俞景林

(上海蒙福隴化學(xué)工程有限公司，上海 200030)

CEMS在丙烯腈裝置廢水焚燒爐中的應(yīng)用

俞景林

(上海蒙福隴化學(xué)工程有限公司，上海 200030)

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)作為煙氣污染物排放監(jiān)測的一個重要手段，在化工行業(yè)中已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。結(jié)合某丙烯腈裝置廢水焚燒爐中CEMS的應(yīng)用實例，從工程設(shè)計的角度介紹CEMS的組成、工作原理、相關(guān)配置以及選型過程中需注意的相關(guān)問題。通過對CEMS的合理應(yīng)用，不僅能夠?qū)崟r地監(jiān)測煙氣排放的各項指標(biāo)，在一定程度上還可以作為裝置操作人員及工程師優(yōu)化工藝及設(shè)備操作的參考。

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) 廢水焚燒爐 采樣 預(yù)處理

煙氣污染物主要是指煙塵顆粒物、SO2和NOX。煙氣中的顆粒物大量排入大氣將對大氣造成嚴(yán)重污染，其中顆粒物中的PM2.5，即粒徑小于等于2.5 μm的顆粒為可吸入顆粒物，吸入人體后容易導(dǎo)致氣管炎、肺功能下降等疾病，嚴(yán)重危害人體健康。目前國內(nèi)大氣污染形勢非常嚴(yán)峻，所以對化工廠、火電廠等的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測CEM(continuous emission monitoring)是治理大氣污染工程中必不可少的環(huán)節(jié)；并且它的監(jiān)測數(shù)值也可以作為裝置操作員和工程師優(yōu)化工藝和設(shè)備操作的參考數(shù)值，使裝置的排放保持在相關(guān)法律規(guī)定的限值內(nèi)，同時還可以降低運(yùn)行成本，節(jié)能減耗。筆者通過煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)在某丙烯腈裝置廢水焚燒爐中的應(yīng)用，對CEMS的工程設(shè)計進(jìn)行簡要說明。

1 裝置特點

丙烯腈裝置在操作工況和事故工況下將排出有毒的廢液和廢氣，在一定程度上會造成環(huán)境污染。為了滿足環(huán)保要求，必須對含有丙烯腈、乙腈、氫氰酸、一氧化碳、二氧化碳等組分的有毒廢液和廢氣進(jìn)行處理。因此，在該項目中必須在裝置下游引入廢液焚燒爐，把上述的有毒排放物送到焚燒爐中燃燒，并利用廢熱鍋爐回收熱能，在焚燒爐尾端設(shè)置有50 m高的煙囪。由于該裝置焚燒物的介質(zhì)較為復(fù)雜，在焚燒過程中可能會產(chǎn)生一定量的粉塵，SO2，CO，NOX，為保證污染物的排放不超過表1中所列的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，該裝置引入CEMS來監(jiān)測排放將尤為重要，這不僅是作為該裝置焚燒爐運(yùn)行的重要考核指標(biāo)，也是作為裝置操作人員及工程師優(yōu)化工藝和設(shè)備操作的重要參考數(shù)據(jù)，最終防止在廢水處理過程中對環(huán)境造成二次污染。

表1 主要污染物排放指標(biāo)

2 CEMS的系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 CEMS組成及類型

CEMS主要由顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)，氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)，煙氣排放參數(shù)測量子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理子系統(tǒng)等組成。通過采樣和非采樣方式，測定煙氣中顆粒物濃度、氣態(tài)污染物濃度，同時測量煙氣溫度、壓力、流速或流量、 含氧量等參數(shù)；計算煙氣中污染物濃度和排放量；顯示和打印各種參數(shù)、圖表，并通過數(shù)據(jù)、圖文傳輸系統(tǒng)傳輸至固定污染源監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

根據(jù)煙氣的采樣及監(jiān)測方式，CEMS大致可分為如下幾類： 抽取采樣系統(tǒng)、原位測量系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、參數(shù)測量系統(tǒng)[2]。目前國內(nèi)最為常用的是抽取采樣和原位測量兩種分析方式。在該項目中，根據(jù)煙氣的特點，對粉塵監(jiān)測采用原位測量，對其余污染物的測量采用抽取采樣的方式，由于煙氣的溫度較高，并且含有一定的濕氣和粉塵，因而在使用抽取采樣測量系統(tǒng)時，樣氣抽取后應(yīng)先進(jìn)入樣品預(yù)處理系統(tǒng)再送到分析儀表進(jìn)行測量。

2.2 煙氣參數(shù)測量

煙氣參數(shù)主要包括煙氣流速、溫度、壓力等，利用這些參數(shù)測量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣的流量，以便計算煙囪的排污總量[2]。該裝置的煙氣參數(shù)見表2所列。

表2 煙氣參數(shù)

煙氣流速一般可采用壓差法、熱傳感法、超聲波法測量。本文采用皮托管流量計，利用壓差法對煙氣流量進(jìn)行測量。它采用線測量，即在同一側(cè)測量多個點位的壓力，將壓力平均后，送至壓差變送器中，測量出流量，避免了點測量法以點代表整個截面的測量方法，消除了測點斷面處煙氣流量不穩(wěn)定所造成的數(shù)據(jù)波動。另外由于皮托管獨特的粗管和細(xì)管設(shè)計，細(xì)管正對煙氣流速的方向，粗管背對煙氣流速的方向，會最大限度地減小由于煙氣的紊流帶來的干擾。為了延長設(shè)備的使用壽命，皮托管材質(zhì)采用316耐酸不銹鋼，同時為了防止皮托管測量孔堵塞，皮托管應(yīng)帶自動反吹裝置。

2.3 煙氣采樣及預(yù)處理

系統(tǒng)采用完全抽取方式，用氣體采樣探頭采集待檢測的試樣，通過氣體探頭內(nèi)的初級過濾器，先除去比較大的灰塵。該裝置采樣探頭內(nèi)部帶有40 μm的不銹鋼過濾器，能夠最大限度地防止探頭堵塞。探頭帶有自動反吹功能，能夠定期清洗管路和采樣器部分，延長了維護(hù)周期。在采樣時如果過濾器上附有水分，過濾器馬上會被堵塞，同時使SO2氣體溶解損失，因而需預(yù)先將進(jìn)入的待測氣體加熱到高溫。另外，在測定所含SO2，NOX氣體成分時，為了使從采樣探頭到主機(jī)機(jī)箱間的特氟龍導(dǎo)管內(nèi)不出現(xiàn)水分，對采樣管線也必須進(jìn)行加熱，然后把待測試樣導(dǎo)入到主機(jī)機(jī)箱。

從氣體入口進(jìn)入主機(jī)的試樣通過排液分離器冷卻到機(jī)箱內(nèi)部溫度，分離出氣體中的水分，再經(jīng)過前冷卻器除濕，排液分離器及前冷卻器中產(chǎn)生的水分經(jīng)排液器排出。試樣在經(jīng)過NO2-NO轉(zhuǎn)換器、霧吸收器、過濾器后，通過電磁閥被抽氣泵吸取。這時試樣在其后的針形閥流出時，被分成樣品線和旁路線2條分支線路，在樣品線中的試樣接著進(jìn)入冷卻器，被冷卻到2℃，分離出水分，使試樣中所含水體積分?jǐn)?shù)保持在2℃飽和狀態(tài)，然后通過電磁閥導(dǎo)入到分析儀，在其中依次通過非分散紅外線分析器、O2磁風(fēng)儀進(jìn)行檢測分析，最后排到機(jī)箱外部。

2.4 分析儀器的測量原理

CEMS分析儀器的測量技術(shù)主要有吸收光譜法、發(fā)光法、電化學(xué)分析法、順磁法、催化量熱法及光散射法等。該裝置CEMS主要采用吸收光譜法中的非分散紅外吸收法原理測量煙氣中的SO2，NOx及CO；利用順磁原理測量煙氣中的氧含量。

2.4.1 非分散紅外吸收法原理

根據(jù)在2.5～12.0 μm波長范圍由異種原子構(gòu)成的分子氣體固有的吸收特性，即在該波長范圍內(nèi)分子存在固有的振動現(xiàn)象，在特定波長下的分子振動引起光譜的吸收，除了惰性氣體或N2，H2，O2等氣體(由2個同種原子構(gòu)成)之外，大部分的氣體分子都有特定的吸收光譜，紅外光在樣品池被吸收，吸收的定量關(guān)系與朗伯(Lambert)/比耳(Beer)定律一致。

由光源發(fā)出的紅外光經(jīng)斬光器，交替通過樣品池和參比池，然后進(jìn)入檢測器，在參比池內(nèi)封入的是N2或空氣，所以對紅外光沒有吸收，當(dāng)紅外光通過參比池時在檢測器得到的信號與光源發(fā)出的信號相同；而當(dāng)紅外光通過樣品池時，試樣中含有的待測成分對紅外光有吸收，在檢測器得到的信號與待測成分體積分?jǐn)?shù)成比例，因而可以根據(jù)標(biāo)氣時的參比信號和試樣信號的比例，同時根據(jù)滿量程氣體時的參比信號和樣品池信號的比例計算出體積分?jǐn)?shù)，其中比較信號可以起到監(jiān)視器的作用，隨時對由于光源或檢測器的靈敏度變化而引起的誤差進(jìn)行校正，從而保證得到穩(wěn)定可靠的測量數(shù)據(jù)。

2.4.2 煙氣含氧量測定原理

O2分子具有在磁場作用下易于磁化的性質(zhì)，特別是O2分子的永磁化性比其他氣體分子大得多，O2分析儀利用該特性進(jìn)行測定。分析儀的測定部分采用兩個形狀相似的小室，在兩個小室內(nèi)各插入1根加熱絲，另外只在試樣測定一側(cè)加強(qiáng)磁場，將待測的試樣導(dǎo)入兩個小室，引起O2分子被磁化，同時由于加熱絲的作用會使磁化率減小，形成連續(xù)的氣體流(磁力風(fēng))，該磁力風(fēng)的強(qiáng)度與O2體積分?jǐn)?shù)成一定比例，而且會使加熱絲冷卻，在樣品側(cè)和參比側(cè)的2根加熱絲組成1個惠斯頓電橋，由于磁力風(fēng)的作用使電橋的電阻發(fā)生變化，利用不平衡電壓測定O2的濃度。

2.4.3 激光粉塵儀工作原理及結(jié)構(gòu)簡述

在線煙塵監(jiān)測儀最常使用的是光學(xué)方法，按原理分為濁度法測量和激光散射法測量兩種。前者適合于較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測量，后者適合于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測量，文中以西克麥哈克的FW300系列測塵儀為例。FW300采用單光路雙光程的測量方案。在雙光程儀器中光穿過煙囪兩次，其測量效果能增加一倍。雙光程儀器用反射鏡代替接收器部件。將光源和接收器放在一個殼體中有許多優(yōu)點，最重要的是發(fā)射光源和接收光的檢測器是在同一個溫度下運(yùn)行的，這樣克服了在單檢測器系統(tǒng)中熱飄移的影響，后者需要對測量進(jìn)行額外的溫度補(bǔ)償。雙光程顯示最高的精度，可考慮作為標(biāo)準(zhǔn)。

3 煙氣對CEMS的影響

3.1 煙氣中的SO3帶來的高腐蝕問題

在丙烯腈裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水含有一些硫化物，其在燃燒時，主要生成SO2，但是其中有1%～5%可能氧化成SO3。雖然SO2在潔凈干燥的大氣中氧化成SO3的過程是很緩慢的，但是在相對濕度比較大，特別是在有顆粒物存在時，可發(fā)生催化氧化反應(yīng)，從而加快生成SO3。

當(dāng)SO3溶于水時放出大量的熱，使液態(tài)的水蒸發(fā)成水蒸氣，而SO3的熔點(16.8℃)和沸點(44.8℃)很低，因而它也會蒸發(fā)為氣態(tài)，并與空中的水蒸氣反應(yīng)生成含有硫酸的細(xì)小顆粒狀霧珠，也就是酸霧。該酸霧腐蝕接頭、電磁閥，造成氣路管路漏氣、分析儀測量池污染嚴(yán)重、部件損壞等，增加了維護(hù)量及維護(hù)成本。因此，在選型時可選用由很多細(xì)微孔的硅藻土為填充劑構(gòu)成的霧吸收器，更能有效地去除和吸收SO3，降低腐蝕性，減少維護(hù)。霧吸收器在CEMS系統(tǒng)中同時過濾其他粉塵結(jié)晶物，保證了采樣泵等重要部件的長期運(yùn)行，延長了部件的壽命。

3.2 煙氣中水分的干擾問題

煙氣中的水分會吸收一部分SO2氣體，使實際測量值偏低。為了解決該問題，系統(tǒng)使用了三級冷凝技術(shù)來解決這些問題。

1) 第一級冷凝。煙氣冷卻至環(huán)境溫度，即保持前置冷凝器前采樣管線的一定斜度和長度(2 m左右)。

2) 第二級冷凝。煙氣冷卻至低于環(huán)境溫度5℃，即前置冷凝器的設(shè)計溫度為低于環(huán)境溫度5℃。

3) 第三級冷凝。煙氣冷卻至2℃左右，達(dá)到除濕的目的，即主冷凝器的設(shè)計溫度為(2±1)℃。

4 數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信

CEMS應(yīng)具有數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)通信功能，周期性地采集各個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器發(fā)來的各種信息，進(jìn)行處理、存儲，并提供網(wǎng)絡(luò)接入功能，向有關(guān)部門定時傳輸數(shù)據(jù)和圖表，并隨時接受數(shù)據(jù)查詢，定時發(fā)送時鐘命令并校準(zhǔn)時鐘。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)至少配置RS-232，RS-422，RS-485中的某一種通信接口[3]，數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議應(yīng)符合文獻(xiàn)[4]的相關(guān)要求。

5 CEMS的安裝

CEMS采樣探頭應(yīng)安裝在能夠準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測固定污染源煙氣排放狀況的位置上，一般要求CEMS應(yīng)位于固定污染源排放控制設(shè)備的下游，不受環(huán)境光線和電磁輻射的影響，煙道振動幅度盡可能小，安裝位置應(yīng)避免煙氣中水滴和水霧的干擾，煙囪上應(yīng)設(shè)置易于人員到達(dá)和操作維護(hù)的采樣或監(jiān)測平臺。具體安裝應(yīng)滿足文獻(xiàn)[1]的相關(guān)規(guī)定。

為了便于CEMS的維護(hù)和操作，該系統(tǒng)在現(xiàn)場煙囪附近非防爆區(qū)域設(shè)置了分析小屋，小屋內(nèi)應(yīng)至少配置有空調(diào)、通風(fēng)換氣系統(tǒng)、安全檢測報警系統(tǒng)、照明、插座、開關(guān)等，其中安全檢測報警系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置有低氧濃度檢測器、CO檢測器、SO2檢測器等，當(dāng)小屋內(nèi)任何一種氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到報警設(shè)定值后，安全檢測報警系統(tǒng)都將發(fā)出聲光報警信號，同時自動啟動通風(fēng)換氣系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

綜上所述，鑒于CEMS測量方式及測量原理的多樣化，其系統(tǒng)組成也各不相同，設(shè)計者在實際工程設(shè)計選型時，應(yīng)在滿足系統(tǒng)功能的前提下，根據(jù)工程的實際情況及各地環(huán)保部門的具體要求合理地配置系統(tǒng)，為工程提供合理且經(jīng)濟(jì)實用的CEMS。

[1] 國家環(huán)境保護(hù)總局.HJ/T 75—2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)[S].北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[2] 王森.在線分析儀器手冊[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3] 國家環(huán)境保護(hù)總局.HJ/T 76—2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及監(jiān)測方法(試行)[S].北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[4] 國家環(huán)境保護(hù)總局.HJ/T 212—2005污染源在線自動監(jiān)控(監(jiān)測)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[S].北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

[5] 夏芳.CEMS在催化裂化裝置煙氣脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2011，47(05)： 74-75.

[6] 肖瑞崗.CEMS在應(yīng)用中存在的問題及解決方案[J].電力技術(shù)，2009(09)： 62-64.

[7] 戴麗萍，趙云格.CEMS在火電廠中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2007(05)： 44-46.

[8] 國家環(huán)境保護(hù)總局.HJ/T 352—2007環(huán)境污染源自動監(jiān)控信息傳輸、交換技術(shù)規(guī)范(試行)[S].北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[9] 國家環(huán)境保護(hù)局及國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 16157—1996固體污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[10] 環(huán)境保護(hù)部及國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京： 中國環(huán)境出版社，2014.

[11] 張力升.CEMS煙氣連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的冬季維護(hù)[J].化工自動化及儀表，2012，39(04)： 528-530，533.

[12] 呂品，申艷杰.Symphony在600 MW超臨界直流爐機(jī)組濕法煙氣脫硫中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2012，39(08)： 1083-1085，1088.

Application of CEMS in Acrylonitrile Plant’s Wastewater Incinerator

Yu Jinglin

(Shanghai Menflowtech Chemical Engineering Co. Ltd.， Shanghai， 200030， China)

As an important method to monitor emission of smoke pollutants， the continuous emission monitoring system (CEMS) is getting more widely application in chemical industry. Combined with the example of CEMS application in an acrylonitrile plant’s wastewater incinerator， constitution， working principles， relative configurations and notes to be taken during selection are introduced from perspective of engineering design. By reasonable application of CEMS， it is possible not only to monitor various indexes of smoke emissions， but also provide references of process optimization and equipment operation to operators and engineers.

fuel gas continuous emission monitoring system； wastewater incinerator； sampling； pretreatment

俞景林(1983—)，男，福建永安人，2006年畢業(yè)于浙江理工大學(xué)自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于上海蒙福隴化學(xué)工程有限公司，從事石油化工自動化設(shè)計工作，任工程師。

TP274+.5

B

1007-7324(2015)01-0022-03

稿件收到日期： 2014-08-12，修改稿收到日期： 2014-11-28。