烟气排放连续监测系统在锅炉中的应用

2020-09-03吴涛

石油化工自动化 2020年4期

吴涛

(福陆(中国)工程建设有限公司，上海 201103)

随着国内外对环境保护的日益重视，烟气排放连续监测系统CEMS(continuous emission monitoring system)越来越多地用于实时跟踪测量固定污染源如锅炉、工业炉窑、焚烧炉等排放的烟气，并上传监测数据到当地环境管理部门。

1 CEMS简述

CEMS由颗粒物监测单元、气态污染物监测单元、烟气参数监测单元、数据采集与处理单元四个部分组成，如图1所示。其中，气态污染物监测单元以直接抽取采样法为例，数据采集与处理单元的远程输出接口上传监测数据到环境管理部门。

图1 CEMS系统组成示意

1.1 颗粒物监测单元

光学透射法和光学散射法是两种常用的颗粒物浓度测量方法。颗粒物浓度测量孔位置应优先选择在垂直管段，测量光束应通过烟道中心，烟气中没有水滴或水雾。对于水平烟道，要考虑颗粒物重力沉降因素对测量结果的影响。

1.2 气态污染物监测单元

1.2.1气态污染物监测系统的类型

在气态污染物测量中，由于固定污染源排放的烟气具有含尘、高温、高湿、腐蚀、不稳定等特性，给取样及样气传输带来了一定的困难。一旦烟气离开烟道，如果不采取合适的技术措施，随着烟气温度从烟道内的130～300 ℃降至100 ℃以下，水分逐渐冷凝，与烟气中颗粒物结合成糊状物，将会堵塞采样管线，严重影响测量结果。为了解决该测量难点，目前国际上有三种检测方法：直接测量法、稀释抽取采样法、直接抽取采样法。

1)直接测量法是将分析仪直接安装在烟道上，测量烟气中的污染物。这种方式结构比较简单，没有采样管线，也不需要采样处理装置。分析仪测量的是未去除水分的湿基样气中的污染物浓度，但是该方法受到烟气温度的限制，使用维护不方便，而且由于烟气中水分干扰，会影响测量精度。因此，实际应用中直接测量法使用的不多。

2)稀释抽取采样法是用干燥、清洁的仪表空气作为动力源和稀释气，通过喷射泵抽取烟气样气并且混入稀释气，将混合气送到分析仪进行测量，最后将分析结果乘以稀释倍数，从而折算回未稀释的浓度。分析仪测得的是湿基样气中的污染物浓度。

由于烟气样气稀释后降低了露点温度，所以常温下采样管线无需伴热处理，就能够防止样气在传输和检测过程中出现水汽结露和堵管现象。但是，在环境温度低于零的场合，例如中国的北方地区，冬季仍需要做伴热处理。

3)直接抽取采样法是用隔膜泵直接抽取烟气样气，通过伴热管线送至冷却器，样气经冷凝除湿后再送入分析仪进行测量。分析仪测得的是去除水分的干基样气中的污染物浓度。伴热管线的温度控制在140 ℃左右，保持在样气露点温度以上，以避免结露。

具体使用哪种检测方法需要考虑CEMS使用地的法律法规和使用习惯，例如美国主要采用稀释抽取采样法，而直接抽取采样法则广泛应用于日本。在国内，HJ76-2017《固定污染源烟气(SO2，NOx，颗粒物)排放连续监测系统技术要求及检测方法》中明确规定污染物物质的量浓度为标准状态下的干烟气浓度，所以国内CEMS绝大多数采用直接抽取采样法；如果采用直接测量法或稀释抽取采样法，必须要有湿度测量仪修正水分，其修正值也存在一定误差，而且该方法也增加了维护工作量。

1.2.2分析仪器

直接抽取采样法经常使用多组分红外气体分析仪，稀释抽取采样法大多采用紫外荧光法SO2分析仪和化学发光法NOx分析仪。

笔者参与的异壬醇装置(INA)位于马来西亚，经与当地环境管理部门和最终用户确认，用于锅炉排放烟气的CEMS选择直接抽取采样法测量干烟气浓度，使用的是红外气体分析仪。

红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，它的测量原理符合郎伯-比尔吸收定律，如式(1)所示：

I=I0e-kcL

(1)

式中：I，I0——吸收后和吸收前的光强度；k——被测组分的吸收系数；c——被测组分的物质的量浓度；L——光线通过被测组分的距离(气室长度)。

当被测组分浓度很低或L很小时，式(1)可以简化为

I=I0(1-kcL)

(2)

为了保证式(2)中I与c的线性关系，当被测组分浓度高时，选用较短的测量气室；当浓度低时，则选用长测量气室。

1.3 烟气参数监测单元

需监测的烟气参数包括温度、压力、流速、湿度、含氧量等。通过这些参数和测得的颗粒物浓度、气态污染物浓度，可以计算烟气中污染物排放速率和排放量。

1.4 数据采集与处理单元

该单元自动采集并处理数据，显示和记录各种参数，形成相关图表，通过数据、图文等方式传输至管理部门。

2 应用及注意问题

由于固定污染源排放的污染物不同，各国法律、法规以及环境管理部门的要求不尽一致，不同项目CEMS需要测量的参数有所不同。

用于该装置锅炉烟气排放的CEMS要求测量的参数是气体污染物NOx和CO浓度、含氧量、流量、温度、压力。其中，流量测量采用阿牛巴流量计，温度测量采用一体化热电阻/温度变送器，压力测量采用压力变送器。气态污染物采用直接抽取采样法测量，使用多组分气体分析仪。流量、温度、压力测量点和分析仪取样口都在烟囱中部，有操作平台；样品预处理系统和分析仪盘柜布置在地面烟囱旁半开放式的三边房内。

下面重点介绍气态污染物的测量。

2.1 采样探头

采样探头模块如图2所示。取样管插入烟囱中心，这样取样更有代表性。采样探头内有陶瓷过滤器，过滤掉3 μm以上的粉尘颗粒；还配有电加热器，恒温调节器控制温度在180 ℃左右，高于烟气的露点温度，防止冷凝液与烟尘结合堵塞过滤器，同时避免酸性可溶性气体溶于冷凝液腐蚀系统组件，保证样气的代表性。此外，采样探头设置了自动反吹装置，由内部的小型PLC控制仪表空气定期吹扫，防止烟尘积聚堵塞探头，吹扫周期可以在小型PLC上设定。

图2 采样探头模块示意

按照用户要求，CEMS自动验证时量程气应从采样探头处接入，故设有量程气入口，由316不锈钢Tube管接到地面分析仪盘柜旁的气体钢瓶。

烟气样气由电伴热采样管线送至样品预处理系统，伴热温度设定在140 ℃左右。采样管材质是可溶性聚四氟乙烯(PFA)，避免酸性气体可能造成的腐蚀。

2.2 样品预处理系统

样品预处理系统的作用是对采样的烟气样气进行冷凝、除水、除尘、整流等处理，以便为分析仪的正常使用提供合格的样气。样品预处理系统如图3所示。

图3 样品预处理系统示意

烟气样气首先通过气水分离器再进入一级冷却器，快速将气样冷却至4 ℃，快速冷却的目的是防止样气失真。气水分离器气体出口在垂直方向应低于样品预处理系统样气入口。烟气通常为微负压，经隔膜泵后样气压力增加，露点温度相应升高，所以泵后设有二级冷却器，保证后续样气没有水分析出。冷却器冷凝出的水分经排液蠕动泵排出。

由于红外分析仪不能测量NO2含量，所以设置了1套NO2/NO转化器，分析仪测量的是NO浓度。样气最后经精细过滤器进一步除尘后，送至多组分气体分析仪。

当样品预处理系统中的湿度测量仪检测到冷凝液时，将联锁关闭隔膜泵停止采样，以免样气中夹带的液滴损害分析仪的检测器；转子流量计(带针阀)用于调节流量；样气流量低时，流量开关信号送到DCS报警。

2.3 气体分析仪

经过处理的样气送至多组分气体分析仪，通过非分散红外分析模块测量NOx和CO浓度，电化学式氧分析模块测量O2浓度。

通过样品预处理系统中5个“二位三通”电磁阀的不同流路组合可以实现分析仪的采样/标定选择、零点标定、量程标定和自动验证功能。DCS可以远程遥控分析仪的自动标定和自动验证。

测量后的样气和标定后残余的零点气、量程气高点放空或者排入工厂常压放空总管。

2.4 需要注意的问题

1)由于国内外各地对CEMS的具体要求不尽一致，设计时务必与项目所在地环境管理部门和最终用户充分沟通，准确理解相关规范和客户需求。马来西亚环境管理部门要求CEMS系统应有自动验证功能，最终用户要求CEMS要有TÜV或者MCERT证书，要求测量烟气中的含氧量，分析仪量程是测量组分浓度的2.5倍，工厂DCS可以遥控CEMS实现自动标定和自动验证，自动验证时量程气应从采样探头处接入，尽量靠近取样点，要求供应商提供首次相对精度测试审核，RATA是证明CEMS满足环境管理部门要求的验收试验。

2)尽量缩短取样点到分析仪的距离，以减少烟气样气传输的滞后时间。当滞后时间大于60 s时，可以考虑在隔膜泵后增加快速回路。

3)烟囱中部的操作平台应有足够的空间，以利于温度、压力、流量变送器和采样探头模块的安装和日常维护。