超低排放对烟气排放连续监测系统设计的影响

邵旻

(山东电力工程咨询院有限公司，济南　250013)



超低排放对烟气排放连续监测系统设计的影响

邵旻

(山东电力工程咨询院有限公司，济南250013)

摘要：近年来，国家对燃煤电厂污染物排放的监管越来越严格，电厂为达到超低排放而采用的技术会引起烟气排放连续监测系统(CEMS)设计方案发生变化。介绍了CEMS工作原理，结合双塔串联、双塔双循环、双塔并联等不同超低排放技术，分析了其对CEMS设计方案的影响，并对比了不同超低排放技术对CEMS仪表选型的影响。

关键词：燃煤机组；超低排放；烟气排放连续监测系统；高精度；湿式静电除尘器

0引言

我国以煤为主的能源结构短时间内无法根本改变，加之天然气气源短缺、大气治理迫在眉睫的现实情况，作为燃煤大户的火力发电厂，污染物排放水平是我国大气污染控制的重点。燃煤电厂超低排放是指排放的SO2，NOx及烟尘质量浓度达到或接近GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中规定的以天然气为燃料的燃气轮机机组的大气污染物排放限值。2014年9月12日，国家发展改革委员会、环保部和能源局联合印发了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》(发改能源﹝2014﹞2093号)，明确指出新建燃煤发电机组应基本达到燃气轮机组排放限值，即在基准含氧量为6%的条件下，SO2，NOx及烟尘排放质量浓度分别不高于35，50，10mg/m3(标准状态，下同)，东部部分地区新建或改造机组排放烟尘质量浓度甚至要求达到5mg/m3以下。

1烟气排放连续监测系统(CEMS)简介

CEMS作为燃煤电厂烟气排放连续监测装置，是监测环保排放和检测工艺过程的重要设备。CEMS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及数据采集、传输与处理子系统等组成，通过采样和非采样方式，测定烟气中污染物的质量浓度，同时测定烟气温度、压力、流速或流量、含湿量、含氧量或CO2含量等参数，计算烟气污染物质量浓度、排放率和排放量，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]。

2超低排放技术

目前我国采用的超低排放技术主要有以下几种：(1)锅炉本体低NOx排放控制技术，如控制锅炉燃烧方式、配风方式、炉膛设计、采用高效低氮燃烧器等；(2)选择性摧毁还原法(SCR)工艺控制NOx超低排放，如老机组的催化剂增效改造；(3)脱硫吸收塔工艺系统改造，有单塔双循环、单塔托盘增效、单塔旋汇耦合+管束除尘、单塔双区、沸腾式泡沫塔、双塔双循环、双塔串联、U型液柱塔等技术；(4)低低温电除尘器技术；(5)超精细除雾器技术；(6)三级屋脊式除雾器技术；(7)湿式静电除尘器技术。

技术(1)，(2)主要用来降低排放物中NOx的质量浓度，技术(3)主要用来降低排放物中SO2的质量浓度，技术(4)，(5)主要用来降低排放物中粉尘的质量浓度。燃煤电厂根据燃烧煤种煤质情况选用上述某一种或几种技术的结合，实现超低排放。

3超低排放技术对CEMS设计方案的影响

上述降低NOx排放质量浓度的技术对CEMS的设计方案无影响，部分降低烟尘、SO2排放质量浓度技术由于工艺系统流程的改变，会引起CEMS设计方案的变化。以下分析几种典型的设计方案。

3.1双塔串联技术

双塔串联技术是近几年在脱硫增容改造及超低排放技术研究过程中提出的一种新技术，典型工艺流程如图1所示。大唐桂冠合山发电有限公司的#1，#2机组脱硫增容改造为国内首次采用此技术，其设计及运行方式相对不成熟，一级吸收塔出口未设计CEMS监测仪表，运行过程中出现了一级吸收塔浆液氧化不足、无法脱水、脱硫效率降低、二级吸收塔液位不平衡及产出的石膏钙硫比过高等问题[2]。

图1　双塔串联技术典型工艺流程

由图1可知，烟气经过了2级吸收塔，一级吸收塔出来的烟气，其温度、压力、SO2和烟尘质量浓度等参数与原烟气相比均发生了变化。由于2级吸收塔的主要功能有差别，需要分别控制每级吸收塔的脱硫效率，所以必须在2级吸收塔之间的烟道上设置1套CEMS，其测量参数既是一级吸收塔的出口参数，又是二级吸收塔的入口参数，用于吸收塔脱硫效率的计算。该方案与常规单塔单循环方案相比，每台锅炉需增加1套预处理CEMS。

3.2双塔双循环技术

双塔双循环技术[3]是双塔串联技术的一种优化方案，解决了双塔串联技术中出现的物料不平衡的问题，典型工艺流程如图2所示。国电永福发电有限公司#3，#4机组脱硫提效改造以及华电国际十里泉发电厂“上大压小”2×600MW机组脱硫系统均采用此技术。

图2　双塔双循环技术典型工艺流程

由图2可知，双塔双循环主要工艺流程与双塔串联相似，只是在两级吸收塔之间增加了石膏浆液返回泵及吸收段加料槽(AFT)旋流器至两级吸收塔的浆液管道，实现了两级吸收塔的液位平衡和浆液密度平衡控制，确保了石膏产品的品质。该技术方案CEMS的设置与双塔串联技术方案相同，与常规单塔单循环方案相比，每台锅炉需增加1套预处理CEMS。

3.3双塔并联技术

双塔并联技术是在超低排放技术研究过程中提出的一种提高脱硫效率的新技术，典型工艺流程如图3所示。胜电三期热电工程和茌平信源铝业有限公司700MW机组工程的脱硫系统均采用此技术。

图3　双塔并联技术典型工艺流程

由图3可知，锅炉2台引风机来的烟气分别进入了A吸收塔和B吸收塔，2个吸收塔处理后的净烟气合并成1路进入烟囱。由于原烟气为独立的2路，所以需要设置2套原烟气CEMS。净烟气CEMS的设置在不同工程中有所不同，茌平信源工程设置在合并后的净烟道上，胜电三期工程除了在合并后的净烟道上设置1套外(向环保局传送数据用)，还在图3中的2处云线位置分别设置了1套。

根据上述2个工程现场运行数据分析，并联的2个吸收塔烟气进口参数基本相同，吸收塔本体结构及配置的浆液循环泵、石膏浆液排出泵、氧化风量等相同，故2个吸收塔的脱硫效率及吸收塔出口烟气参数也基本一致，另外，2个吸收塔并列运行，不必单独计算控制每个吸收塔的脱硫效率。从工程优化及节约投资角度考虑，可只在合并后的净烟道上设置1套净烟气CEMS，此套CEMS数据既作为脱硫效率计算控制用，又作为向环保局传送排放监测数据用。此种方案与常规单塔单循环方案相比，每台锅炉增加1套原烟气CEMS。

3.4湿式静电除尘器技术

为了达到烟尘质量浓度排放值小于10mg/m3或5mg/m3的目标，研究并提出了多种深度除尘技术方案，在脱硫吸收塔后设置湿式静电除尘器(以下简称湿除)是一种常用方案。该方案在吸收塔出口和烟囱之间加装湿除，进一步除去烟气中的粉尘，典型工艺流程(吸收塔为单塔)如图4所示。

表1　某公司提供的测尘仪参数

图4　湿式静电除尘器技术典型工艺流程

图4所示湿除之前烟道上的云线位置是否需要设置1套CEMS，是工程中经常讨论的问题。根据湿除的工作原理，其功能主要为脱除粉尘，可以兼顾去除烟气中的雾滴和SO3气溶胶微液滴[4-5]，对SO2和NOx等污染物无脱除作用。脱硫系统的脱硫效率是通过SO2参数计算反映的，湿除前、后SO2参数无变化，故脱硫效率计算使用湿除后的SO2参数即可，无需在吸收塔出口设置SO2分析仪表。对于湿除前是否设置测尘仪而言，首先，环评只关注对空排放的粉尘质量浓度是否达标，所指的除尘效率为综合效率，而非单个设备，如湿除的除尘效率；其次，湿除除尘效率的考核一般通过性能试验进行，留有性能试验测点接口即可；另外，湿除进、出口烟尘质量浓度参数不参与湿除系统任何控制调节。综上所述，无需在湿除进、出口设置在线测尘仪，只需设置烟气温度、压力测点。故设置湿除方案与无湿除方案相比，CEMS设置数量相同。

4超低排放技术对CEMS仪表选型的影响

从超低排放定义的目标值可知，烟尘、SO2及NOx排放质量浓度均比GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中规定的燃煤锅炉排放限值30，100，100mg/m3低很多。HJ/T76—2007《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法(试行)》规定颗粒物CEMS的测定范围为:当只设置1个测量挡时，最大测量值设置为高于排放源最大排放质量浓度的1～2倍；当设置多个测量挡时，最低挡测定范围的上限应不超过500mg/m3；当ρB≤50mg/m3时，-15mg/m3≤δ≤15mg/m3；50mg/m3<ρB≤100mg/m3时，-25%≤ξ≤25%；100mg/m3<ρB≤200mg/m3时，-20%≤ξ≤20%；200mg/m3<ρB时，-15%≤ξ≤15%(ρB为颗粒物排放质量浓度；δ为CEMS法与参比方法测定结果平均值的绝对误差；ξ为CEMS法与参比方法测定结果平均值的相对误差)。

4.1对烟尘质量浓度分析仪选型的影响

(1)分析仪的量程上限需要由原来的100mg/m3或更高缩小为20mg/m3或15mg/m3甚至更低。

(2)分析仪的准确度应提高。虽然超低排放实施前、后烟尘质量浓度限值均为ρB≤50mg/m3，准确度均为-15mg/m3≤δ≤15mg/m3，但由于超低排放目标值为≤10mg/m3或≤5mg/m3，所以其对应的δ应≤5mg/m3。HJ/T76—2007《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法(试行)》也正在修订并公开征求意见，要求改为ρB≤20mg/m3时，-5mg/m3≤δ≤5mg/m3。

(3)采用湿除的工程，经过湿除后的烟气处于低温高湿状态，粉尘含量又极低，水汽对粉尘质量浓度的测量干扰很大，误差会导致测量结果超过10mg/m3或5mg/m3的限值，普通测尘仪无法满足测量要求，需要选择抽取加热式测尘仪。

以国投新集电力利辛板集电厂(以下简称板集电厂)一期2×1 000MW工程为例对比测尘仪选型的不同，其脱硫工艺为单塔单循环，吸收塔后设置湿除，不同品牌配置的测尘仪参数见表1、表2。

4.2对气体污染物分析仪选型的影响

HJ/T76—2007《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法(试行)》对气态污染物CEMS的主要技术指标，如线性误差、相对准确度等做了规定，但规定的指标对超低排放技术实施前、后气体分析仪表的选型无影响。

板集电厂CEMS招标过程中，根据产品供应商提供的信息，不同品牌的气体分析仪产品受超低排放参数的影响不同。德国SICK产品在非超低排放参数下，可做成SO2/CO/NOx/O24组分分析仪，在超低排放参数下，只能做成2组分分析仪，而ABB公司的产品不论是否在超低排放下，均可以做成SO2/CO/NOx/O24组分分析仪。

表2　某公司提供的测尘仪参数

5结束语

不论新建还是现有的燃煤机组，最终均要实现大气污染物超低排放。CEMS作为电厂污染物排放监测系统，合理的设计方案及分析仪表选型，对有效控制脱硫、脱硝效率具有举足轻重的作用，确保向环保监测站传送排放监测数据的准确性。CEMS设计方案及分析仪表选型是否合理需要通过工程实践来检验，并在工程应用中不断进行优化。

参考文献：

[1]固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)：HJ/T75—2007[S].

[2]林朝扶,兰建辉,梁国柱,等.串联吸收塔脱硫技术在燃超高硫煤火电厂的应用[J].广西电力,2013,36(5):11-15.

[3]刘鹤忠,陶秋根.湿式电除尘器在工程中的应用[J].电力勘测设计,2012(3):43-47.

[4]赵鹏,陈勇,蹇浪.湿式静电除尘器在火电厂中的应用探讨[J].能源与环境,2013(6):95-96,99.

(本文责编：弋洋)

收稿日期:2016-03-11；修回日期:2016-04-21

中图分类号：X773

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)05-0064-04

作者简介：

邵旻(1981—)，女，山东菏泽人，工程师，理学硕士，从事发电厂热工仪表及控制系统设计方面的工作(E-mail:shaomin@sdepci.com)。