CEMS 系統在鍋爐煙氣超潔凈系統中的應用

謝 佳

（中國石化集團南京化學工業有限公司，江蘇南京 210048）

鍋爐燃燒中產生的煙氣除煙塵外，還含有SO2、NOx等污染物質，排入空氣會造成污染，危害十分嚴重。2018 年國家環境環保部發布了HJ 75—2017《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續監測技術規范》和HJ 76—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》，詳細規定了煙氣連續監測系統的主要指標、檢測項目、檢測方法等[1-2]。根據GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，國家發改委、環保部和能源局制定了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》，提出了燃煤機組“超低排放”要求和時間表，要求新建燃煤發電機組同步建設先進高效脫硫、脫硝和除塵設施，不得設置煙氣旁通通道；新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即煙塵、SO2、NOx排放質量濃度分別不高于5，35，50 mg/m3）。因此，對鍋爐煙氣排放進行連續在線實時監測具有重要意義。

煙氣排放連續監測系統（Continuous Emission Monitoring System，縮寫CEMS）對大氣污染源排放的煙塵、氣態污染物排放濃度可進行連續監測，并將信息實時傳輸至監控系統。CEMS 由顆粒物監測系統、氣態污染物監測系統、煙氣參數測量系統、數據采集與處理系統等構成。

1 CEMS 在站區鍋爐煙氣排放脫硫系統中的應用

站區現有3 臺220 t/h 高壓燃煤鍋爐和2 臺25 MW 抽汽凝汽式汽輪發電機，通過SCR 脫硝再配有3 臺布袋除塵器，煙氣由3 路煙道進入脫硫塔采用加氨的脫硫方式進行處理。3 臺鍋爐公用2 個煙囪（1 開1 備），煙氣正常溫度120 ℃，最高時達135 ℃，煙氣壓力-1 500 kPa，在1 套煙氣脫硫系統中設置了2 套CEMS。

CEMS 系統配置見圖1。

圖1 CEMS系統配置

1.1 顆粒物監測系統

該系統中采用加熱抽取法+光學法，儀表主要由樣氣采樣器、樣氣稀釋裝置、煙塵測量單元、控制單元和反吹單元等組成。采用稀釋加熱抽取煙氣方式，取樣系統從煙道中連續等速抽取煙氣，抽取的煙氣經加熱進入高溫加熱測量池，通過激光前散射煙塵儀測量顆粒物濃度，消除濕氣對顆粒物測量的干擾，提高測量顆粒物濃度的準確度。

1.2 煙氣流量和溫度測量系統

煙氣流速采用皮托管測量，主要是正負壓室所產生的差壓原理進行數據測量。根據能量守衡定律得知，流體在流動中的能量包括位能、動能和靜壓能。對于氣體流動，位能的變化通常忽略不計，動能和靜壓能在一定條件下可以互相轉化。煙氣流速皮托管中2 個采樣探頭分別代表煙氣的總能量和靜壓能，兩者的差值為動壓能，動壓能與煙氣流速的平方成正比，所以皮托管是通過測量壓差測得流體速度的。現階段固定污染源煙氣 CEMS 安裝在煙道的位置很難有流場相對穩定的標準，流速在煙道中分布不均勻，當煙道中流速小于10 m/s 時（尤其是流速小于5 m/s 時），煙氣流速測量會相當困難。流速/壓力/溫度系列煙氣參數監測儀采用皮托管差壓法測量煙氣流速，并且對煙道中的壓力、溫度直接進行數據采集，使得測量精度和準確度更有保障,特別適合于在線實時測量煙氣參數。煙氣流速的測量是根據現場的實際工況進行的，采用參照比較法進行確定，并通過通訊接口調整流速系數減少測量過程中所產生的誤差，可以確定輸出的測量參數為煙氣流速V、煙氣溫度T，煙氣壓力P。在粉塵濃度較高的情況下，可以通過自動反吹系統，來完成自動吹掃程序，反吹的程序是在控制箱內增加了反吹模塊，可根據現場實際情況設置反吹的頻率和時間。

1.3 氣態污染物測量系統

根據環保要求及規定，需要測量的氣態污染物有SO2、NOx和O2。該系統采用了直接抽取法檢測鍋爐煙氣系統中的氣態污染物。氣態污染物測量系統主要由取樣單元和預處理單元組成。

1） 取樣單元。取樣單元有采樣探桿、采樣探頭、伴熱管線，溫度均保持在180 ℃，可有效防止樣氣在傳輸過程中SO2損失。

2）預處理單元。預處理單元由冷凝加酸系統、NOx轉換器、露點儀、氣溶膠過濾器、隔膜抽氣泵等組成。樣氣經前置過濾器、采樣探頭后，通過伴熱管線被抽取傳輸到機柜內，高溫取樣傳輸可防止溫度降低及SO2丟失；繼續采用伴熱帶進行伴熱，樣氣和磷酸一起進入冷凝器內，將標定口放在磷酸注入口前，以減少標準氣中含有水量對測量精度的影響。另在冷凝器后設有露點儀，當露點過高時，自動切斷抽氣泵和磷酸輸出泵，避免設備損壞及產生不必要的損失。

1.4 數據采集與處理系統

數據采集與處理系統主要完成現場信號的采集，把采集到的數據分析處理，并計算出污染物濃度和排放量。數據采集與處理子系統還將測量參數以通信或硬接線的方式傳送至DCS 系統和數采儀。同時對數采儀中相關參數通過網絡輸送至環保部門進行監控。

2 CEMS 測量方法的優點

該系統的主要優點為：

1）系統采用了取樣探桿為高溫探頭+加熱護套+高溫伴熱管線的方式，采樣與樣氣傳輸高溫加熱的特性有效緩解工藝氨鹽結晶對設備的腐蝕堵塞，系統采樣過程基本上未改變煙氣流動狀態。該方法具有較強的適應性，適用氨法脫硫工藝煙氣連續監測分析檢測氣體。

2）反吹系統使用采樣螺旋式不銹鋼管有效對反吹氣源加熱，解決反吹帶來的探頭降溫形成水汽及內部顆粒物結晶的問題。

3）經過處理的樣氣較潔凈，對分析儀的污染較小，系統的穩定性和準確性都比較好，便于長期運行，初次投用后后續維護成本較低、維護量小。

4）系統具有氣體預處理功能，可處理的氣體最大流速達6 L/min，濕度超過50%。可精密過濾粒徑0.1 μm 的氣體微粒，除去煙氣中所含酸霧或氨氣，完成樣氣凈化、除塵、除濕，將符合分析儀器要求的超低、恒溫、流量穩定的樣氣連續送入分析儀器，確保分析儀器的準確性和可靠性。

5）智能診斷及報警有濕度報警、采樣頭溫度異常報警、冷凝器溫度異常報警、加熱溫度異常報警、供氣系統異常報警、采樣流量不足報警、煙氣露點指示及報警、低流速報警等。

6）分析機柜放在專門的房間內，對粉塵、溫度和濕度可以進行控制，保證了分析儀的工作環境，延長分析儀使用壽命。

7）系統能夠實時分析且響應時間快，利于現場工藝人員的及時監控和實時調整。

8）儀器和系統日志功能記錄各系統的運行狀態參數，為系統數據的準確性和可靠性提供溯源的基礎。

3 CEMS 的測量方法存在的問題與建議措施

CEMS 的測量方法在應用中也存在問題，工作過程中要加以注意：

1）由于采樣探頭直接和煙氣接觸，探頭容易受到煙氣腐蝕，同時煙氣中水汽和灰塵經過探頭后會附著在探頭上，使探頭容易堵塞。需要在日常維護中多注意對探頭反吹系統周期性吹掃及定期對前置濾芯更換維護，避免長期運行中采樣探頭堵塞嚴重的問題。

2）由于分析儀對樣品氣體的潔凈度要求高，因此該方法必須有一套完整的煙氣加熱、冷卻、除水和除塵系統，在采樣系統與樣品傳輸過程確保管徑一致性，管路對接使用卡箍接頭，管路負壓部分減少不必要的接頭及引用其他設備，避免系統漏氣影響測量。

3）由于該系統附屬系統較多，長期運行投資成本較高，樣氣檢測的準確性對系統傳輸管線、冷凝除濕技術設備要求高，長期使用可通過儀器自診斷過程及報警監控，實時有效地對在線系統運行狀態進行監控。對器件運行狀況及隱患排查必須要人員現場定期巡查，避免其他因素干擾影響系統正常運行。

隨著CEMS 監測標準規范化、標準化，人工分析維護系統存在一定的局限性，提高分析系統自動和遠程標氣調零校核智能功能可有效排除日常性的儀表誤差；取樣探頭及過濾器可以自動反吹掃和遠程控制反吹掃防止堵塞，長期使用過程中會疏忽儀表反吹氣壓控制，在實際應用維護中，可加裝智能反吹氣源氣壓的使用控制；當系統受外界強干擾、意外或掉電后又上電等情況發生使程序中斷時，提高異常情況自動恢復能力，如實現自啟動，自動恢復運行狀態并記錄出現故障的時間和恢復運行的時間，啟動后系統能通過自動標校操作確定校準偏移量等。

4 結語

CEMS 系統的正常運行是保證鍋爐煙氣排放環保監測的重要環節，也與脫硫系統的運行監控、企業的經濟效益密切相關。在實際運行生產中，按照規程做好CEMS系統的日常運維和定期校準，才能保證設備運行的穩定性、監測數據的有效性和科學性。