任清潔，陳光，張冉，徐克濤

（1.華電陜西能源有限公司，陜西西安710000；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

超低排放機(jī)組煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)分析

任清潔1，陳光2，張冉2，徐克濤2

（1.華電陜西能源有限公司，陜西西安710000；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

燃煤機(jī)組超低排放改造后，原有煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）技術(shù)要求及檢測方法已不足以滿足監(jiān)測的需求，因此需要準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性更高的CEMS設(shè)備來滿足現(xiàn)階段超低排放機(jī)組煙氣自動(dòng)監(jiān)測的要求。分析當(dāng)前氣態(tài)污染物CEMS存在主要問題，研究超低排放機(jī)組氣態(tài)污染物CEMS技術(shù)現(xiàn)狀，并對比分析氣態(tài)污染物CEMS監(jiān)測方法，最后提出適合超低排放機(jī)組的氣態(tài)污染物監(jiān)測技術(shù)路線。

CEMS；超低排放；氣態(tài)污染物；直接抽??；稀釋抽取

0 引言

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（Continuous Emissions Monitoring Systems，以下簡稱CEMS）是指對大氣污染源排放的氣態(tài)污染物和顆粒物進(jìn)行濃度和排放總量連續(xù)監(jiān)測裝置，是環(huán)保監(jiān)管的重要手段，尤其是在國家“十一五”、“十二五”總量減排過程中，發(fā)揮了巨大的作用。但隨著超低排放的實(shí)施，大氣污染物排放現(xiàn)狀CEMS的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性提出了新的要求。僅就CEMS本身技術(shù)而言，我國所掌握的CEMS技術(shù)并不遜色于國外，但就技術(shù)的使用細(xì)節(jié)而言，與歐美還有一定差距[1]。

燃煤機(jī)組超低排放改造后，原有CEMS技術(shù)要求及檢測方法已不足以滿足監(jiān)測的需求，新的規(guī)范要求正在修訂中。在此過程中，國家相關(guān)部門以及地方政府也相繼出臺(tái)了有關(guān)超低排放監(jiān)測設(shè)施的要求或指導(dǎo)性意見，因此需要準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性更高的CEMS設(shè)備來滿足現(xiàn)階段超低排放機(jī)組煙氣自動(dòng)監(jiān)測的要求。本文研究氣態(tài)污染物CEMS的技術(shù)現(xiàn)狀，并旨在提出適合超低排放機(jī)組氣態(tài)污染物的監(jiān)測路線。

1 氣態(tài)污染物CEMS系統(tǒng)構(gòu)成

氣態(tài)污染物CEMS一般由氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理與通訊子系統(tǒng)組成[2]。氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)主要用于監(jiān)測氣態(tài)污染物SO2、NOx等的濃度和排放總量；煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)主要用來測量煙氣流速、煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣含氧量、煙氣濕度等，用于排放總量的計(jì)算和相關(guān)濃度的折算；數(shù)據(jù)采集處理與通訊子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄、上傳等工作。

2 超低排放機(jī)組氣態(tài)污染物CEMS技術(shù)現(xiàn)狀

隨著燃煤機(jī)組超低排放實(shí)施，傳統(tǒng)在線監(jiān)測方法已不能滿足低濃度污染物排放監(jiān)測的需求，為了適應(yīng)污染源排放要求的變化，國內(nèi)外的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及設(shè)備廠家針對超低排放形勢下的氣態(tài)污染物CEMS進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化和革新，目前的低濃度CEMS已能夠滿足超低排放的監(jiān)測需要。下面對國內(nèi)外主流的氣態(tài)污染物在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行比較分析。

2.1 超低排放機(jī)組氣態(tài)污染物CEMS技術(shù)現(xiàn)狀

超低排放低濃度氣態(tài)污染物CEMS測量方法較多，根據(jù)采樣系統(tǒng)可分為直接抽取式和稀釋抽取式，根據(jù)分析方法可以分為紅外吸收法、紫外吸收法、紫外熒光法以及化學(xué)發(fā)光法等，具體分類如下：

2.1.1 氣態(tài)污染物CEMS原理-按采樣系統(tǒng)劃分

2.1.1.1 直接抽取式

（1）冷干完全抽取式：冷干完全抽取法是較為傳統(tǒng)的煙氣連續(xù)監(jiān)測方法，由取樣探頭、伴熱傳輸管線、樣氣預(yù)處理、反吹掃、樣氣分析儀、儀表校準(zhǔn)、程序控制等部分組成。通過伴熱傳輸管線將煙氣抽取、經(jīng)過采樣探頭和過濾冷凝干燥裝置除去煙氣中的水分，進(jìn)入分析儀，該方法在煙氣預(yù)處理階段需采用除水性能優(yōu)越的膜滲透或其他脫水技術(shù)除去樣氣中的水分。

（2）高溫紅外法（熱濕法）：高溫紅外法是基于熱濕法的氣體分析系統(tǒng)，煙氣從取樣、傳輸、分析、排氣的整個(gè)過程始終保持180℃以上的高溫從而避免了煙氣冷凝造成的腐蝕及損失，適用于氣體成分及氣體特性復(fù)雜的場合[4]。

2.1.1.2 稀釋抽取式

稀釋采樣法[5]是在直接抽取的基礎(chǔ)上，用純凈的干空氣將煙氣稀釋至可以直接測量的干煙氣進(jìn)入分析儀。采樣時(shí)由于對煙氣進(jìn)行了大比例的稀釋，降低了氣體露點(diǎn)，消除了煙氣中水分對測量結(jié)果的影響，無須加熱和保溫，大大減少了維護(hù)量，且大比例的精確稀釋樣氣，使樣氣長距離傳輸變的簡單方便，并且不改變樣煙氣的任何成份，測量準(zhǔn)確度高。

2.1.2 氣態(tài)污染物CEMS原理-按分析系統(tǒng)劃分

2.1.2.1 紅外吸收法

紅外吸收法主要采用“非分散性紅外線技術(shù)”（NDIR），是一種基于氣體吸收理論的方法。紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過一定濃度的待測氣體，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收，其吸收關(guān)系服從朗伯-比爾（Lambert-Beer）吸收定律，因此求出光譜光強(qiáng)的變化量就可以計(jì)算出待測氣體的濃度。紅外吸收法CEMS是目前市場上的主流。

2.1.2.2 紫外吸收法

紫外吸收法是利用不同氣體在紫外輻射范圍的吸收特性。紫外光源發(fā)出的紫外光匯聚進(jìn)入光纖，通過光纖傳輸?shù)綑z測室，穿過被測氣體經(jīng)吸收后，通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀。在光譜儀內(nèi)部經(jīng)過光柵分光，由陣列傳感器將分光后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后在轉(zhuǎn)換成氣體的吸收光譜信息，經(jīng)比較譜線，計(jì)算樣氣的濃度。

2.1.2.3 紫外熒光法（測SO2）

紫外熒光法是基于分子發(fā)射光譜法，該方法一般僅用于測量SO2，采用Zn燈照射在SO2氣體分子上，讓它成為激發(fā)態(tài)的SO2；當(dāng)激發(fā)態(tài)的SO2分子返回到基態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)射出熒光光子，紫外熒光光強(qiáng)與SO2樣氣的濃度成線性關(guān)系。

2.1.2.4 化學(xué)發(fā)光法（測NOx）

化學(xué)發(fā)光法一般用于測量NOx，是利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的光能發(fā)射，氮氧化物等化合物吸收化學(xué)能后，被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，在由激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)時(shí)，以光量子的形式釋放能量，通過測量化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度對物質(zhì)進(jìn)行分析測定，最廣泛使用的是臭氧的發(fā)光反應(yīng)，樣氣中的NO與O3反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的NO2，激發(fā)態(tài)的NO2通過發(fā)射光子從而釋放多余的能量回到低能態(tài)。通過光電倍增管（PMT）測定激發(fā)態(tài)的NO2返回低能態(tài)時(shí)發(fā)出的光強(qiáng)度，檢測出NO的濃度；通過電磁閥門轉(zhuǎn)換氣路，使樣氣通過鉬爐，樣氣中的NO2在高溫下315℃與鉬（Mo）反應(yīng)，還原為NO，并和樣氣中原有的NO一同進(jìn)入反應(yīng)室與O3反應(yīng)，從而測得樣氣中NOx的濃度。該反應(yīng)有兩個(gè)過程：第一步，單個(gè)NO與單個(gè)O3碰撞，發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)O2和一個(gè)NO2分子。在碰撞后，部分NO2保留一定數(shù)量的多余能量，因此處于激發(fā)態(tài)，NO2分子的一個(gè)電子保留有比正常狀態(tài)更高的能量。

2.1.3 氣態(tài)污染物CEMS檢測方法對比分析

主要?dú)鈶B(tài)污染物CEMS優(yōu)缺點(diǎn)對比分析見表1。

表1 氣態(tài)污染物CEMS監(jiān)測技術(shù)對比

從上表可見，直接抽取式中的冷干法CEMS系統(tǒng)為干基濃度測量，熱濕法系統(tǒng)為濕基濃度測量，分析儀多采用紅外吸收、紫外吸收法原理測量；稀釋抽取式CEMS系統(tǒng)為濕基濃度測量，分析儀多采用紫外熒光原理、化學(xué)發(fā)光原理測量。在氣態(tài)污染物CEMS選型上，以上采樣及測量方法均滿足現(xiàn)有超低排放的監(jiān)測要求。

3 氣態(tài)污染物監(jiān)測建議

3.1 設(shè)備選型建議

綜合考慮設(shè)備價(jià)格、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、人員培訓(xùn)等因素，可優(yōu)先考慮直接抽取式+紅外吸收法的氣態(tài)污染物CEMS。

3.2 技術(shù)路線建議

在脫硫出口特別是濕式除塵（如有）后，采用直接抽取法+非分散紅外/紫外吸收法時(shí)，應(yīng)配備除水性能優(yōu)越的脫水技術(shù)作為煙氣預(yù)處理措施，防止SO2吸附在管線中導(dǎo)致測量濃度降低。

在脫硫出口特別是濕式除塵（如有）后，采用稀釋抽取法時(shí)，SO2和NOx的測量選用紫外熒光法和化學(xué)發(fā)光法技術(shù)。

3.3 設(shè)備管理建議

CEMS設(shè)備的日常運(yùn)維極其重要，為提高CEMS設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性，各發(fā)電企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)CEMS管理，并建議大型發(fā)電集團(tuán)開展CEMS設(shè)備集團(tuán)化采購，集團(tuán)化采購后可對備品備件統(tǒng)一管理，要求供貨商分區(qū)域儲(chǔ)備備品備件，降低備品備件庫存。

3.4 其他相關(guān)建議

（1）CEMS應(yīng)具備檢測全部氮氧化物濃度的能力，包括一氧化氮和二氧化氮。

（2）采用冷干法的CEMS，要求進(jìn)入分析儀的樣氣露點(diǎn)在4℃以下。

（3）CEMS應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全系統(tǒng)校準(zhǔn)。

（4）稀釋抽取法的氣體稀釋比穩(wěn)定；稀釋抽取探頭系統(tǒng)需要的稀釋空氣必須是清潔的，無油的、沒有顆粒物和被測氣體，不能引起明顯的測量誤差，必須配備完備的氣體預(yù)處理系統(tǒng)，主要包括氣體的過濾、除水、除油、除烴以及除二氧化硫和氮氧化物等環(huán)節(jié)。

（5）氮氧化物在線監(jiān)控設(shè)備若采用紅外法檢測，其采樣管和制冷劑對二氧化硫的損失不能超過8%；

（6）根據(jù)超低排放機(jī)組煙氣污染物排放限值設(shè)定CEMS量程，儀器量程建議為相應(yīng)污染物排放限值的1.5～2倍，以保障測量精度，減小測量誤差。

4 結(jié)語

由于傳統(tǒng)在線監(jiān)測方法已不能滿足超低排放機(jī)組污染物排放在線監(jiān)測的需求，而目前市場上低濃度氣態(tài)污染物CEMS測量方法較多，因此本文對超低排放機(jī)組氣態(tài)污染物CEMS原理進(jìn)行對比分析，并在設(shè)備選型、監(jiān)測技術(shù)路線、設(shè)備管理等發(fā)面提出適合超低排放機(jī)組氣態(tài)污染物監(jiān)測的建議，各企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身情況，選擇適當(dāng)?shù)奈廴疚锱欧旁诰€監(jiān)測方法。

[1] 楊凱,周剛,王強(qiáng)，等.煙塵煙氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2010,26(5):18-26.

[2] 張良,張瑋,曹亞明，等.CEMS煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成與維護(hù)[A].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].上海:中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì), 2010:3402-3405.

[3] 蘇靜,吳海平,王金奇.CEMS煙氣在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)常見問題的探討[J].污染防治技術(shù),2011,24(3):73-75.

[4] 常虹.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的分析與改進(jìn)[D].保定：華北電力大學(xué)，2011.

[5] 李琦.稀釋法煙氣CEMS在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2013,(11): 26-28.

修回日期：2016-11-24

Technical Analysis of Continuous Emission Monitoring System from Ultra-low Emission Units

REN Qing-jie1，CHEN Guang2，ZHANG Ran2，XU Ke-tao2
（1.China Huadian Shanxi Energy Co.,Ltd,Xi’an 710000,China;2.Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

After the ultra-low emission modification of coal-fired units,the original CEMS technical requirements and test methods are not enough to meet the needs of monitoring.So CEMS of higher accuracy,reliability and stability is required to meet the requirements of ultra-low emission unit flue gas automatic monitoring.This paper analyzed the main problems of the current gaseous pollutants CEMS,researched on the present situation of gaseous pollutants CEMS technology of ultra-low emission units,contrasted and analysed the methods of gaseous pollutants CEMS detection ,finally put forward suitable gaseous pollutants monitoring technology route for ultra-low emission units.

CEMS；ultra-low emission；gaseous pollutants；direct extraction；dilution extraction

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.004

X84

B

2095-3429（2016）06-0016-03

任清潔（1970-），男，陜西洋縣人，碩士研究生，工程師，主要從事電力企業(yè)環(huán)保管理方面的工作。

2016-10-08