火电厂环保排放口稀释抽取式CEMS系统工作原理及影响因素

赵亚军 郗俊峰 刘建强 杨玉志

[摘    要]目前，全国已全面实施环保超低排放和近零排放标准，石油、化工、火电厂等的废气排放口环保仪表的稳定运行和准确测量尤为重要。以目前最受欢迎的稀释抽取式气态污染物CEMS为例，对其进行全面的介绍。

[关键词]环保;稀释抽取;气态污染物

[中图分类号]TM72 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–0–03

[Abstract]At present， the national environmental protection ultra-low emission and near-zero emission standards have been fully implemented， the stable operation and accurate measurement of environmental protection instruments at exhaust gas discharge ports of petroleum， chemical and thermal power plants are particularly important. As an example， the most popular dilution extraction gaseous pollutant CEMS is introduced in this paper.

[Keywords]environmental protection; dilution extraction; gaseous pollutants

为了应对严峻的空气污染挑战，2014年我国出台了史上最严的关于燃煤发电机组超低排放改造的标准，要求将颗粒物、二氧化硫、氮氧化物分别控制到10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，到2020年全国现有机組中的绝大部分要满足超低排放标准，2017年国家又出台了新的CEMS环保排放监测标准，即HJ75/76—2017。为了能顺利达标排放，很多排污企业在不浪费原有设备资源和尽可能降低成本的基础上，对原有CEMS设备进行提标升级改造，改造后的CEMS各项性能指标根据烟气治理设施的不同而有所差异。本文对某火电厂超低排放改造成功的CEMS系统工作原理及影响因素进行简单论述，希望对正在进行超低改造的企业有所帮助。该火电厂烟气治理设施工艺为SCR脱硝+电袋除尘+氨法脱硫，超低改造后排放口安装的是美国热电公司的AT200稀释抽取式气态污染物CEMS系统，经过较长时间的跟踪测试，该系统各项性能参数均符合新的环保标准，测量数据稳定且准确可靠。

1 稀释抽取式气态污染物CEMS的组成结构

稀释抽取式系统由稀释探头、样气传输管线、分析仪器、稀释气及零气处理系统，其基本构成如图1所示。

在该系统中，稀释探头利用洁净的空气将烟气抽取并稀释成固定比例的混合气，该稀释比一般为100∶1，使混合气的露点温度降至空气温度以下，从而避免样品输送过程中有水滴析出，导致测量数据失真。通过带有常温伴热的传输管线将样气输送到在线分析仪进行实时分析测量，测量数据准确可靠，为工艺精细化操作及各环保部门监督该企业排污情况提供有力的数据保证。

2 稀释抽取式气态污染物CEMS的特点

相比完全抽取式气态污染物CEMS，该系统结构比较简单，稀释后的样品气露点降至环境温度以下，全年气温在零上的地区可以使用没有电伴热的取样管缆，减少了电加热温控系统;稀释后的样品气直接进分析仪进行分析测量，免除了复杂的冷凝降温系统，大幅降低了测量系统故障频率。

由于该系统是通过100∶1的比例对原烟气进行稀释测量的，稀释探头的过滤器、仪器入口过滤膜使用寿命有了很大的提高，大幅降低了仪表运维人员维护工作量，从而使该系统无故障运行时间更长，为工艺操作人员实时监控调整提供有力保障。

该系统稀释后的样品气是湿基的，稀释后的气体湿度非常低，可以使用低量程、高精度的湿度传感器，准确度远高于直接抽取式的干湿氧法和大量程湿度仪测量法，能实时准确地计算出原烟气的湿度，为CEMS各污染物干基排放值和干基排放量换算提供可靠数据。

该系统采用的是稀释气正压传输样品，不存在完全抽取式气态污染物系统的完全负压传输，负压传输如果存在某处管线破裂或者接头漏气现象，空气漏进取样管线，对分析仪的测量值影响很大，而稀释抽取式CEMS出现这种现象时对测量值影响很小。

由于美国热电科技公司的AT200稀释抽取式系统和环境空气质量监测系统仪表的测量原理基本相同，从事稀释系统的运维人员可以轻松地维护环境空气质量系统仪表，为排污企业节省了许多不必要的成本。

3 稀释抽取式气态污染物CEMS的测量原理

3.1 恒流稀释原理

稀释抽取式污染物CEMS系统最关键的保证就是要有恒定的稀释比，当前CEMS大部分采用的稀释技术为音速临界限流小孔技术。音速临界限流小孔采用某种耐热玻璃和陶瓷材质，陶瓷的前端装有石英棉进行过滤除尘。小孔的长度远小于孔的直径，当小孔两端存在一定压差时，气体通过限流小孔的流速随压差的增大而增大，当小孔两端的压力差达到0.46倍以上时，气体流过小孔的流速基本与小孔两端的压力变化无关，仅取决于气体分子流经限流小孔的振动速度。在气体压力、温度、密度保持稳定的情况下，气体通过临界限流小孔的流速将保持恒定，即产生恒流现象。

3.2 SO2气体分析仪测量原理

稀释抽取式气态污染物CEMS系统SO2多采用紫外荧光法测量原理，以美国热电公司的43i气体分析仪为例说明该测量原理。稀释后的样品气体进入测量池，用适当波长的（190～230 nm）紫外线照射样品，SO2吸收紫外光变成激发态的分子，即，该分子非常不稳定，瞬间返回激发态，同时产生330 nm波长的特征荧光，即，在一定温度和压力条件下，该荧光强度与样品中的SO2浓度成正比，即，式中I为特征荧光的强度，c为SO2气体浓度，k为比例系数。用光电倍增管或其他检测器测量出荧光的强度，通过分析仪电子单元可进一步换算成SO2浓度值。美国热电43i分析仪主要由紫外光源、反应气室、光电检测器、光电倍增管等部件组成，其工作原理图如2所示。

3.3 NO-NO2-NOx气体分析仪测量原理

目前稀释抽取式气态污染物CEMS系统NO-NO2-NOx多采用化学发光法测量。以美国热电42i分析仪为例说明该测量方法，该分析仪主要由采样泵、反应室、光电倍增管、钼转化炉、臭氧发生器等部件组成，NO-NO2-NOx气体分析仪工作原理图如3图所示。该分析仪带有一个NO-NOx切换电磁阀，用来切换进入测量室的样品气，使样品直接进入测量室，或者样品经过钼转化器后进入测量室，通过光电检测器测量反应室的光信号，并将其转化为电信号计算出样品气中的NO和NOx浓度值，分析仪电子单元通过NO和NOx值计算出NO2浓度值。具体的测量原理为：在一定的条件下，NO与O3发生反应，产生激发态的分子，该分子十分不稳定，瞬间返回成激发态NO2分子，同时产生波长为900 nm的近红外荧光，用光电倍增管或其他检测器测量出该荧光的强度，通过分析仪电子单元可进一步换算成NO-NO2-NOx浓度值。该反应的化学方程式如下式所示：（1-1），（1-2）。

燃煤锅炉排放的烟气中氮氧化物主要由NO和NO2组成，NO2不能与O3发生化学发光反应，只能通过间接方法测量出烟气中NO2的含量。目前，最常用的方法就是钼转化法，即利用一定活泼特性的金属钼在高温下与NO2发生反应，将NO2还原为NO，当该样气进入测量室，分析测量出NOx的浓度，NOx和NO的差值即为NO2浓度。钼转化方程式为：。

4 稀释抽取式气态污染物CEMS的影响因素

（1）影响稀释抽取式气态污染物恒流即影响该系统的稀释比，系统恒流状态随稀释比的改变而改变，而稀释气压力、烟气绝对压力、烟气密度和烟气温度的变化都会造成临界限流孔的流速异常，从而影响稀释比，造成该系统采样流量波动，测量结果失真。目前消除这些影响的主要手段就是结合实际工况在现场对该系统的稀释比进行重新校准，对烟气的温度和压力变化能实时进行动态补偿，用与样气测量值相近的标气对该系统进行定期全程标定，这样能减少这些因素对稀释抽取式气态污染物CEMS测量造成的影响。由于该厂采用湿氨法脱除烟气中的二氧化硫，稀释烟气中会有白色的硫酸铵粉末析出堵塞音速小孔，从而使稀释比发生变化，造成仪表测量不准确。由于音速小孔孔径只有头发丝一样大，堵塞后疏通起来比较费时间，一般企业会备有新的音速小孔，替换下堵塞小孔进行疏通处理，这样不会影响仪表的正常测量及数据传输，将仪表故障处理时间降到最少。

（2）影响稀释抽取式气态污染物CEMS中SO2测量的因素主要有：烟气中的烃类、臭氧、烟气中粉尘、测量室温度、激发光源等。

其中烃类化合物由于能使荧光淬灭，使仪器发射荧光的浓度降低，使测量误差偏差较大。美国热电公司的43i紫外荧光法二氧化硫分析仪在样品进入测量气室前装有一个气体洗涤器，用来除去样品中任何烴类化合物，避免该类化合物对测量造成影响。

由于臭氧对一个相对宽的波长范围内紫外光都有吸收，所以为避免空气中臭氧对该仪表测量值的影响，43i分析仪在设计上尽可能地缩短了荧光气室到光电检测器之间的距离，二者之间设有一个窄带滤光片，荧光气室和检测器之间狭缝完全密封。

由于该厂脱硫系统采用的是湿氨法脱硫，稀释后的烟气在传输过程中会有细小的粉尘粉末（主要为硫酸铵粉末）析出，尽管分析仪入口装有目数很小的膜式过滤器，也要定期检查过滤器膜片使用情况，否则如果膜片破损，该分析仪测量气室镜片会受到污染，测量误差变大。

因为温度降低会减少荧光碰撞和非辐射失活的概率，会使荧光的强度增强，分子能量以荧光形式释放的几率变大;温度升高会引起气体黏度减小，从而造成分子发生碰撞的几率和频率变大，分子通过其他形式释放能量，这样产生的荧光效应就会变弱，所以维持测量室温度恒定，一般测量气室温度设定为45 ℃左右，从而使测量结果稳定准确。

激发光源对荧光光谱的影响作用主要是由激发光源的波长和强度不同所造成的，由于物质对光的吸收具有选择性，当激发波长发生细小改变很可能引起荧光效率的巨大改变，从而影响该仪表测量结果。美国热电43i二氧化硫分析仪采用锌灯作为光源，采用特定滤光片让213 nm的主共振线通过，获得稳定的激发波长，光源衰减小和使用寿命长。

5 结束语

随着国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，环境保护是构建和谐社会和资源节约型、友好型社会的重要组成部分，而固定污染源废气排放监测是环境保护的基础工作和数据来源，保证各污染源仪表的稳定测量和数据准确有效尤为重要。以当前最为流行的稀释抽取式气态污染物CEMS为例，从该系统的组成结构、特点、测量原理及影响因素等方面进行详细的叙述，希望能为从事环保工作的同行提供必要的帮助，让其能快速深入了解该系统的主要技术内容。

参考文献

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