鍋爐超低排放煙氣在線監測技術探討

孫成永　陳量

摘 要：火電廠實施超低排放改造后，對污染物在線監測的精確性提出了更高要求。文章通過對比幾種應用于二氧化硫、氮氧化物和煙塵的典型監測技術，提出了適用于超低排放改造的煙氣在線監測系統優化配置方案，為火電廠超低排放改造中煙氣在線監測系統的選型提供參考。

關鍵詞：火電廠；超低排放；煙氣監測

中圖分類號：X773 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0134-03

Abstract： After the retrofit of ultra low emission in thermal power plant， the precision of on-line monitoring of pollutants is required to be higher. By comparing several typical monitoring technologies applied to sulfur dioxide， nitrogen oxide and soot， this paper puts forward the optimal configuration scheme of on-line monitoring system for ultra-low emission transformation. It provides a reference for the type selection of flue gas on-line monitoring system in the retrofit of ultra-low discharge in thermal power plant.

Keywords： thermal power plant； ultralow discharge； smoke monitoring

1 概述

自《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》（發改能源[2014]2093號）發布后，國家出臺了一系列文件、措施和鼓勵性政策支持火電廠實施超低排放改造，并在東部地區進行了試點。經過試點后，“十三五”期間將在全國范圍內實施火電廠超低排放改造，改造后煙氣排放限值執行標準為煙塵10mg/m3、二氧化硫35mg/m3、氮氧化物50mg/m3。

火電廠實施超低排放改造后，煙氣污染物濃度大幅降低，煙氣水分含量增大，煙氣特性發生了較大改變，對污染物在線監測的精確性提出了更高要求。因此，在現階段總結超低排放試點電廠煙氣在線監測系統（CEMS）的運行情況，分析對比各種煙氣監測技術的性能特點，對于“十三五”火電廠超低排放改造中CEMS的選型具有積極作用。

2 火電廠煙氣在線監測技術現狀

2.1 非分散紅外/紫外吸收法SO2和NOX監測技術

“十一五”和“十二五”期間，國內在脫硫和脫硝上應用最為廣泛的是非分散紅外吸收法監測技術，有少部分紫外吸收技術。這類技術是基于朗伯-比爾（Lambert-Beer）吸收定律的光譜吸收技術，其基本分析原理是：當光通過待測氣體時，氣體分子會吸收特定波長的光，可通過測定光被介質吸收的輻射強度計算出氣體濃度。

式中：I-光被介質吸收后的輻射強度；I0-光通過介質前的輻射強度；K-待分析組分對輻射波段的吸收系數；C-待分析組分的氣體濃度；L-氣室長度（待測氣體層的厚度）。

2.2 紫外熒光法SO2監測技術

紫外熒光法基于分子發光技術，在一定條件下，SO2氣體分子吸收波長為190～230nm，紫外線能量成為激發態分子，激發態的SO2分子不穩定，瞬間返回基態，發射出波長為330nm的特征熒光。在濃度較低時，特征熒光的強度與SO2濃度成線性關系，即可通過檢測熒光強度計算SO2濃度。

2.3 化學發光法NOX監測技術

化學發光法是在一定條件下，NO與過量的O3發生反應，產生激發態的NO2。激發態NO2返回基態時，會產生波長為900nm的近紅外熒光。在濃度較低情況下，NO與O3充分反應發出的光強度與NO濃度成線性關系，即可通過檢測化學發光強度計算NO濃度。

2.4 煙塵監測技術

2.4.1 光透射法煙塵監測技術

光透射法技術基于朗伯-比爾定律，即光穿過含塵煙氣時透過率與煙塵濃度呈指數下降關系。在實際應用中有單光程和雙光程兩種類型的儀器，光透射法的準確性受顆粒物粒徑分布影響較大，且靈敏度不高，一般用于煙塵濃度高（大于300mg/m3）、煙道直徑大且煙氣濕度低的工況。

2.4.2 光散射法煙塵監測技術

光照射在煙塵上時會被煙塵吸收和散射，散射光偏離光入射的路徑，散射光強度與煙塵粒徑和入射光波長有關，光散射法就是采用測量散射光強度來監測煙塵濃度的。在實際應用中有前向散射、后向散射和邊向散射三種類型。該技術靈敏度高，能夠測量低至0.1mg/m3的煙塵濃度，最低量程可達到0-5mg/m3，適用于煙塵濃度低、煙道直徑小的情況。但該技術同樣容易受水汽影響，不適宜煙氣濕度高的工況。

2.4.3 電荷法煙塵監測技術

所有煙塵顆粒均帶有電荷，顆粒物接觸或摩擦時將產生電荷交換，電荷法就是用電絕緣傳感探針測量探頭和附近氣流或直接與探頭碰撞的顆粒物之間的電荷交換來測量煙塵濃度的。該技術除受煙塵粒徑變化、組分變化和煙氣濕度影響外，還受煙氣流速影響，主要用于布袋除塵的泄漏檢測和報警等定性測量，少在CEMS中應用[1]。

2.4.4 β射線吸收法煙塵監測技術

β射線具有一定穿透力，當它穿過一定厚度的吸收物質時，其強度隨吸收物質厚度的增加逐漸減弱，通過測量穿過物質前后的β射線強度，即可得出吸收物質的濃度。

式中：I-通過吸收物質后的射線強度；I0-未通過吸收物質的射線強度；？滋-待測吸收物質對射線的質量吸收系數；x-待測吸收物質的質量濃度。

該技術基于抽取式測量方式，不受煙塵粒徑分布、折射系數、組分變化、煙氣濕度等影響，可用于煙塵濃度低、煙氣濕度大的工況。但抽取式測量屬于點測量，不適合煙氣流速變化大、煙塵濃度分層的場所。

2.5 煙氣預處理技術

基于非分散紅外/紫外吸收法技術的CEMS系統多數采用直抽法取樣，為防止系統堵塞和水分對測量的干擾，需要對煙氣進行除塵和除水處理。預處理裝置的效果直接影響CMES的整體性能，通常以處理后的煙氣露點作為重要指標來判定預處理的性能。

在實際應用中，“過濾+冷凝”的預處理方式較為廣泛。其中煙氣過濾除塵技術較為成熟，常用的有金屬濾芯、陶瓷燒結濾芯和膜式過濾器。在采樣探頭處初步過濾，樣氣進分析儀前深度過濾，至少過濾掉0.5-1？滋g粒徑以上的顆粒物。

煙氣冷凝除水技術較為常用的有壓縮機冷凝和半導體冷凝，可將煙氣露點干燥至5℃。新興技術中有高分子膜式滲透除水技術，采用高分子聚合親水材料，具有高選擇性除水性能，不改變煙氣中SO2和NOX污染物因子成份，可將煙氣露點干燥至-5℃以下[2]。

3 幾種煙氣在線監測技術的性能比較

國內火電廠煙氣在線監測產品眾多，本文結合各種產品的運行情況，參考了擁有該種技術典型品牌產品的說明書，對超低排放較為關注的量程、精度等重要指標參數進行對比。其中最小量程指的是最小物理量程，而非軟件遷移的量程。

3.1 SO2和NOX監測技術的比較

根據《固定污染源煙氣（SO2、NOX、顆粒物）排放連續監測系統技術要求及檢測方法》（HJ/T76），按超低排放限值計算，SO2和NOX量程應不大于175mg/m3和250mg/m3[3]。

從表1和表2可以看出，傳統非分散紅外吸收法分析儀SO2和NOX的最小量程分別為286mg/m3和308mg/m3，不能滿足超低排放污染物在線監測的要求。

非分散紫外吸收/差分法分析儀的最小量程滿足HI/T76標準要求，但CEMS系統的整體性能不但與分析儀本身性能有關，還受煙氣預處理系統性能的影響。預處理部分的比較將在后文專題論述。

從表1和表2還可看出，紫外熒光法和化學發光法測SO2和NOX的最小量程可達到0.1mg/m3，檢出下限極低。紫外熒光法和化學發光法是分子發光氣體分析技術，屬于ppb級的氣體分析技術。該種技術以分子發光作為檢測手段，具有靈敏度高、選擇性好、試樣量少、操作簡便等優點，已在生物醫學、藥學以及環境科學等方面廣泛應用，也是EPA（美國環境保護署）認證中明確推薦的SO2和NOX濃度監測技術。該技術采用抽取稀釋法（常用稀釋比為100：1）對煙氣進行預處理，避免了煙氣水分、煙塵對測量的影響，在超低排放煙氣監測上具有較好的適應性。

3.2 煙塵監測技術的比較

幾種主要煙塵測量技術的簡單對比表見表3。

在火電廠超低排放改造中，煙塵濃度一般要達到10mg/m3以下。尤其以濕式除塵改造為主要技術路線的煙氣中水分含量較大，給煙塵的準確監測帶來挑戰。β射線法技術量程低，可達到低濃度煙塵監測的精度要求，但其成套價格較高，且β射線裝置屬于放射源，國家輻射管理部門對其銷售、運輸、使用過程、報廢等都有嚴格的監管，不便于應用推廣，所以其在CEMS上應用也較少。在實際應用中一般是將煙氣等速抽取，經升溫加熱使水分霧化不出現液滴，再通過光散射等低濃度測量方法進行測量；另一種是將煙氣等速抽取，將加熱干燥的空氣與其按一定比例混合稀釋，從而降低煙氣中的水分含量，再通過光散射等低濃度測量方法進行測量，結合混合氣體的稀釋比計算出煙塵濃度。這種方式采用低濃度測量原理，優化了煙氣采樣和預處理，有效解決目前超低排放改造中高濕低濃度煙塵在線監測的問題，在濕式除塵后已有廣泛應用。

3.3 煙氣預處理技術的比較

火電廠實施超低排放改造后，煙氣污染物濃度大幅降低，在線監測的適應性取決于系統的檢出下限，而CEMS的檢出下限受分析儀本體和煙氣預處理裝置兩部分制約。在實際應用的煙氣預處理中，直接抽取+冷干法占70%，均采用冷凝除水技術。該技術在冷凝過程中，冷凝水會吸收攜帶部分SO2和NOX，以致在超低濃度工況下的監測數據嚴重失真甚至無檢測數據，不能滿足HI/T76標準的技術要求。表4為不同水分含量下不同預處理方式對SO2測量影響的實驗對比表。

從表4可看出，水分含量越高對測量結果影響越大，其中滲透膜除水技術對SO2測量的影響遠小于其他除水技術，其除水效果優于其他技術。由此而知，在直抽法采用紫外吸收/差分法分析儀時，應同時選用除水效果更好的煙氣預處理技術，否則監測數據可能嚴重失真甚至檢測不出數據。

在稀釋法取樣中，預處理側重于對稀釋氣體的處理，通常配備專門的壓縮空氣凈化裝置或者發生裝置，經精密過濾和干燥，可將露點降至-40℃，不需要加熱采樣管線[4]。在CEMS中，稀釋抽取法通常與紫外熒光和化學發光技術配套使用。

4 結論與建議

（1）超低排放改造實施后，進出口煙氣特性差異較大，煙氣監測對CEMS的系統配置提出了更高、更具體的要求，建議在可研或技術規范書里明確各測點不同污染物對煙氣取樣方式、預處理、分析儀的測量原理、量程、檢出下限等主要參數和選型的具體要求。

（2）在超低排放改造中，脫硫和脫硝入口CEMS仍可采用常規的預處理裝置和非分散紅外技術測量SO2和NOX濃度，除塵器前可采用光透射法測量煙塵濃度。

（3）在脫硫和脫硝出口特別是濕式除塵后，SO2和NOX的測量優先采用紫外熒光法和化學發光法技術；若采用直抽法非分散紫外吸收/差分法分析儀時，應同時配備除水性能更優越的膜滲透煙氣預處理技術。

（4）在脫硫出口特別是濕式除塵后，優先采用抽取高溫光散射法測量煙塵濃度。

參考文獻：

[1]王強.煙氣排放連續監測系統（CEMS）監測技術及應用[M].化學工業出版社，2015（01）：135-136.

[2]李峰.一種創新的冷干直抽法CEMS樣氣預處理技術的應用研究[J].分析儀器，2009（05）：88-89.

[3]環境保護部科技標準司.HJ/T76-2007.固定污染源煙氣排放連續監測技術要求及檢測方法[M].中國環境科學出版社，2007：165-166.

[4]施捷.基于稀釋法的煙氣排放連續監測技術[J].儀表技術，2008（6）：201-202.