喬海飛，裴友峰，史海超

（光大環(huán)保能源（衢州）有限公司，浙江 衢州 324000）

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，城市垃圾產(chǎn)量不斷增加，垃圾焚燒已經(jīng)成為未來一段時(shí)間我國垃圾處理的主要發(fā)展方向，隨著國內(nèi)各大環(huán)保集團(tuán)大力興建垃圾焚燒電廠，各種各樣的問題也隨之凸顯.

針對(duì)不同的工藝處理流程、處理手段，設(shè)備精細(xì)化運(yùn)行成為垃圾焚燒電廠運(yùn)營的關(guān)鍵所在。隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，在整個(gè)煙氣處理工藝流程中，在不同位置安裝煙氣監(jiān)測(cè)設(shè)備成為控制環(huán)保指標(biāo)的一種手段，對(duì)于原煙氣的監(jiān)測(cè)就是其中的一種方式，但是由于原煙氣組分及安裝位置的特殊性，對(duì)CEMS采樣系統(tǒng)的優(yōu)化改造也成為正確監(jiān)測(cè)原煙氣濃度的必要方法。

1 原煙氣在線監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 設(shè)備安裝位置及現(xiàn)狀

光大環(huán)保能源（衢州）有限公司采用傅里葉紅外變換原理對(duì)垃圾焚燒爐省煤器出口原煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，取樣系統(tǒng)設(shè)備安裝位置位于焚燒爐省煤器出口處，整套煙氣在線分析系統(tǒng)包括：分析儀機(jī)柜系統(tǒng)，采樣系統(tǒng)，預(yù)處理系統(tǒng)，加熱管線，數(shù)據(jù)采集記錄，工控機(jī)、壓縮空氣系統(tǒng)、氧量測(cè)量裝置等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)在省煤器出口管道安裝高溫加熱采樣探頭，通過全程加熱管線將原煙氣抽取到位于14米平臺(tái)的分析儀機(jī)柜系統(tǒng)中進(jìn)行分析測(cè)量，并將數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸至DCS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SO2，NOx、N2O、NO、NO2、CO、CO2、O2、HCL、HF、NH3、H2O等煙氣污染物濃度，系統(tǒng)采樣裝置采用180 ℃高溫加熱方法，保證所有和樣氣接觸的部件及相應(yīng)設(shè)備不受腐蝕。抽取式高溫型傅立葉在線紅外分析儀，通過伴熱管線將煙氣直接送入高溫型的分析儀中進(jìn)行測(cè)量。采樣管線從采樣探頭連接至分析儀，為連續(xù)長度的全加熱管線，加熱管線具有自動(dòng)溫度控制功能。所有安裝在煙道/煙囪內(nèi)的設(shè)備均具備有效的防腐、防塵措施。采樣管線、探頭、過濾器充分考慮垃圾焚燒工程工藝煙氣特點(diǎn)，具有高防堵能力[1]。

整套系統(tǒng)采用無任何運(yùn)動(dòng)部件的射流取樣技術(shù)，無移動(dòng)部件。系統(tǒng)配置儀配備空氣吹掃系統(tǒng)，能防止光學(xué)鏡頭、采樣探頭被污染，系統(tǒng)分析可用手動(dòng)或自動(dòng)方法進(jìn)行校準(zhǔn)。加熱爐與加熱采樣探頭直接連接，無冷凝點(diǎn)。高溫?zé)煔饨?jīng)過加熱粉塵過濾模塊的0.3微米粉塵過濾器，進(jìn)一步濾除煙氣中的細(xì)微粉塵，確保清潔的樣氣傳輸至分析儀。加熱粉塵過濾模塊直接與加熱采樣管線連接，內(nèi)置零氣和標(biāo)氣注入口，便于整體系統(tǒng)的標(biāo)定和檢驗(yàn)。由耐腐蝕材料制成的電磁閥控制采樣探頭和皮托管定期反吹，通過干觸點(diǎn)信號(hào)控制反吹和零氣/標(biāo)氣注入，也能夠以干觸點(diǎn)信號(hào)向分析儀控制機(jī)柜傳輸溫度控制報(bào)警信號(hào)等。采樣探頭、加熱采樣線或加熱粉塵過濾模塊溫度低于或超出設(shè)定值范圍，設(shè)備將自動(dòng)切換為反吹模式。

1.2 改造前存在的問題

系統(tǒng)改造前焚燒爐省煤器出口原煙氣污染物監(jiān)測(cè)采用單點(diǎn)取樣測(cè)量方式，但由于省煤器后原煙氣通往反應(yīng)塔的煙道較短，且取樣口前存在煙道縮徑，取樣口下游存在90°拐角煙道，導(dǎo)致煙道氣流存在渦流、紊流現(xiàn)象，使得同一監(jiān)測(cè)斷面流速場(chǎng)分布不均勻，單點(diǎn)取樣測(cè)量方式難以保證所測(cè)煙氣組分值代表斷面真實(shí)濃度。經(jīng)數(shù)月設(shè)備運(yùn)行維護(hù)發(fā)現(xiàn)，省煤器出口CEMS分析儀測(cè)量系統(tǒng)存在如下問題。

（1）因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)位于布袋除塵器之前，所以此位置煙塵含量高，造成采樣探頭使用一段時(shí)間后堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致分析儀系統(tǒng)抽取真空度降低，進(jìn)而產(chǎn)生報(bào)警，影響正常的測(cè)量分析。（2）取樣系統(tǒng)堵塞后無法通過正常的反吹進(jìn)行疏通，因粉塵濃度高且煙氣中含有一定水分，堵塞后無法通過高壓空氣進(jìn)行疏通。（3）維護(hù)周期短且維護(hù)困難，需每周開展探頭維護(hù)工作，造成運(yùn)維人員工作量增大，且此位置煙氣溫度高，環(huán)境溫度高，在正常生產(chǎn)狀態(tài)下，拆除探頭進(jìn)行維護(hù)的難度增大，每次拆除探頭維護(hù)工作需持續(xù)2～4小時(shí)。（4）因煙道氣流存在渦流、紊流現(xiàn)象，使得同一監(jiān)測(cè)斷面流速場(chǎng)分布不均勻，系統(tǒng)取樣點(diǎn)位于原煙氣煙道側(cè)面，所測(cè)煙氣經(jīng)與SCR入口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)省煤器出口CEMS設(shè)備測(cè)量結(jié)果偏低，此處取樣點(diǎn)所測(cè)煙氣濃度無法準(zhǔn)確反映原煙氣中的實(shí)時(shí)污染物濃度。

基于以上原因，需要對(duì)采樣系統(tǒng)中的采樣探頭安裝位置、安裝方式、結(jié)構(gòu)及相關(guān)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。通過參考手工網(wǎng)格多點(diǎn)采樣，在同一煙道斷面上布置多點(diǎn)網(wǎng)格流速在線取樣測(cè)量系統(tǒng)，并通過手工比對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證。比對(duì)結(jié)果表明：采用多點(diǎn)網(wǎng)格取樣系統(tǒng)所得斷面平均濃度能夠符合運(yùn)行監(jiān)控和環(huán)保監(jiān)測(cè)精度要求，能夠提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 采樣系統(tǒng)優(yōu)化及優(yōu)化方案

2.1 采樣系統(tǒng)的優(yōu)化

系統(tǒng)存在的問題均是因采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致出現(xiàn)無法正確測(cè)量的問題，系統(tǒng)的優(yōu)化主要針對(duì)采樣系統(tǒng)的改造。根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)有情況及存在問題，工作人員計(jì)劃從以下幾個(gè)方面對(duì)采樣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

（1）增大過濾器表面積，增強(qiáng)其過濾粉塵的能力，以延長設(shè)備使用時(shí)間，減少取樣系統(tǒng)管路堵塞情況的發(fā)生。（2）采樣探頭外部增加陶瓷保護(hù)套管，減少因煙氣粉塵沖刷帶來的探頭機(jī)械磨損，延長探頭使用壽命。（3）縮短取樣系統(tǒng)壓縮空氣吹掃時(shí)間，增加吹掃周期及頻次，采用壓縮空氣脈沖方式吹掃，提高吹掃效率及提升系統(tǒng)吹掃效果。（4）取樣系統(tǒng)改造為多點(diǎn)取樣并送至高溫混勻桶混勻后測(cè)量的方式，各取樣探頭進(jìn)行取樣后在混勻桶匯集，混合均勻后再送入傅里葉紅外檢測(cè)單元進(jìn)行測(cè)量，提高待測(cè)煙氣的代表性，同時(shí)三個(gè)取樣探頭可保障系統(tǒng)取樣的冗余性，單一探頭故障不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 采樣系統(tǒng)的優(yōu)化改造方案

2.2.1 增大過濾器表面積

因原煙氣成分復(fù)雜且煙氣未經(jīng)布袋除塵器脫離粉塵，故煙氣中粉塵濃度較高，所以需提高過濾器的過濾精度及材質(zhì)要求，改造后的采樣探頭采用雙級(jí)過濾，前端使用1微米過濾精度的316L不銹鋼過濾器，后端使用碳化硅材質(zhì)的非金屬過濾器，且兩種過濾器尺寸增加，增大了其與煙氣接觸的表面積，以提高粉塵過濾能力，同時(shí)延長過濾器的使用壽命。具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 改造后的過濾器

過濾器的表面積增大可提高采樣探頭抗粉塵的能力，同時(shí)改進(jìn)了過濾器的材質(zhì)，使得過濾器熱效應(yīng)和抗化學(xué)腐蝕能力增強(qiáng)，可有效延長探頭的使用周期，減少耗材的日常更換量。

2.2.2 采樣探頭外部增加陶瓷保護(hù)套管

因原煙氣粉塵濃度高，煙氣流速快，且粉塵具有刮削效應(yīng)，316L不銹鋼在此環(huán)境下長期使用，會(huì)導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)遭到破壞，增大探頭損壞或者斷裂的概率，所以在探頭外部增加陶瓷護(hù)套，可以有效保護(hù)探頭的金屬結(jié)構(gòu)且延長探頭的使用壽命。采樣探頭整體采用耐腐蝕性能優(yōu)異的316L材料制成，加熱原件采用具有防水特性的柔性金屬加熱材料，在潮濕的煙氣環(huán)境中具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和安全性。探頭前端配備防塵罩，煙氣經(jīng)過第一級(jí)1微米不銹鋼燒結(jié)粉塵過濾器進(jìn)入第二級(jí)煙氣預(yù)處理箱，可以有效濾除煙氣中的絕大多數(shù)粉塵，結(jié)合定期高壓自動(dòng)反吹功能，維護(hù)量低。探頭工作時(shí)加熱溫度為180 ℃，高于煙氣中各氣體組分的冷點(diǎn)，無冷凝損失。采用PID方式控制加熱溫度，具有良好的溫度穩(wěn)定性[2]。

2.2.3 優(yōu)化吹掃方式

位于煙囪的煙氣實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備一般采用空氣吹掃，吹掃周期為2～3小時(shí)，每次吹掃持續(xù)1分鐘，因煙囪內(nèi)的凈煙氣經(jīng)過布袋除塵器后粉塵濃度已經(jīng)達(dá)到國家環(huán)保法規(guī)要求的最低限制，所以這種吹掃方式甚至不吹掃都不會(huì)造成探頭的過快堵塞，但因原煙氣監(jiān)測(cè)設(shè)備位于布袋除塵器之前，煙塵濃度可以達(dá)到5 g/m3甚至更高，所以常規(guī)的吹掃方式和吹掃壓力無法發(fā)揮有效的吹掃功能，此處優(yōu)化增加吹掃控制小板，通過此電路板可以設(shè)置吹掃的周期及吹掃持續(xù)時(shí)間。電路板通過發(fā)出脈沖控制信號(hào)控制吹掃電磁閥進(jìn)行脈沖開閉，可以使吹掃空氣壓力不停地產(chǎn)生突變，同時(shí)在探頭端增加緩沖罐，使吹掃空氣壓力可以瞬間達(dá)到最大，大大提升吹掃的效果[3]。

2.2.4 改造多點(diǎn)取樣系統(tǒng)

按照《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 75-2017）[4]中7.1.2.2對(duì)采樣點(diǎn)位置的要求，測(cè)定位置應(yīng)避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。對(duì)于圓形煙道，顆粒物CEMS和流速CMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向≥4倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向≥2倍煙道直徑處；氣態(tài)污染物CEMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向≥2倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向≥0.5倍煙道直徑處，當(dāng)無法找到滿足7.1.2.2的采樣位置時(shí)，應(yīng)盡可能選擇在氣流穩(wěn)定的斷面安裝CEMS采樣或分析探頭，并采取相應(yīng)措施保證監(jiān)測(cè)斷面煙氣分布相對(duì)均勻，斷面無紊流。省煤器出口采樣管道走向不均勻，且安裝平臺(tái)位置不一定能完全滿足上述要求，所以在只有一根采樣探頭的情況下，往往會(huì)因?yàn)槲闪鞯拇嬖冢斐蔁煔饬鲃?dòng)不規(guī)律，使得測(cè)量結(jié)果與實(shí)際偏差較大，且趨勢(shì)無規(guī)律，跳動(dòng)嚴(yán)重。通過增加采樣點(diǎn)的方式，同時(shí)使用高溫采樣泵按照相同流量抽取煙氣，最后在混勻罐中混勻后進(jìn)行測(cè)量，可以在很大程度上提高煙氣測(cè)量的準(zhǔn)確性。

改造后的取樣系統(tǒng)由以下幾部分組成：采樣探頭、加熱爐、高溫采樣泵、混勻罐、壓力傳感器、取樣管線等，加熱爐與加熱采樣探頭直接連接，無冷凝點(diǎn)。高溫?zé)煔饨?jīng)過加熱粉塵過濾模塊的0.3微米粉塵過濾器，進(jìn)一步濾除煙氣中的細(xì)微粉塵，確保將清潔的樣氣傳輸至分析儀。加熱粉塵過濾模塊直接與加熱采樣管線連接，內(nèi)置零氣/標(biāo)氣注入口，便于整體系統(tǒng)的標(biāo)定和檢驗(yàn)。由耐腐蝕材料制成的電磁閥控制采樣探頭和皮托管定期反吹，通過干觸點(diǎn)信號(hào)控制反吹和零氣/標(biāo)氣注入，也能夠以干觸點(diǎn)信號(hào)向分析儀控制機(jī)柜傳輸溫度控制報(bào)警信號(hào)等。采樣探頭、加熱采樣線或加熱粉塵過濾模塊溫度低于或超出設(shè)定值范圍，設(shè)備將自動(dòng)切換為反吹模式。其中采樣探頭共三個(gè)，分別安裝在省煤器管道的三個(gè)位置，如圖2所示。

圖2 改造后取樣點(diǎn)布置圖

煙氣通過加熱管線連接進(jìn)入混勻采樣箱，通過加熱采樣泵驅(qū)動(dòng)方式，將煙氣經(jīng)全程加熱的取樣管路抽取到混勻罐中。取樣管路由自由彎曲的熱導(dǎo)體與聚四氟乙烯管均勻纏繞起來，再通過鍍鎳銅線編織的外殼起到絕緣作用。這樣的熱導(dǎo)體編織物起到對(duì)導(dǎo)體的保護(hù)作用，保證了至軟管編織物上的最佳熱傳輸效果。外側(cè)的機(jī)械防護(hù)殼由編織的外套或者可彎曲的褶皺外套組成。管線的兩端都配有專門的硅膠帽，這種硅膠帽耐高溫，可以在移動(dòng)時(shí)對(duì)管線起到保護(hù)作用。管線帶有一個(gè)內(nèi)置的溫度傳感器。

加熱采樣泵、混勻罐與煙氣接觸的部分均進(jìn)行180 ℃加熱處理，確保進(jìn)入的煙氣無冷點(diǎn)，不會(huì)造成管道腐蝕?；靹蛳渲忻柯凡蓸釉O(shè)有壓力傳感器，通過PLC監(jiān)控三路壓力數(shù)值，確保管路沒有堵塞，如圖3。

圖3 混勻裝置示意圖

系統(tǒng)機(jī)柜中的PLC系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)混勻裝置加熱溫度、混勻罐壓力，控制每路采樣泵的啟停；分別對(duì)每路采樣系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)維護(hù)，而不影響其他采樣設(shè)備工作，控制每路系統(tǒng)單獨(dú)反吹。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可存儲(chǔ)海量歷史數(shù)據(jù)，全中文數(shù)據(jù)采集和報(bào)告軟件，可顯示存儲(chǔ)干基或濕基測(cè)量數(shù)據(jù)；設(shè)定并存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)；自動(dòng)計(jì)算煙氣排放總量及煙氣監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等；可顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線；具備完全的遠(yuǎn)程仿真控制功能；具有基于Internet或局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)布功能；系統(tǒng)能進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、存貯、事件分類處理、數(shù)據(jù)合理性檢查和刪除指定記錄等功能，具有良好的可靠性、可維修性、可擴(kuò)性。

除系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件外，還配置有線故障診斷和殺毒軟件等。系統(tǒng)具有多級(jí)安全認(rèn)證功能（設(shè)置密碼進(jìn)入），硬件能存貯不低于3年的監(jiān)測(cè)小時(shí)平均值、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)工況等參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠按日期和時(shí)間段的選擇追憶各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史趨勢(shì)，并能檢索、打印或在屏幕上顯示出來。屏幕具有漢字顯示的功能，并能顯示圖形、表格、曲線、條形圖或棒狀圖等；畫面能顯示過程變量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；能自動(dòng)或根據(jù)指令生成運(yùn)行參數(shù)報(bào)告、數(shù)據(jù)報(bào)告、掉電記錄報(bào)告和操作記錄報(bào)告等；能自動(dòng)生成有關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及排放量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的報(bào)表，并可打印輸出；具有顯示、打印、聲音超限報(bào)警（異常報(bào)警）和事故報(bào)警信號(hào)功能。

儀器具有對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的功能。預(yù)留與當(dāng)?shù)丨h(huán)保監(jiān)測(cè)部門進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的接口，根據(jù)項(xiàng)目所在地環(huán)保局提供的傳輸協(xié)議編制程序、配置接口，發(fā)送數(shù)據(jù)到項(xiàng)目所在地環(huán)保局指定的接收設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。所有監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)可接入DCS中，同時(shí)可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入LED大屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，支持Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。提供給招標(biāo)方的信號(hào)，每個(gè)測(cè)量值都有4～20 mA的隔離信號(hào)輸出，可接受開關(guān)量輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程投（樣氣采樣）切（零氣采樣），以便在工藝條件不佳時(shí)保護(hù)本系統(tǒng)，切換方式為人工切換。儀器送出報(bào)警信號(hào)的同時(shí)，可接受遠(yuǎn)程信號(hào)投切本系統(tǒng)有關(guān)部件，以便工藝條件不佳時(shí)保護(hù)本系統(tǒng)。HF、HCl、CO、CO2、SO2、H2O、NOx、O2等組分值的信號(hào)輸出均換算成壓力為101325 Pa、溫度為273.15 K、氧含量為11%標(biāo)準(zhǔn)條件的干煙氣值。

3 結(jié)語

光大環(huán)保能源（衢州）有限公司省煤器出口CEMS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣系統(tǒng)改造完成后，至今未發(fā)生探頭堵塞的情況，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，基本消除了之前數(shù)據(jù)跳動(dòng)、變化幅度劇烈的問題，設(shè)備維護(hù)量明顯減少，取得了較好的改造效果。