煙氣排放連續監測系統在鍋爐中的應用

吳濤

(福陸(中國)工程建設有限公司，上海 201103)

隨著國內外對環境保護的日益重視，煙氣排放連續監測系統CEMS(continuous emission monitoring system)越來越多地用于實時跟蹤測量固定污染源如鍋爐、工業爐窯、焚燒爐等排放的煙氣，并上傳監測數據到當地環境管理部門。

1 CEMS簡述

CEMS由顆粒物監測單元、氣態污染物監測單元、煙氣參數監測單元、數據采集與處理單元四個部分組成，如圖1所示。其中，氣態污染物監測單元以直接抽取采樣法為例，數據采集與處理單元的遠程輸出接口上傳監測數據到環境管理部門。

圖1 CEMS系統組成示意

1.1 顆粒物監測單元

光學透射法和光學散射法是兩種常用的顆粒物濃度測量方法。顆粒物濃度測量孔位置應優先選擇在垂直管段，測量光束應通過煙道中心，煙氣中沒有水滴或水霧。對于水平煙道，要考慮顆粒物重力沉降因素對測量結果的影響。

1.2 氣態污染物監測單元

1.2.1氣態污染物監測系統的類型

在氣態污染物測量中，由于固定污染源排放的煙氣具有含塵、高溫、高濕、腐蝕、不穩定等特性，給取樣及樣氣傳輸帶來了一定的困難。一旦煙氣離開煙道，如果不采取合適的技術措施，隨著煙氣溫度從煙道內的130～300 ℃降至100 ℃以下，水分逐漸冷凝，與煙氣中顆粒物結合成糊狀物，將會堵塞采樣管線，嚴重影響測量結果。為了解決該測量難點，目前國際上有三種檢測方法： 直接測量法、稀釋抽取采樣法、直接抽取采樣法。

1)直接測量法是將分析儀直接安裝在煙道上，測量煙氣中的污染物。這種方式結構比較簡單，沒有采樣管線，也不需要采樣處理裝置。分析儀測量的是未去除水分的濕基樣氣中的污染物濃度，但是該方法受到煙氣溫度的限制，使用維護不方便，而且由于煙氣中水分干擾，會影響測量精度。因此，實際應用中直接測量法使用的不多。

2)稀釋抽取采樣法是用干燥、清潔的儀表空氣作為動力源和稀釋氣，通過噴射泵抽取煙氣樣氣并且混入稀釋氣，將混合氣送到分析儀進行測量，最后將分析結果乘以稀釋倍數，從而折算回未稀釋的濃度。分析儀測得的是濕基樣氣中的污染物濃度。

由于煙氣樣氣稀釋后降低了露點溫度，所以常溫下采樣管線無需伴熱處理，就能夠防止樣氣在傳輸和檢測過程中出現水汽結露和堵管現象。但是，在環境溫度低于零的場合，例如中國的北方地區，冬季仍需要做伴熱處理。

3)直接抽取采樣法是用隔膜泵直接抽取煙氣樣氣，通過伴熱管線送至冷卻器，樣氣經冷凝除濕后再送入分析儀進行測量。分析儀測得的是去除水分的干基樣氣中的污染物濃度。伴熱管線的溫度控制在140 ℃左右，保持在樣氣露點溫度以上，以避免結露。

具體使用哪種檢測方法需要考慮CEMS使用地的法律法規和使用習慣，例如美國主要采用稀釋抽取采樣法，而直接抽取采樣法則廣泛應用于日本。在國內，HJ76-2017《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》中明確規定污染物物質的量濃度為標準狀態下的干煙氣濃度，所以國內CEMS絕大多數采用直接抽取采樣法；如果采用直接測量法或稀釋抽取采樣法，必須要有濕度測量儀修正水分，其修正值也存在一定誤差，而且該方法也增加了維護工作量。

1.2.2分析儀器

直接抽取采樣法經常使用多組分紅外氣體分析儀，稀釋抽取采樣法大多采用紫外熒光法SO2分析儀和化學發光法NOx分析儀。

筆者參與的異壬醇裝置(INA)位于馬來西亞，經與當地環境管理部門和最終用戶確認，用于鍋爐排放煙氣的CEMS選擇直接抽取采樣法測量干煙氣濃度，使用的是紅外氣體分析儀。

紅外線被吸收的數量與吸收介質的濃度有關，它的測量原理符合郎伯-比爾吸收定律，如式(1)所示：

I=I0e-kcL

(1)

式中：I，I0——吸收后和吸收前的光強度；k——被測組分的吸收系數；c——被測組分的物質的量濃度；L——光線通過被測組分的距離(氣室長度)。

當被測組分濃度很低或L很小時，式(1)可以簡化為

I=I0(1-kcL)

(2)

為了保證式(2)中I與c的線性關系，當被測組分濃度高時，選用較短的測量氣室；當濃度低時，則選用長測量氣室。

1.3 煙氣參數監測單元

需監測的煙氣參數包括溫度、壓力、流速、濕度、含氧量等。通過這些參數和測得的顆粒物濃度、氣態污染物濃度，可以計算煙氣中污染物排放速率和排放量。

1.4 數據采集與處理單元

該單元自動采集并處理數據，顯示和記錄各種參數，形成相關圖表，通過數據、圖文等方式傳輸至管理部門。

2 應用及注意問題

由于固定污染源排放的污染物不同，各國法律、法規以及環境管理部門的要求不盡一致，不同項目CEMS需要測量的參數有所不同。

用于該裝置鍋爐煙氣排放的CEMS要求測量的參數是氣體污染物NOx和CO濃度、含氧量、流量、溫度、壓力。其中，流量測量采用阿牛巴流量計，溫度測量采用一體化熱電阻/溫度變送器，壓力測量采用壓力變送器。氣態污染物采用直接抽取采樣法測量，使用多組分氣體分析儀。流量、溫度、壓力測量點和分析儀取樣口都在煙囪中部，有操作平臺；樣品預處理系統和分析儀盤柜布置在地面煙囪旁半開放式的三邊房內。

下面重點介紹氣態污染物的測量。

2.1 采樣探頭

采樣探頭模塊如圖2所示。取樣管插入煙囪中心，這樣取樣更有代表性。采樣探頭內有陶瓷過濾器，過濾掉3 μm以上的粉塵顆粒；還配有電加熱器，恒溫調節器控制溫度在180 ℃左右，高于煙氣的露點溫度，防止冷凝液與煙塵結合堵塞過濾器，同時避免酸性可溶性氣體溶于冷凝液腐蝕系統組件，保證樣氣的代表性。此外，采樣探頭設置了自動反吹裝置，由內部的小型PLC控制儀表空氣定期吹掃，防止煙塵積聚堵塞探頭，吹掃周期可以在小型PLC上設定。

圖2 采樣探頭模塊示意

按照用戶要求，CEMS自動驗證時量程氣應從采樣探頭處接入，故設有量程氣入口，由316不銹鋼Tube管接到地面分析儀盤柜旁的氣體鋼瓶。

煙氣樣氣由電伴熱采樣管線送至樣品預處理系統，伴熱溫度設定在140 ℃左右。采樣管材質是可溶性聚四氟乙烯(PFA)，避免酸性氣體可能造成的腐蝕。

2.2 樣品預處理系統

樣品預處理系統的作用是對采樣的煙氣樣氣進行冷凝、除水、除塵、整流等處理，以便為分析儀的正常使用提供合格的樣氣。樣品預處理系統如圖3所示。

圖3 樣品預處理系統示意

煙氣樣氣首先通過氣水分離器再進入一級冷卻器，快速將氣樣冷卻至4 ℃，快速冷卻的目的是防止樣氣失真。氣水分離器氣體出口在垂直方向應低于樣品預處理系統樣氣入口。煙氣通常為微負壓，經隔膜泵后樣氣壓力增加，露點溫度相應升高，所以泵后設有二級冷卻器，保證后續樣氣沒有水分析出。冷卻器冷凝出的水分經排液蠕動泵排出。

由于紅外分析儀不能測量NO2含量，所以設置了1套NO2/NO轉化器，分析儀測量的是NO濃度。樣氣最后經精細過濾器進一步除塵后，送至多組分氣體分析儀。

當樣品預處理系統中的濕度測量儀檢測到冷凝液時，將聯鎖關閉隔膜泵停止采樣，以免樣氣中夾帶的液滴損害分析儀的檢測器；轉子流量計(帶針閥)用于調節流量；樣氣流量低時，流量開關信號送到DCS報警。

2.3 氣體分析儀

經過處理的樣氣送至多組分氣體分析儀，通過非分散紅外分析模塊測量NOx和CO濃度，電化學式氧分析模塊測量O2濃度。

通過樣品預處理系統中5個“二位三通”電磁閥的不同流路組合可以實現分析儀的采樣/標定選擇、零點標定、量程標定和自動驗證功能。DCS可以遠程遙控分析儀的自動標定和自動驗證。

測量后的樣氣和標定后殘余的零點氣、量程氣高點放空或者排入工廠常壓放空總管。

2.4 需要注意的問題

1)由于國內外各地對CEMS的具體要求不盡一致，設計時務必與項目所在地環境管理部門和最終用戶充分溝通，準確理解相關規范和客戶需求。馬來西亞環境管理部門要求CEMS系統應有自動驗證功能，最終用戶要求CEMS要有TüV或者MCERT證書，要求測量煙氣中的含氧量，分析儀量程是測量組分濃度的2.5倍，工廠DCS可以遙控CEMS實現自動標定和自動驗證，自動驗證時量程氣應從采樣探頭處接入，盡量靠近取樣點，要求供應商提供首次相對精度測試審核，RATA是證明CEMS滿足環境管理部門要求的驗收試驗。

2)盡量縮短取樣點到分析儀的距離，以減少煙氣樣氣傳輸的滯后時間。當滯后時間大于60 s時，可以考慮在隔膜泵后增加快速回路。

3)煙囪中部的操作平臺應有足夠的空間，以利于溫度、壓力、流量變送器和采樣探頭模塊的安裝和日常維護。

3 結束語

在當前國內冬季霧霾還比較嚴重的情況下，CEMS能否得到普遍推廣，能否連續準確監測固定污染源煙氣排放，對于大氣污染治理、保護大氣環境具有十分重要的意義。在實際應用中，還應該根據煙氣組分和應用場合具體分析，采用合適的樣品預處理系統，選擇合適的分析儀，保證CEMS實現準確測量。