火力发电厂烟气排放监测系统优化研究

李 源

（国能浙江北仑第一发电有限公司，浙江 宁波 315824）

1 烟气排放监测系统简介

火力发电厂常规的烟气排放监测系统主要分为四个部分，即污染物、烟气排放参数、颗粒物监测以及设备数据采集系统。其中，前三个系统分别监测的是烟气的污染物含量（如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化合物等）、实时参数（如烟气温度、烟气湿度、排烟压力等）以及颗粒物成分含量。而数据采集系统是将现场所采集到信息数据，通过测量仪表仪器等设备，用数字符号等形式传输到环境监控平台之中，为环保部门提供有力的数据分析。

烟气排放监测系统的工作原理是：首先将气态污染物分析仪、颗粒物分析仪、温度测量仪、压力测量仪以及含氧量测量仪中提取的数据，传送到烟气排放监测系统中的PLC中，然后，一方面可以通过硬接线连接将数据传送到数据采集仪器，再由网络路由器传送到环保部门大的环保监管平台；另一方面可以通过PC上位机传送到打印机，提供数据分析档案。

2 烟气排放监测系统的分类及性能特点

2.1 直接测量法

直接测量法是将发射、接收两种装置分别安装于烟道两端，由紫外或红外发射装置对烟尘进行射线探测，再由接收装置实现光信号的采集并转化为相应的光谱数据，然后由相关人员对光谱数据进行分析，即可了解烟气的排放情况。直接测量法具有操作简单、投资较少等优点，同时在数据收集时可以不用将烟气抽取出来，减少了一些中间环节，但是它也有一定的缺点，首先是在工作环境方面，由于火力发电厂现场环境干扰因素较多，导致整个数据收集工作变得非常不稳定；其次体现在工作量方面，火力发电厂由于本身的特殊性，加上烟气排放系统的维修工作量相对较大，导致很多测量工作无法展开，因此直接测量法被其他更加先进科学的测量方法逐渐取代。

2.2 抽取法

抽取法主要是将烟气排放监测系统中的分析系统以及采样系统隔离开，分析系统一般都是放置在环境较好的工作区域，而采样系统一般都是放置在环境较为恶劣的区域。其具体的工作原理是：先由采样系统的机械设备对烟气进行抽取，然后将其转移到分析系统中进行准确分析。但由于烟气中的含水量相对较高，导致在整个传输过程中，烟气会因为温度的下降出现冷凝现象，使其中的一些物质性状发生改变，最终导致所测量的数据不够准确，科学性不足。因此为了解决问题，人们又将抽取法分为两种形式，分别为加热抽取法以及稀释抽取采样法。

2.2.1 加热抽取法

加热抽取法在结构上主要由加热采集设备、加热抽取管线、样本预处理装置、数据分析仪器以及数据采集系统组成。具体操作方法如下：首先将加热抽取管线放入到烟囱当中抽取烟气，之后通过过滤器过滤，然后利用加热抽取管线将其传输到样本预处理装置当中，将加热探头以及管线进行加热，保证烟气温度处于露点以上，再由样本预处理系统（主要包括冷凝除温器、采样泵、过滤器以及流量控制器）冷却除去水分后，将烟气中相关成分的含量传送到分析仪器当中进行分析对比。加热抽取法的设备维护成本相对较高。

2.2.2 稀释抽取法

稀释抽取法主要是利用干燥纯净空气将烟气进行稀释。这种抽取法首先会将烟气样本中的含水量降低，控制在-20℃左右，同时将烟气中的水汽进行凝结，之后利用空气喷嘴产生真空形态的样本，经过滤器吸入后，利用稀释控制器来控制稀释比列，最后将稀释后的样本传送到分析仪器当中得出数据。从性能来看，稀释抽取法具有独特的优点，样本处理较为简单，不仅具有良好的运行效果，具备较强的实用性，同时还能避免因为维护工作的原因而带来的测量工作的局限性。根据以上特点，很多火力发电厂基本上采用稀释抽取法进行测量，从而保证整个测量工作的科学性[1]。

3 烟气排放监测系统监测仪表分类

3.1 光学投射法

光学投射法是通过发射红外线或者紫外线穿过烟尘，利用烟尘内各类物质对入射光的吸收特征不同，再由光学仪器对烟气成分的含量进行测量比对。在光源的分类上，可以分为钨灯、激光光源测尘仪。其中需要注意的是，钨灯光源的使用寿命较短，已不适合用于光学投射法。而采用半导体激光器作为光源，其同时具有较强的稳定性和较长的寿命，从而在光学投射法上得到了广泛应用。

3.2 光学散射法

光学散射法主要是利用了烟气对入射光起到的散射效果。当光照射烟气中的颗粒物时会发生散射，同时向某一范围角度进行传播由光经光学仪器接收，再传送到分析仪器，其同一范围内的监测信号强度与烟气中的颗粒物成正比。散射法检测仪器属于散射法中的主要应用部件，一般使用激光二级管作为光源，同时采用在烟囱烟道内单面安装的形式对烟气的浓度进行直接测量。

3.3 β射线法

β射线法常用来测量烟气中的颗粒物浓度。β粒子具有较强的穿透能力，当它穿过烟气时，会被烟气中所含有的颗粒物遮挡削弱强度。烟气中颗粒物的浓度与β射线的削弱程度成正比关系。在测量时，抽取一定量的烟气，经过颗粒物切割器筛选后，空气动力学粒径大于筛选标准的颗粒物被截留，剩余颗粒物通过并沉积。通过测量分析前后β射线的强度变化，就可以得出整个火电机组所排放的烟气质量[2]。

3.4 静电荷法

静电荷法是利用了烟气中的尘埃颗粒和静电探头之间发生摩擦而产生的静电。从静电产生的特点来看，静电荷的强弱与烟气排放的质量有一定关系，通过测量静电荷强度就可以推断出整个烟气的浓度值。静电荷法能够较为准确地测量出烟气排放的质量，因此具备较高的实用性，受到了广泛的关注和使用。

4 火力发电厂烟气排放监测系统优化措施

4.1 加强对气态污染物的测量

从火力发电厂排放的气态污染物的结构来看，主要是由二氧化碳以及氮氧化物组成，通过对这两种污染物的有效分析，能够对整个火力发电厂的气态污染物进行精准测量。测量气态污染物主要应用的原理为光学原理，通过对气态污染物中的气态分子进行吸收，然后再利用红外线等形式将其过滤到辐射探测器当中，最后结合探测器所得到的信号与被气体所吸收的光能量，通过计算机等设备对其进行比对，从而对烟气的浓度进行测量分析[3]。

此外，还可以采用非分散紫外线吸收法的分析仪器进行分析监测，这种分析仪器工作原理是，对烟气对不同形式的紫外线吸收程度进行分析，通过对物质组成的测量，将紫外线所发出的光源进行分光后，投射到光电倍增管当中，经过光电转换放大之后，由紫外线所吸收的光量对烟气进行准确分析。另外需要注意的是，由于紫外线的能量较高，辐射程度较大，使得紫外线对于光谱法吸收的灵敏程度较高，具有较高的科学性。其抗干扰能力很强，即使在烟气浓度较低的环境下进行气态污染物测量，也能够保证整个测量法具有较强的稳定性。随着我国对污染物排放不断进行新的指定标准要求，各个火力发电厂对于用非分散紫外线吸收法此类先进方法进行气态污染物测量的技术方法不断成熟[4]。

4.2 加强对颗粒物的测量

对于颗粒物的测量方法主要由两种形式，分别为浊度法以及散射法。浊度法具有很强的测量性，尤其是适合对高浓度颗粒物介质的测量，因此在早期阶段，被各个火力发电厂广泛使用。在进入21世纪以后，随着科学技术的不断发展，各种新兴的环保技术陆续应用于生产，使得烟气排放中的颗粒物含量不断下降。尤其是在大量新建设或改造的环保设备中，浊度法被散射法逐渐的替代。为了能够更好地解决烟气中含有的大量烟尘对散射光的干扰问题，就必须采用散射法的测量仪表仪器对颗粒物进行快速而精准测量。为了能够降低颗粒物的排放量，可以应用干燥式散射法，从而保证整个检测工作能够快速进行，同时还能够克服烟气湿度所带来的影响，降低整个烟气监测工作的成本支出，维护火力发电厂运行自身的经济效益。

4.3 加强对烟气排放参数的测量

火力发电厂烟气参数测量主要包括以下几种，分别为烟气温度、烟气流量、压力、烟气含氧量以及烟气湿度的测量。整个测量过程需要注意的是环境与介质的腐蚀性问题以及堵塞问题，以免因烟气排放造成堵塞，在一定程度上对火电机组运行安全形成威胁。

在烟气排放参数测量上，可以采用烟气流量测量的方法，对烟气的流动速度进行计算，主要方法包括皮托管法、热平衡法以及超声波法。皮托管法和热平衡法为点式测量，超声波法为线式测量。从目前的使用范围来看，我国大部分火力发电厂所采用的是皮托管法，这种监测方法具有较好的使用性。

氧气含氧量作为判断烟气稀释程度的依据，在参数测量上也有着重要的作用。为了能够得到具体的参数值，可以采用干湿氧法对烟气中的气态污染物进行准确测量分析，然后利用红外线的光学原理进行实时监测，保证整个监测过程的质量[5]。

4.4 采样方式的优化

现阶段的烟气排放检测的采样方式优化主要有两种技术思路：

第一种是安大略法（Ontario Hydro Method），在采用它的采样检测系统的头部有一个由热电偶、恒温采样头与石英纤维过滤棉芯组成的吸入式检测装置，主要是用于检测火力发电厂中的烟气中气态汞与二噁英等危害物质含量，恒温采样头部以枪型探头设置在烟气排放口附近。同时在采用安大略法的采样系统中还附带有3个装有KCl水溶液的试剂瓶充当收集装置，当需要进行烟气检测采样时，只需要在烟囱管道的附近形成负压，将检测烟气吸入进去，并与清洁干燥的空气按照一定的比例进行稀释后，就可以相应地减少测烟气中的水分，使样本中的露点温度远远低于室内温度，就能够完成对烟气气态汞或其他有害物质的采样检测。

第二种是英国的BS EN 13211法，它同样由石英纤维滤纸来充当滤筒加热箱构件，但区别是由于探测头部的捕捉机制不同，使得它不需要安大略法的负压收集步骤。在石英纤维滤纸捕捉到气态汞、二氧化硫、二噁英以及烃烷类物质后，由两个分别装有质量浓度为40g/L的KMnO4溶液与体积分数为0.1的H2SO4溶液的试剂瓶作为吸收装置，并通过装有干燥剂的试剂瓶来过滤掉烟气中的水气，在得到的样本经过消解后，可以直接通过冷原子光谱吸收法来测定各类排放物的痕量。在使用时可以直接将监测系统中的分析单元直接安装在烟囱当中，通过更加直接的方式对烟气进行分析测量。BS EN 13211法的优点是，能够减少中间环节，省去采样以及烟气预处理单元，保证整个监测数据的实用性更强，省去了一部分的资金投入；其缺点是，该抽取方式容易受到外部环境以及腐蚀、振动等现象的影响。如果这些影响因素相对较大，会导致整个测量数据产生不确定性。因此，需要相关工作人员可考虑采取加装保护外壳、避震装置等措施，并定期对测量参数进行校验，减少外部环境所带来的影响。

5 结束语

通过对采样方式的优化、烟气排放测量参数的优化、颗粒物测量的优化以及气态污染物的测量的优化，保证环保装置能够正常进行。该系统的改进无论在测量技术路线上还是在运行维护上都是一件任重而道远的工作，还需要通过我们大家不断地摸索，以此来更好地为我国的环保事业做贡献，同时促进火力发电厂安全、环保、经济运行，保证供电的合理性。■