CEMS在丙烯腈装置废水焚烧炉中的应用

俞景林

(上海蒙福陇化学工程有限公司，上海 200030)

CEMS在丙烯腈装置废水焚烧炉中的应用

俞景林

(上海蒙福陇化学工程有限公司，上海 200030)

烟气排放连续监测系统(CEMS)作为烟气污染物排放监测的一个重要手段，在化工行业中已经得到越来越广泛的应用。结合某丙烯腈装置废水焚烧炉中CEMS的应用实例，从工程设计的角度介绍CEMS的组成、工作原理、相关配置以及选型过程中需注意的相关问题。通过对CEMS的合理应用，不仅能够实时地监测烟气排放的各项指标，在一定程度上还可以作为装置操作人员及工程师优化工艺及设备操作的参考。

烟气排放连续监测系统 废水焚烧炉 采样 预处理

烟气污染物主要是指烟尘颗粒物、SO2和NOX。烟气中的颗粒物大量排入大气将对大气造成严重污染，其中颗粒物中的PM2.5，即粒径小于等于2.5 μm的颗粒为可吸入颗粒物，吸入人体后容易导致气管炎、肺功能下降等疾病，严重危害人体健康。目前国内大气污染形势非常严峻，所以对化工厂、火电厂等的烟气排放连续监测CEM(continuous emission monitoring)是治理大气污染工程中必不可少的环节；并且它的监测数值也可以作为装置操作员和工程师优化工艺和设备操作的参考数值，使装置的排放保持在相关法律规定的限值内，同时还可以降低运行成本，节能减耗。笔者通过烟气排放连续监测系统(CEMS)在某丙烯腈装置废水焚烧炉中的应用，对CEMS的工程设计进行简要说明。

1 装置特点

丙烯腈装置在操作工况和事故工况下将排出有毒的废液和废气，在一定程度上会造成环境污染。为了满足环保要求，必须对含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、一氧化碳、二氧化碳等组分的有毒废液和废气进行处理。因此，在该项目中必须在装置下游引入废液焚烧炉，把上述的有毒排放物送到焚烧炉中燃烧，并利用废热锅炉回收热能，在焚烧炉尾端设置有50 m高的烟囱。由于该装置焚烧物的介质较为复杂，在焚烧过程中可能会产生一定量的粉尘，SO2，CO，NOX，为保证污染物的排放不超过表1中所列的环境标准指标，该装置引入CEMS来监测排放将尤为重要，这不仅是作为该装置焚烧炉运行的重要考核指标，也是作为装置操作人员及工程师优化工艺和设备操作的重要参考数据，最终防止在废水处理过程中对环境造成二次污染。

表1 主要污染物排放指标

2 CEMS的系统组成及工作原理

2.1 CEMS组成及类型

CEMS主要由颗粒物监测子系统，气态污染物监测子系统，烟气排放参数测量子系统，数据采集、传输与处理子系统等组成。通过采样和非采样方式，测定烟气中颗粒物浓度、气态污染物浓度，同时测量烟气温度、压力、流速或流量、 含氧量等参数；计算烟气中污染物浓度和排放量；显示和打印各种参数、图表，并通过数据、图文传输系统传输至固定污染源监控系统[1]。

根据烟气的采样及监测方式，CEMS大致可分为如下几类： 抽取采样系统、原位测量系统、遥测系统、参数测量系统[2]。目前国内最为常用的是抽取采样和原位测量两种分析方式。在该项目中，根据烟气的特点，对粉尘监测采用原位测量，对其余污染物的测量采用抽取采样的方式，由于烟气的温度较高，并且含有一定的湿气和粉尘，因而在使用抽取采样测量系统时，样气抽取后应先进入样品预处理系统再送到分析仪表进行测量。

2.2 烟气参数测量

烟气参数主要包括烟气流速、温度、压力等，利用这些参数测量标准状态下烟气的流量，以便计算烟囱的排污总量[2]。该装置的烟气参数见表2所列。

表2 烟气参数

烟气流速一般可采用压差法、热传感法、超声波法测量。本文采用皮托管流量计，利用压差法对烟气流量进行测量。它采用线测量，即在同一侧测量多个点位的压力，将压力平均后，送至压差变送器中，测量出流量，避免了点测量法以点代表整个截面的测量方法，消除了测点断面处烟气流量不稳定所造成的数据波动。另外由于皮托管独特的粗管和细管设计，细管正对烟气流速的方向，粗管背对烟气流速的方向，会最大限度地减小由于烟气的紊流带来的干扰。为了延长设备的使用寿命，皮托管材质采用316耐酸不锈钢，同时为了防止皮托管测量孔堵塞，皮托管应带自动反吹装置。

2.3 烟气采样及预处理

系统采用完全抽取方式，用气体采样探头采集待检测的试样，通过气体探头内的初级过滤器，先除去比较大的灰尘。该装置采样探头内部带有40 μm的不锈钢过滤器，能够最大限度地防止探头堵塞。探头带有自动反吹功能，能够定期清洗管路和采样器部分，延长了维护周期。在采样时如果过滤器上附有水分，过滤器马上会被堵塞，同时使SO2气体溶解损失，因而需预先将进入的待测气体加热到高温。另外，在测定所含SO2，NOX气体成分时，为了使从采样探头到主机机箱间的特氟龙导管内不出现水分，对采样管线也必须进行加热，然后把待测试样导入到主机机箱。

从气体入口进入主机的试样通过排液分离器冷却到机箱内部温度，分离出气体中的水分，再经过前冷却器除湿，排液分离器及前冷却器中产生的水分经排液器排出。试样在经过NO2-NO转换器、雾吸收器、过滤器后，通过电磁阀被抽气泵吸取。这时试样在其后的针形阀流出时，被分成样品线和旁路线2条分支线路，在样品线中的试样接着进入冷却器，被冷却到2℃，分离出水分，使试样中所含水体积分数保持在2℃饱和状态，然后通过电磁阀导入到分析仪，在其中依次通过非分散红外线分析器、O2磁风仪进行检测分析，最后排到机箱外部。

2.4 分析仪器的测量原理

CEMS分析仪器的测量技术主要有吸收光谱法、发光法、电化学分析法、顺磁法、催化量热法及光散射法等。该装置CEMS主要采用吸收光谱法中的非分散红外吸收法原理测量烟气中的SO2，NOx及CO；利用顺磁原理测量烟气中的氧含量。

2.4.1 非分散红外吸收法原理

根据在2.5～12.0 μm波长范围由异种原子构成的分子气体固有的吸收特性，即在该波长范围内分子存在固有的振动现象，在特定波长下的分子振动引起光谱的吸收，除了惰性气体或N2，H2，O2等气体(由2个同种原子构成)之外，大部分的气体分子都有特定的吸收光谱，红外光在样品池被吸收，吸收的定量关系与朗伯(Lambert)/比耳(Beer)定律一致。

由光源发出的红外光经斩光器，交替通过样品池和参比池，然后进入检测器，在参比池内封入的是N2或空气，所以对红外光没有吸收，当红外光通过参比池时在检测器得到的信号与光源发出的信号相同；而当红外光通过样品池时，试样中含有的待测成分对红外光有吸收，在检测器得到的信号与待测成分体积分数成比例，因而可以根据标气时的参比信号和试样信号的比例，同时根据满量程气体时的参比信号和样品池信号的比例计算出体积分数，其中比较信号可以起到监视器的作用，随时对由于光源或检测器的灵敏度变化而引起的误差进行校正，从而保证得到稳定可靠的测量数据。

2.4.2 烟气含氧量测定原理

O2分子具有在磁场作用下易于磁化的性质，特别是O2分子的永磁化性比其他气体分子大得多，O2分析仪利用该特性进行测定。分析仪的测定部分采用两个形状相似的小室，在两个小室内各插入1根加热丝，另外只在试样测定一侧加强磁场，将待测的试样导入两个小室，引起O2分子被磁化，同时由于加热丝的作用会使磁化率减小，形成连续的气体流(磁力风)，该磁力风的强度与O2体积分数成一定比例，而且会使加热丝冷却，在样品侧和参比侧的2根加热丝组成1个惠斯顿电桥，由于磁力风的作用使电桥的电阻发生变化，利用不平衡电压测定O2的浓度。

2.4.3 激光粉尘仪工作原理及结构简述

在线烟尘监测仪最常使用的是光学方法，按原理分为浊度法测量和激光散射法测量两种。前者适合于较高质量分数的测量，后者适合于低质量分数的测量，文中以西克麦哈克的FW300系列测尘仪为例。FW300采用单光路双光程的测量方案。在双光程仪器中光穿过烟囱两次，其测量效果能增加一倍。双光程仪器用反射镜代替接收器部件。将光源和接收器放在一个壳体中有许多优点，最重要的是发射光源和接收光的检测器是在同一个温度下运行的，这样克服了在单检测器系统中热飘移的影响，后者需要对测量进行额外的温度补偿。双光程显示最高的精度，可考虑作为标准。

3 烟气对CEMS的影响

3.1 烟气中的SO3带来的高腐蚀问题

在丙烯腈装置生产过程中产生的废水含有一些硫化物，其在燃烧时，主要生成SO2，但是其中有1%～5%可能氧化成SO3。虽然SO2在洁净干燥的大气中氧化成SO3的过程是很缓慢的，但是在相对湿度比较大，特别是在有颗粒物存在时，可发生催化氧化反应，从而加快生成SO3。

当SO3溶于水时放出大量的热，使液态的水蒸发成水蒸气，而SO3的熔点(16.8℃)和沸点(44.8℃)很低，因而它也会蒸发为气态，并与空中的水蒸气反应生成含有硫酸的细小颗粒状雾珠，也就是酸雾。该酸雾腐蚀接头、电磁阀，造成气路管路漏气、分析仪测量池污染严重、部件损坏等，增加了维护量及维护成本。因此，在选型时可选用由很多细微孔的硅藻土为填充剂构成的雾吸收器，更能有效地去除和吸收SO3，降低腐蚀性，减少维护。雾吸收器在CEMS系统中同时过滤其他粉尘结晶物，保证了采样泵等重要部件的长期运行，延长了部件的寿命。

3.2 烟气中水分的干扰问题

烟气中的水分会吸收一部分SO2气体，使实际测量值偏低。为了解决该问题，系统使用了三级冷凝技术来解决这些问题。

1) 第一级冷凝。烟气冷却至环境温度，即保持前置冷凝器前采样管线的一定斜度和长度(2 m左右)。

2) 第二级冷凝。烟气冷却至低于环境温度5℃，即前置冷凝器的设计温度为低于环境温度5℃。

3) 第三级冷凝。烟气冷却至2℃左右，达到除湿的目的，即主冷凝器的设计温度为(2±1)℃。

4 数据处理和数据通信

CEMS应具有数据处理及数据通信功能，周期性地采集各个现场数据采集器发来的各种信息，进行处理、存储，并提供网络接入功能，向有关部门定时传输数据和图表，并随时接受数据查询，定时发送时钟命令并校准时钟。数据处理系统应至少配置RS-232，RS-422，RS-485中的某一种通信接口[3]，数据的传输协议应符合文献[4]的相关要求。

5 CEMS的安装

CEMS采样探头应安装在能够准确、连续监测固定污染源烟气排放状况的位置上，一般要求CEMS应位于固定污染源排放控制设备的下游，不受环境光线和电磁辐射的影响，烟道振动幅度尽可能小，安装位置应避免烟气中水滴和水雾的干扰，烟囱上应设置易于人员到达和操作维护的采样或监测平台。具体安装应满足文献[1]的相关规定。

为了便于CEMS的维护和操作，该系统在现场烟囱附近非防爆区域设置了分析小屋，小屋内应至少配置有空调、通风换气系统、安全检测报警系统、照明、插座、开关等，其中安全检测报警系统应设置有低氧浓度检测器、CO检测器、SO2检测器等，当小屋内任何一种气体体积分数达到报警设定值后，安全检测报警系统都将发出声光报警信号，同时自动启动通风换气系统。

6 结束语

综上所述，鉴于CEMS测量方式及测量原理的多样化，其系统组成也各不相同，设计者在实际工程设计选型时，应在满足系统功能的前提下，根据工程的实际情况及各地环保部门的具体要求合理地配置系统，为工程提供合理且经济实用的CEMS。

[1] 国家环境保护总局.HJ/T 75—2007固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)[S].北京： 中国环境科学出版社，2007.

[2] 王森.在线分析仪器手册[M].北京： 化学工业出版社，2008.

[3] 国家环境保护总局.HJ/T 76—2007固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及监测方法(试行)[S].北京： 中国环境科学出版社，2007.

[4] 国家环境保护总局.HJ/T 212—2005污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准[S].北京： 中国环境科学出版社，2005.

[5] 夏芳.CEMS在催化裂化装置烟气脱硫系统中的应用[J].石油化工自动化，2011，47(05)： 74-75.

[6] 肖瑞岗.CEMS在应用中存在的问题及解决方案[J].电力技术，2009(09)： 62-64.

[7] 戴丽萍，赵云格.CEMS在火电厂中的应用[J].中国仪器仪表，2007(05)： 44-46.

[8] 国家环境保护总局.HJ/T 352—2007环境污染源自动监控信息传输、交换技术规范(试行)[S].北京： 中国环境科学出版社，2007.

[9] 国家环境保护局及国家技术监督局.GB/T 16157—1996固体污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法[S].北京： 中国环境科学出版社，1996.

[10] 环境保护部及国家质量监督检验检疫总局.GB 13271—2014锅炉大气污染物排放标准[S].北京： 中国环境出版社，2014.

[11] 张力升.CEMS烟气连续在线监测系统的冬季维护[J].化工自动化及仪表，2012，39(04)： 528-530，533.

[12] 吕品，申艳杰.Symphony在600 MW超临界直流炉机组湿法烟气脱硫中的应用[J].化工自动化及仪表，2012，39(08)： 1083-1085，1088.

Application of CEMS in Acrylonitrile Plant’s Wastewater Incinerator

Yu Jinglin

(Shanghai Menflowtech Chemical Engineering Co. Ltd.， Shanghai， 200030， China)

As an important method to monitor emission of smoke pollutants， the continuous emission monitoring system (CEMS) is getting more widely application in chemical industry. Combined with the example of CEMS application in an acrylonitrile plant’s wastewater incinerator， constitution， working principles， relative configurations and notes to be taken during selection are introduced from perspective of engineering design. By reasonable application of CEMS， it is possible not only to monitor various indexes of smoke emissions， but also provide references of process optimization and equipment operation to operators and engineers.

fuel gas continuous emission monitoring system； wastewater incinerator； sampling； pretreatment

俞景林(1983—)，男，福建永安人，2006年毕业于浙江理工大学自动化专业，获学士学位，现就职于上海蒙福陇化学工程有限公司，从事石油化工自动化设计工作，任工程师。

TP274+.5

B

1007-7324(2015)01-0022-03

稿件收到日期： 2014-08-12，修改稿收到日期： 2014-11-28。