張鋒

(中石化寧波工程有限公司 脫硫脫硝技術(shù)公司， 上海 200030)

鍋爐煙氣超凈排放項(xiàng)目中CEMS應(yīng)用探討

張鋒

(中石化寧波工程有限公司 脫硫脫硝技術(shù)公司， 上海 200030)

介紹了新的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中特征污染物的排放極值的新要求，討論了煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)如何在污染物的質(zhì)量濃度超低范圍應(yīng)用于工程項(xiàng)目的問(wèn)題,著重介紹了直接抽取法和稀釋抽取法的測(cè)量原理及在超低質(zhì)量濃度測(cè)量中的應(yīng)用，針對(duì)超低排放的工況條件、采樣過(guò)程的特殊性，提出了在污染物的質(zhì)量濃度超低情況下CEMS應(yīng)用的注意事項(xiàng)與發(fā)展改進(jìn)新思路。

超凈排放 煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 直接抽取法 稀釋抽取法

中國(guó)在“十二五”期間提高了對(duì)大氣污染物排放的控制要求。伴隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]、GB 13223—2011《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]、GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[3]中的特征污染物的質(zhì)量濃度極值已經(jīng)比過(guò)去的標(biāo)準(zhǔn)值大幅提高。為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求和企業(yè)發(fā)展需求，中國(guó)石化股份有限公司下屬各分廠(chǎng)含自備電廠(chǎng)燃料鍋爐都陸續(xù)進(jìn)行超凈排放改造以適應(yīng)新的排放標(biāo)準(zhǔn)。以文獻(xiàn)[2]為例，重點(diǎn)地區(qū)火力發(fā)電廠(chǎng)燃煤鍋爐污染物的質(zhì)量濃度排放標(biāo)準(zhǔn)的極值見(jiàn)表1所列。

1 CEMS系統(tǒng)

固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)為顆粒物，含SO2以及NOx等氣態(tài)污染物，排放氣相關(guān)參數(shù)包括:煙氣流量、溫度、壓力、含氧量、濕度、氨逃逸量等。HJ/T 75—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行)》[4]中定義，CEMS由氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)組成。通過(guò)采樣和非采樣方式，測(cè)量煙氣中的上述指標(biāo)，計(jì)算煙氣中污染物的質(zhì)量濃度和排放量，顯示和打印各種參數(shù)、圖表并通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳輸至政府環(huán)境監(jiān)控平臺(tái)，形成政府對(duì)企業(yè)生產(chǎn)排放的監(jiān)管。

表1 火力發(fā)電廠(chǎng)燃煤鍋爐污染物的質(zhì)量濃度排放極值 mg/m3

2 CEMS的測(cè)量原理及在超低質(zhì)量濃度測(cè)量中的應(yīng)用

超低排放CEMS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在原有CEMS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上針對(duì)工況條件進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的，主機(jī)采用超低量程的主機(jī)，采樣過(guò)程采用特有的采樣形式，否則會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差，無(wú)法為環(huán)保監(jiān)測(cè)部門(mén)提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。氣態(tài)污染物SO2和NOx的測(cè)量，根據(jù)采樣方法的不同，通常采用的有直接抽取法和稀釋抽取法。

2.1 直接抽取法測(cè)量原理

依據(jù)朗伯-比爾吸收定律制成的光譜吸收儀，分為非分散紅外吸收法和非分散紫外吸收法。非分散紅外吸收法可以同時(shí)測(cè)量SO2和NO的質(zhì)量濃度，當(dāng)采用非分散紅外吸收法測(cè)量NOx的質(zhì)量濃度時(shí)，因NO2對(duì)特定譜段紅外光無(wú)法吸收，所以需要加裝轉(zhuǎn)換爐將NO2轉(zhuǎn)化為NO，通過(guò)NO的質(zhì)量濃度反應(yīng)NOx的質(zhì)量濃度。該方法需要注意NO2在轉(zhuǎn)化為NO過(guò)程中的轉(zhuǎn)化率問(wèn)題，如果轉(zhuǎn)化率不確定，則測(cè)量精度也受到影響。當(dāng)采用非分散紫外吸收法時(shí)，可以同時(shí)測(cè)量SO2和NO2的質(zhì)量濃度，而且該方法不受水分子光譜段的干擾，因此測(cè)量精度較高，但是紫外發(fā)生晶體管是易耗件，且需頻繁更換，價(jià)格也比較貴，這是選用時(shí)需要考慮的因素。

超凈排放改造處理后的煙氣，氣態(tài)污染物的質(zhì)量濃度正常情況下均低于100 mg/m3，抽取的過(guò)程中如果忽略，導(dǎo)致被測(cè)組分的損失，則會(huì)大幅影響測(cè)量的精度。此外，鍋爐外排煙氣中含有大量的水分，而采樣管線(xiàn)從采樣點(diǎn)到分析儀表的路徑較長(zhǎng)，采樣過(guò)程中如果某段管線(xiàn)溫度過(guò)低，低于煙氣的露點(diǎn)溫度，采樣煙氣會(huì)凝結(jié)成水，而SO2和NOx均能溶于水，將會(huì)導(dǎo)致被測(cè)組分流失。此種流失在高量程測(cè)量時(shí)可以看作是低誤差的測(cè)量值損失，而在超凈排放的測(cè)量量程內(nèi)，流失的量則不可忽視，因此在超凈改造項(xiàng)目中，氣態(tài)污染物的測(cè)量首先要防止被測(cè)組分的流失。通常采取的措施是加熱采樣探頭、伴熱采樣管線(xiàn)，使采樣全過(guò)程的溫度不低于140 ℃，保證采樣煙氣中的水分一直處于氣體狀態(tài)，抑制被測(cè)組分的流失。

而水蒸氣分子會(huì)對(duì)特定譜段的紅外光進(jìn)行吸收，從而對(duì)被測(cè)組分進(jìn)行干擾，該干擾對(duì)被測(cè)組分的測(cè)量影響較大。因此，采樣煙氣進(jìn)分析儀前必須去除樣氣中的水蒸氣。常見(jiàn)方法有冷凝法和滲透干燥除濕法。冷凝法常用的是壓縮機(jī)制冷，2套壓縮機(jī)串聯(lián)組成二級(jí)制冷回路，壓縮機(jī)制冷效率高、性能穩(wěn)定，故制冷效果比較好。在冷凝階段為了防止被測(cè)量組分丟失，通常會(huì)在冷凝容器中配置磷酸形成磷酸飽和溶液，抑制SO2和NOx等組分的溶解。

滲透干燥除濕法采用那分(nafion)管，利用內(nèi)部硫磺酸親水的特性，通過(guò)水合作用滲透吸收去除煙氣中的水分。該方法不會(huì)對(duì)煙氣冷凝，避免了被測(cè)組分與水接觸溶解，能更有效地抑制被測(cè)組分損失，但是那分管本身對(duì)煙氣的要求很高，堿性物質(zhì)和顆粒物都會(huì)使那分管失效，如何高效地除去雜質(zhì)保證那分管正常工作是應(yīng)用的關(guān)鍵。

典型直接抽取法采樣流程示意如圖1所示。

2.2 稀釋抽取法測(cè)量原理

目前普遍采用脈沖紫外熒光法SO2分析儀和化學(xué)發(fā)光法NOx分析儀。稀釋抽取法采用獨(dú)特的現(xiàn)場(chǎng)樣品預(yù)處理的氣體采集方式；在采樣探頭頂部，通過(guò)1個(gè)音速小孔進(jìn)行采樣,并用干燥的儀表空氣在探頭內(nèi)部進(jìn)行稀釋。樣氣進(jìn)入分析儀之前不需要進(jìn)行除濕處理，通常選擇稀釋比在100∶1至250∶1之間的樣氣，經(jīng)過(guò)稀釋后，有效地降低了樣氣的露點(diǎn)溫度，使之低于安裝地的環(huán)境最低溫度，從而避免了樣氣在環(huán)境溫度下產(chǎn)生的結(jié)露現(xiàn)象；另一方面，樣氣雖然經(jīng)過(guò)稀釋?zhuān)詾閹駳怏w，測(cè)量過(guò)程是典型的濕法測(cè)量。

由于稀釋探頭采樣不需要除濕設(shè)備，因而無(wú)需購(gòu)置除濕設(shè)備，可以徹底避免樣氣在采樣管線(xiàn)中冷凝結(jié)水，而且無(wú)需加熱氣體傳輸管線(xiàn)并可避免許多與其他采樣技術(shù)伴隨而來(lái)的麻煩。稀釋抽取法的測(cè)量方法是美國(guó)EPA優(yōu)選的帶濕計(jì)算方法，不僅避免了除濕過(guò)程中產(chǎn)生的SO2和NOx損失，而且徹底消除了直接采樣法經(jīng)常發(fā)生的由于水分沒(méi)有從試樣中徹底消除而帶來(lái)的腐蝕影響。稀釋法提供帶濕樣氣測(cè)量數(shù)值和帶濕煙氣流量值，因而不再需要為數(shù)據(jù)修正提供額外的濕度計(jì)。

稀釋系統(tǒng)的采樣管線(xiàn)由4根聚四氟乙烯管組成，其中2根分別用于往采樣探頭輸送校準(zhǔn)氣和稀釋空氣，剩余2根分別用于往各種分析儀器輸送稀釋后的煙氣樣氣和探頭部分的真空度監(jiān)測(cè)。所有采樣管線(xiàn)除真空管線(xiàn)外都是正壓，避免了由氣體泄漏而帶來(lái)的誤差。稀釋采樣法在樣氣的采集和傳輸過(guò)程中，不像非稀釋采樣法那樣需要采樣泵及若干個(gè)流量控制閥，從而降低了設(shè)備購(gòu)置費(fèi)和運(yùn)行維護(hù)成本，減少了故障隱患。采樣管線(xiàn)距離最遠(yuǎn)可達(dá)100 m。稀釋抽取法采樣流程如圖2所示。

圖1 典型直接抽取法采樣流程示意

圖2 稀釋抽取法取樣流程示意

3 結(jié)束語(yǔ)

CEMS不論是在煙氣脫硫、脫硝工藝反應(yīng)過(guò)程，還是在政府環(huán)保部門(mén)監(jiān)管終端的參數(shù)指示過(guò)程都扮演極其重要的角色。CEMS應(yīng)用好壞間接決定了煙氣超凈排放的成敗。在CEMS應(yīng)用過(guò)程中還需要不斷地探討與改進(jìn)，以選用合適的系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足不同工況下工程的應(yīng)用。

[1] 撫順石油化工研究院,中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院.GB 31570—2015石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2015.

[2] 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院.GB 13223—2011火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[3] 天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院.GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2014.

[4] 上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，中日友好環(huán)境保護(hù)中心.HJ/T 75—2007 固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行) [S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[5] 國(guó)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(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法(試行)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[6] 環(huán)境保護(hù)部/國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 13323—2011 火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[7] 孫磊，黃步余，任軍，等.SH/T 3174—2013 石油化工在線(xiàn)分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)石化出版社，2013.

[8] 陳昕.淺析國(guó)內(nèi)FCCU煙氣除塵脫硫技術(shù)控制要點(diǎn) [J].石油化工自動(dòng)化，2015，51(03)：8-12.

[9] 叢經(jīng)緯，楊金城.火力發(fā)電廠(chǎng)煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用分析 [J].石油化工自動(dòng)化，2017，53(02)：50-53.

[10] 王森，周永峰，劉德允，等.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[11] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)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。

張鋒(1978—)，男，山東臨淄人，2001年畢業(yè)于青島大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化寧波工程有限公司脫硫脫硝技術(shù)公司，從事儀表工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TH744.4

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1007-7324(2017)06-0057-03