CEMS在極寒地區應用存在的問題及解決方案

孫浩豐

(大慶石化公司 煉油廠，黑龍江 大慶 163711)

煙氣連續排放監測系統(CEMS)用于在線自動監測煙氣中的顆粒污染物、氣態污染物(SO2，NOx)和排放總量，為除塵、脫硫設備的安全運行提供科學依據，同時也為國家環保管理部門提供判斷污染源排放是否達標的依據。CEMS能否穩定、準確地監測煙氣參數，直接影響到企業的經濟效益。在東北極寒地區使用中，極低的溫度對CEMS采樣系統、反吹系統、煙塵系統等都會造成很大影響，對儀表穩定運行提出了新的要求。

1 CMES組成及基本原理

CEMS由氣態污染物(SO2，NOx)監測子系統，煙塵(顆粒物)監測子系統，煙氣參數監測子系統，數據采集、傳輸與處理子系統4個主要部分組成。CEMS結構原理如圖1所示。

圖1 CEMS結構原理示意

氣態污染物監測有三種方法： 直接抽取法、稀釋取樣法、直接測量采樣法，其中直接抽取法是目前國內CEMS常采用的方法，本文重點介紹直接抽取法。直接抽取法是利用隔膜泵通過氣態污染物采樣器直接抽取煙氣樣氣，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。分析儀測得的是去除水分后的干基樣氣中的污染物濃度。煙塵(顆粒物)監測子系統將粉塵儀直接安裝于煙道，采用激光散射測量法，煙氣參數監測子系統采用直接安裝于煙道上的一體化探頭監測溫度、壓力、流速等參數。CEMS采用DAS監測軟件監測數據，并且通過GPRS通信方式每10 min傳送一組數據到環保部門。

2 CEMS在極寒地區應用中常見問題及原因分析

CEMS用于測量煙氣中SO2，NOx，粉塵、流速、溫度、壓力等參數，由于煙氣成分比較復雜，對測量造成了很大的干擾，尤其在極寒天氣，極低的溫度對氣態污染物監測子系統所包含的反吹系統，采樣系統和煙塵子系統都會造成很大影響。常見問題如下。

2.1 氧含量異常偏高的問題及原因分析

極寒天氣下低溫影響反吹系統正常運行，造成反吹電磁閥動作故障，影響測量。CEMS利用隔膜泵直接通過氣態污染物采樣器抽取煙道內的煙氣進入分析儀進行測量，由于煙道內煙氣成分復雜，長時間使用易造成采樣探頭堵塞，為避免采樣探頭堵塞，系統每2 h反吹一次。反吹時采樣電磁閥關閉，反吹電磁閥打開，儲罐內壓縮空氣瞬間進入采樣探頭，將探頭上附著物吹掉，防止長時間附著造成焦結。反吹結束后反吹電磁閥關閉，采樣電磁閥打開，保持2～3 min后進行正常測量。冬季極寒天氣下，受低溫影響反吹后電磁閥會出現不能關嚴的現象，壓縮空氣大量進入采樣管，造成氧含量超高，從而引起SO2，NOx，煙塵等環保數據折算值超標。

2.2 SO2數據異常升高的問題及原因分析

進入冬季，低溫影響采樣系統正常工作，造成SO2，NOx等參數異常升高的問題。以硫磺回收裝置為例，CEMS投用后夏季一直運行穩定，但入冬以來，經常出現反吹后SO2質量濃度持續3～5 min偏高，有時甚至會接近環保排放指標，之后緩慢下降到正常測量值。尤其是天氣漸冷，出現頻率更高。造成該現象的主要原因是由于硫磺回收裝置工藝條件的特殊性，尾氣中SO2質量濃度較高，排放指標為400 mg/m3，同時尾氣中含水蒸氣及氣化的單質硫。反吹使用的凈化空氣冬季溫度極低，反吹時冷風進入系統，使采樣探頭處水蒸氣瞬間凝結，同時SO2又極易溶于水，所以大量集聚于采樣探頭處，同時，高溫氣化的單質硫遇冷風后凝結，掛在采樣探頭和采樣管內，長時間聚集造成采樣探頭及采樣管內凝硫，為水蒸氣聚集提供了條件，會造成水蒸氣聚集。雖然吹送后還有120 s的置換時間，但由于水蒸氣集聚量較大，SO2慢慢地從水蒸氣中析出，所以吹掃置換后SO2質量濃度仍然很高，甚至有時造成超標情況發生。

2.3 顆粒物偏高的問題及原因分析

顆粒物測量采用的是原位式激光后散射的測量方法，該測量方法將粉塵儀直接安裝在煙囪上進行原位測量，進入冬季后，粉塵儀會隨著氣溫的降低指示逐漸偏高，出現指示不穩定的情況。分析原因有以下兩方面： 一是由于室外溫度較低，高溫煙氣排出時遇冷會凝結出部分水蒸氣，形成小水滴，粉塵儀檢測到小水滴造成顆粒物檢測偏高；二是粉塵儀設備低溫性差，低溫環境對儀器影響較大，造成指示緩慢升高。

3 CEMS極寒地區應用中常見問題解決方案

3.1 氧含量異常偏高的解決方案

針對冬季反吹后氧含量異常偏高問題，改進CEMS探頭箱內一級預處理系統，提出兩種解決方案。

1)方案一。吹送電磁閥采用雙電磁閥串聯的模式，改進后的反吹系統如圖2所示，將電磁閥ZV1與ZV2串聯起來，吹掃開始和結束2臺閥同時動作，只要有1臺電磁閥能保證關嚴，就能有效地避免氧含量升高的問題，從而避免超標。

圖2 改進后的反吹系統

2)方案二。采用小型氣缸球閥配套先導式電磁閥的模式，代替膜片式管道電磁閥，由于先導式電磁閥沒有膜片，耐低溫性能好，低溫條件下仍然能可靠運行。

兩種方案在不同的分析儀分別應用，效果明顯，沒有再出現冬季反吹后氧含量異常偏高引起超標的問題。

3.2 SO2質量濃度異常升高問題的解決方案

針對冬季SO2質量濃度異常升高問題，特別是根據硫磺回收裝置出口的特殊性，采取了以下改進措施：

1)為防止管線及采樣探頭凝硫，根據單質硫的特性，調整采樣伴熱線溫度,由原來120 ℃調整為135 ℃。因為硫低于120 ℃時凝固，130～160 ℃時黏度較小，流動性最好，所以把伴熱線溫度調整到135 ℃能有效地避免凝硫，從而使采樣管線內壁保持光潔。

2)增加1個容積為10 L的吹掃用預熱風罐，風罐采用電伴熱，用于吹送風預熱，風罐出口風溫達到45 ℃，從而消除-20 ℃以下吹掃風瞬間急冷造成取樣采樣管及采樣探頭處形成水蒸氣；該過程可有效避免水蒸氣大量凝結吸收SO2而造成凝硫的情況。

3)調整吹送程序，將吹掃后置換時間由120 s改為240 s，增加置換時間可有效地置換SO2，從而保證積聚的SO2被完全清除。

3.3 顆粒物偏高問題的解決方案

在粉塵儀外側安裝恒溫箱，恒溫箱采用5面保溫，與煙囪直接接觸的那面不保溫，利用煙道內的溫度使恒溫箱保持恒定溫度。同時恒溫箱內設有電伴熱帶及溫控器，溫控器根據溫度變化及時調整伴熱溫度，保證恒溫箱內溫度恒定，從而使粉塵儀測量穩定。

4 結束語

CEMS的可靠、穩定運行是環保數據達標排放的必要條件，CEMS在極寒地區運行，特殊天氣給測量帶了很多不可預見性的影響。本文分析了CEMS在極寒地區存在的問題，并提出了解決方案，CEMS經過改造能夠克服極寒地區惡劣天氣的影響，穩定運行。