锅炉烟气超净排放项目中CEMS应用探讨

张锋

(中石化宁波工程有限公司 脱硫脱硝技术公司， 上海 200030)

锅炉烟气超净排放项目中CEMS应用探讨

张锋

(中石化宁波工程有限公司 脱硫脱硝技术公司， 上海 200030)

介绍了新的污染物排放标准中特征污染物的排放极值的新要求，讨论了烟气排放连续监测系统(CEMS)如何在污染物的质量浓度超低范围应用于工程项目的问题,着重介绍了直接抽取法和稀释抽取法的测量原理及在超低质量浓度测量中的应用，针对超低排放的工况条件、采样过程的特殊性，提出了在污染物的质量浓度超低情况下CEMS应用的注意事项与发展改进新思路。

超净排放 烟气排放连续监测系统 直接抽取法 稀释抽取法

中国在“十二五”期间提高了对大气污染物排放的控制要求。伴随着排放标准的提高，GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》[1]、GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》[2]、GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》[3]中的特征污染物的质量浓度极值已经比过去的标准值大幅提高。为应对日益严格的环保要求和企业发展需求，中国石化股份有限公司下属各分厂含自备电厂燃料锅炉都陆续进行超净排放改造以适应新的排放标准。以文献[2]为例，重点地区火力发电厂燃煤锅炉污染物的质量浓度排放标准的极值见表1所列。

1 CEMS系统

固定污染源烟气排放连续监测系统(CEMS)的监测目标为颗粒物，含SO2以及NOx等气态污染物，排放气相关参数包括:烟气流量、温度、压力、含氧量、湿度、氨逃逸量等。HJ/T 75—2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)》[4]中定义，CEMS由气态污染物监测子系统、烟气排放参数测量子系统、颗粒物监测子系统以及数据采集传输系统组成。通过采样和非采样方式，测量烟气中的上述指标，计算烟气中污染物的质量浓度和排放量，显示和打印各种参数、图表并通过数据采集传输系统无线传输至政府环境监控平台，形成政府对企业生产排放的监管。

表1 火力发电厂燃煤锅炉污染物的质量浓度排放极值 mg/m3

2 CEMS的测量原理及在超低质量浓度测量中的应用

超低排放CEMS监测系统是在原有CEMS监测系统的基础上针对工况条件进行特殊设计的，主机采用超低量程的主机，采样过程采用特有的采样形式，否则会导致较大的测量误差，无法为环保监测部门提供准确的测量数据。气态污染物SO2和NOx的测量，根据采样方法的不同，通常采用的有直接抽取法和稀释抽取法。

2.1 直接抽取法测量原理

依据朗伯-比尔吸收定律制成的光谱吸收仪，分为非分散红外吸收法和非分散紫外吸收法。非分散红外吸收法可以同时测量SO2和NO的质量浓度，当采用非分散红外吸收法测量NOx的质量浓度时，因NO2对特定谱段红外光无法吸收，所以需要加装转换炉将NO2转化为NO，通过NO的质量浓度反应NOx的质量浓度。该方法需要注意NO2在转化为NO过程中的转化率问题，如果转化率不确定，则测量精度也受到影响。当采用非分散紫外吸收法时，可以同时测量SO2和NO2的质量浓度，而且该方法不受水分子光谱段的干扰，因此测量精度较高，但是紫外发生晶体管是易耗件，且需频繁更换，价格也比较贵，这是选用时需要考虑的因素。

超净排放改造处理后的烟气，气态污染物的质量浓度正常情况下均低于100 mg/m3，抽取的过程中如果忽略，导致被测组分的损失，则会大幅影响测量的精度。此外，锅炉外排烟气中含有大量的水分，而采样管线从采样点到分析仪表的路径较长，采样过程中如果某段管线温度过低，低于烟气的露点温度，采样烟气会凝结成水，而SO2和NOx均能溶于水，将会导致被测组分流失。此种流失在高量程测量时可以看作是低误差的测量值损失，而在超净排放的测量量程内，流失的量则不可忽视，因此在超净改造项目中，气态污染物的测量首先要防止被测组分的流失。通常采取的措施是加热采样探头、伴热采样管线，使采样全过程的温度不低于140 ℃，保证采样烟气中的水分一直处于气体状态，抑制被测组分的流失。

而水蒸气分子会对特定谱段的红外光进行吸收，从而对被测组分进行干扰，该干扰对被测组分的测量影响较大。因此，采样烟气进分析仪前必须去除样气中的水蒸气。常见方法有冷凝法和渗透干燥除湿法。冷凝法常用的是压缩机制冷，2套压缩机串联组成二级制冷回路，压缩机制冷效率高、性能稳定，故制冷效果比较好。在冷凝阶段为了防止被测量组分丢失，通常会在冷凝容器中配置磷酸形成磷酸饱和溶液，抑制SO2和NOx等组分的溶解。

渗透干燥除湿法采用那分(nafion)管，利用内部硫磺酸亲水的特性，通过水合作用渗透吸收去除烟气中的水分。该方法不会对烟气冷凝，避免了被测组分与水接触溶解，能更有效地抑制被测组分损失，但是那分管本身对烟气的要求很高，碱性物质和颗粒物都会使那分管失效，如何高效地除去杂质保证那分管正常工作是应用的关键。

典型直接抽取法采样流程示意如图1所示。

2.2 稀释抽取法测量原理

目前普遍采用脉冲紫外荧光法SO2分析仪和化学发光法NOx分析仪。稀释抽取法采用独特的现场样品预处理的气体采集方式；在采样探头顶部，通过1个音速小孔进行采样,并用干燥的仪表空气在探头内部进行稀释。样气进入分析仪之前不需要进行除湿处理，通常选择稀释比在100∶1至250∶1之间的样气，经过稀释后，有效地降低了样气的露点温度，使之低于安装地的环境最低温度，从而避免了样气在环境温度下产生的结露现象；另一方面，样气虽然经过稀释，但仍为带湿气体，测量过程是典型的湿法测量。

由于稀释探头采样不需要除湿设备，因而无需购置除湿设备，可以彻底避免样气在采样管线中冷凝结水，而且无需加热气体传输管线并可避免许多与其他采样技术伴随而来的麻烦。稀释抽取法的测量方法是美国EPA优选的带湿计算方法，不仅避免了除湿过程中产生的SO2和NOx损失，而且彻底消除了直接采样法经常发生的由于水分没有从试样中彻底消除而带来的腐蚀影响。稀释法提供带湿样气测量数值和带湿烟气流量值，因而不再需要为数据修正提供额外的湿度计。

稀释系统的采样管线由4根聚四氟乙烯管组成，其中2根分别用于往采样探头输送校准气和稀释空气，剩余2根分别用于往各种分析仪器输送稀释后的烟气样气和探头部分的真空度监测。所有采样管线除真空管线外都是正压，避免了由气体泄漏而带来的误差。稀释采样法在样气的采集和传输过程中，不像非稀释采样法那样需要采样泵及若干个流量控制阀，从而降低了设备购置费和运行维护成本，减少了故障隐患。采样管线距离最远可达100 m。稀释抽取法采样流程如图2所示。

图1 典型直接抽取法采样流程示意

图2 稀释抽取法取样流程示意

3 结束语

CEMS不论是在烟气脱硫、脱硝工艺反应过程，还是在政府环保部门监管终端的参数指示过程都扮演极其重要的角色。CEMS应用好坏间接决定了烟气超净排放的成败。在CEMS应用过程中还需要不断地探讨与改进，以选用合适的系统来满足不同工况下工程的应用。

[1] 抚顺石油化工研究院,中国环境科学研究院.GB 31570—2015石油炼制工业污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社，2015.

[2] 中国环境科学研究院，国电环境保护研究院.GB 13223—2011火电厂大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社，2012.

[3] 天津市环境保护科学研究院，中国环境科学研究院.GB 13271—2014锅炉大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社，2014.

[4] 上海市环境监测中心，中国环境监测总站，中日友好环境保护中心.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.

[5] 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检测方法(试行)[S].北京:中国环境科学出版社，2007.

[6] 环境保护部/国家质量监督检验检疫总局.GB 13323—2011 火电厂大气污染物排放标准 [S].北京:中国环境科学出版社，2011.

[7] 孙磊，黄步余，任军，等.SH/T 3174—2013 石油化工在线分析仪系统设计规范 [S].北京:中国石化出版社，2013.

[8] 陈昕.浅析国内FCCU烟气除尘脱硫技术控制要点 [J].石油化工自动化，2015，51(03)：8-12.

[9] 丛经纬，杨金城.火力发电厂烟气排放连续监测系统的应用分析 [J].石油化工自动化，2017，53(02)：50-53.

[10] 王森，周永峰，刘德允，等.烟气排放连续监测系统 [M].北京:化学工业出版社，2015.

[11] 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册 [M].3版.北京:化学工业出版社，2000.

DiscussiononApplicationofCEMSinUltra-cleanEmissionReconstructionofBoilerFlueGas

Zhang Feng

(Flue Gas Desulfurization & Denitrification Technology Company, Sinopec Ningbo Engineering Co.Ltd., Shanghai, 200030, China)

s：The new requirements for emission extremes of characteristic pollutants in new pollutant emission standards are introduced.How to apply continuous emission monitoring system(CEMS) to engineering project in ultra-low mass concentration range of pollutant is discussed.The measuring principle of direct extraction sampling and diluted extraction sampling and application under ultra-low mass concentration are stressed.On the part of particularity of working condition and sampling process of ultra-low emission,the new development ideas and attention of CEMS application in ultra-low mass concentration of pollutant are put forward.

ultra-clean emission; flue gas continuous emission monitoring system; direct sampling method; dilution sampling method

稿件收到日期：2017-08-10，修改稿收到日期2017-09-31。

张锋(1978—)，男，山东临淄人，2001年毕业于青岛大学自动化专业，获学士学位，现就职于中石化宁波工程有限公司脱硫脱硝技术公司，从事仪表工程设计工作，任工程师。

TH744.4

B

1007-7324(2017)06-0057-03