氣污染物排放發(fā)揮了重要的作用，但CEMS設(shè)備的合理選型、儀表設(shè)備的正確安裝和維護(hù)對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性至關(guān)重要。要達(dá)到監(jiān)測(cè)污染物數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和保證儀表的長(zhǎng)周期運(yùn)行，除執(zhí)行《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》外，必須根據(jù)鍋爐煙氣處理方式、相關(guān)參數(shù)等合理選型CEMS。