火電廠環保排放口稀釋抽取式CEMS系統工作原理及影響因素

趙亞軍 郗俊峰 劉建強 楊玉志

[摘 ? ?要]目前，全國已全面實施環保超低排放和近零排放標準，石油、化工、火電廠等的廢氣排放口環保儀表的穩定運行和準確測量尤為重要。以目前最受歡迎的稀釋抽取式氣態污染物CEMS為例，對其進行全面的介紹。

[關鍵詞]環保;稀釋抽取;氣態污染物

[中圖分類號]TM72 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–0–03

[Abstract]At present， the national environmental protection ultra-low emission and near-zero emission standards have been fully implemented， the stable operation and accurate measurement of environmental protection instruments at exhaust gas discharge ports of petroleum， chemical and thermal power plants are particularly important. As an example， the most popular dilution extraction gaseous pollutant CEMS is introduced in this paper.

[Keywords]environmental protection; dilution extraction; gaseous pollutants

為了應對嚴峻的空氣污染挑戰，2014年我國出臺了史上最嚴的關于燃煤發電機組超低排放改造的標準，要求將顆粒物、二氧化硫、氮氧化物分別控制到10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，到2020年全國現有機組中的絕大部分要滿足超低排放標準，2017年國家又出臺了新的CEMS環保排放監測標準，即HJ75/76—2017。為了能順利達標排放，很多排污企業在不浪費原有設備資源和盡可能降低成本的基礎上，對原有CEMS設備進行提標升級改造，改造后的CEMS各項性能指標根據煙氣治理設施的不同而有所差異。本文對某火電廠超低排放改造成功的CEMS系統工作原理及影響因素進行簡單論述，希望對正在進行超低改造的企業有所幫助。該火電廠煙氣治理設施工藝為SCR脫硝+電袋除塵+氨法脫硫，超低改造后排放口安裝的是美國熱電公司的AT200稀釋抽取式氣態污染物CEMS系統，經過較長時間的跟蹤測試，該系統各項性能參數均符合新的環保標準，測量數據穩定且準確可靠。

1 稀釋抽取式氣態污染物CEMS的組成結構

稀釋抽取式系統由稀釋探頭、樣氣傳輸管線、分析儀器、稀釋氣及零氣處理系統，其基本構成如圖1所示。

在該系統中，稀釋探頭利用潔凈的空氣將煙氣抽取并稀釋成固定比例的混合氣，該稀釋比一般為100∶1，使混合氣的露點溫度降至空氣溫度以下，從而避免樣品輸送過程中有水滴析出，導致測量數據失真。通過帶有常溫伴熱的傳輸管線將樣氣輸送到在線分析儀進行實時分析測量，測量數據準確可靠，為工藝精細化操作及各環保部門監督該企業排污情況提供有力的數據保證。

2 稀釋抽取式氣態污染物CEMS的特點

相比完全抽取式氣態污染物CEMS，該系統結構比較簡單，稀釋后的樣品氣露點降至環境溫度以下，全年氣溫在零上的地區可以使用沒有電伴熱的取樣管纜，減少了電加熱溫控系統;稀釋后的樣品氣直接進分析儀進行分析測量，免除了復雜的冷凝降溫系統，大幅降低了測量系統故障頻率。

由于該系統是通過100∶1的比例對原煙氣進行稀釋測量的，稀釋探頭的過濾器、儀器入口過濾膜使用壽命有了很大的提高，大幅降低了儀表運維人員維護工作量，從而使該系統無故障運行時間更長，為工藝操作人員實時監控調整提供有力保障。

該系統稀釋后的樣品氣是濕基的，稀釋后的氣體濕度非常低，可以使用低量程、高精度的濕度傳感器，準確度遠高于直接抽取式的干濕氧法和大量程濕度儀測量法，能實時準確地計算出原煙氣的濕度，為CEMS各污染物干基排放值和干基排放量換算提供可靠數據。

該系統采用的是稀釋氣正壓傳輸樣品，不存在完全抽取式氣態污染物系統的完全負壓傳輸，負壓傳輸如果存在某處管線破裂或者接頭漏氣現象，空氣漏進取樣管線，對分析儀的測量值影響很大，而稀釋抽取式CEMS出現這種現象時對測量值影響很小。

由于美國熱電科技公司的AT200稀釋抽取式系統和環境空氣質量監測系統儀表的測量原理基本相同，從事稀釋系統的運維人員可以輕松地維護環境空氣質量系統儀表，為排污企業節省了許多不必要的成本。

3 稀釋抽取式氣態污染物CEMS的測量原理

3.1 恒流稀釋原理

稀釋抽取式污染物CEMS系統最關鍵的保證就是要有恒定的稀釋比，當前CEMS大部分采用的稀釋技術為音速臨界限流小孔技術。音速臨界限流小孔采用某種耐熱玻璃和陶瓷材質，陶瓷的前端裝有石英棉進行過濾除塵。小孔的長度遠小于孔的直徑，當小孔兩端存在一定壓差時，氣體通過限流小孔的流速隨壓差的增大而增大，當小孔兩端的壓力差達到0.46倍以上時，氣體流過小孔的流速基本與小孔兩端的壓力變化無關，僅取決于氣體分子流經限流小孔的振動速度。在氣體壓力、溫度、密度保持穩定的情況下，氣體通過臨界限流小孔的流速將保持恒定，即產生恒流現象。

3.2 SO2氣體分析儀測量原理

稀釋抽取式氣態污染物CEMS系統SO2多采用紫外熒光法測量原理，以美國熱電公司的43i氣體分析儀為例說明該測量原理。稀釋后的樣品氣體進入測量池，用適當波長的（190～230 nm）紫外線照射樣品，SO2吸收紫外光變成激發態的分子，即，該分子非常不穩定，瞬間返回激發態，同時產生330 nm波長的特征熒光，即，在一定溫度和壓力條件下，該熒光強度與樣品中的SO2濃度成正比，即，式中I為特征熒光的強度，c為SO2氣體濃度，k為比例系數。用光電倍增管或其他檢測器測量出熒光的強度，通過分析儀電子單元可進一步換算成SO2濃度值。美國熱電43i分析儀主要由紫外光源、反應氣室、光電檢測器、光電倍增管等部件組成，其工作原理圖如2所示。

3.3 NO-NO2-NOx氣體分析儀測量原理

目前稀釋抽取式氣態污染物CEMS系統NO-NO2-NOx多采用化學發光法測量。以美國熱電42i分析儀為例說明該測量方法，該分析儀主要由采樣泵、反應室、光電倍增管、鉬轉化爐、臭氧發生器等部件組成，NO-NO2-NOx氣體分析儀工作原理圖如3圖所示。該分析儀帶有一個NO-NOx切換電磁閥，用來切換進入測量室的樣品氣，使樣品直接進入測量室，或者樣品經過鉬轉化器后進入測量室，通過光電檢測器測量反應室的光信號，并將其轉化為電信號計算出樣品氣中的NO和NOx濃度值，分析儀電子單元通過NO和NOx值計算出NO2濃度值。具體的測量原理為：在一定的條件下，NO與O3發生反應，產生激發態的分子，該分子十分不穩定，瞬間返回成激發態NO2分子，同時產生波長為900 nm的近紅外熒光，用光電倍增管或其他檢測器測量出該熒光的強度，通過分析儀電子單元可進一步換算成NO-NO2-NOx濃度值。該反應的化學方程式如下式所示：（1-1），（1-2）。

燃煤鍋爐排放的煙氣中氮氧化物主要由NO和NO2組成，NO2不能與O3發生化學發光反應，只能通過間接方法測量出煙氣中NO2的含量。目前，最常用的方法就是鉬轉化法，即利用一定活潑特性的金屬鉬在高溫下與NO2發生反應，將NO2還原為NO，當該樣氣進入測量室，分析測量出NOx的濃度，NOx和NO的差值即為NO2濃度。鉬轉化方程式為：。

4 稀釋抽取式氣態污染物CEMS的影響因素

（1）影響稀釋抽取式氣態污染物恒流即影響該系統的稀釋比，系統恒流狀態隨稀釋比的改變而改變，而稀釋氣壓力、煙氣絕對壓力、煙氣密度和煙氣溫度的變化都會造成臨界限流孔的流速異常，從而影響稀釋比，造成該系統采樣流量波動，測量結果失真。目前消除這些影響的主要手段就是結合實際工況在現場對該系統的稀釋比進行重新校準，對煙氣的溫度和壓力變化能實時進行動態補償，用與樣氣測量值相近的標氣對該系統進行定期全程標定，這樣能減少這些因素對稀釋抽取式氣態污染物CEMS測量造成的影響。由于該廠采用濕氨法脫除煙氣中的二氧化硫，稀釋煙氣中會有白色的硫酸銨粉末析出堵塞音速小孔，從而使稀釋比發生變化，造成儀表測量不準確。由于音速小孔孔徑只有頭發絲一樣大，堵塞后疏通起來比較費時間，一般企業會備有新的音速小孔，替換下堵塞小孔進行疏通處理，這樣不會影響儀表的正常測量及數據傳輸，將儀表故障處理時間降到最少。

（2）影響稀釋抽取式氣態污染物CEMS中SO2測量的因素主要有：煙氣中的烴類、臭氧、煙氣中粉塵、測量室溫度、激發光源等。

其中烴類化合物由于能使熒光淬滅，使儀器發射熒光的濃度降低，使測量誤差偏差較大。美國熱電公司的43i紫外熒光法二氧化硫分析儀在樣品進入測量氣室前裝有一個氣體洗滌器，用來除去樣品中任何烴類化合物，避免該類化合物對測量造成影響。

由于臭氧對一個相對寬的波長范圍內紫外光都有吸收，所以為避免空氣中臭氧對該儀表測量值的影響，43i分析儀在設計上盡可能地縮短了熒光氣室到光電檢測器之間的距離，二者之間設有一個窄帶濾光片，熒光氣室和檢測器之間狹縫完全密封。

由于該廠脫硫系統采用的是濕氨法脫硫，稀釋后的煙氣在傳輸過程中會有細小的粉塵粉末（主要為硫酸銨粉末）析出，盡管分析儀入口裝有目數很小的膜式過濾器，也要定期檢查過濾器膜片使用情況，否則如果膜片破損，該分析儀測量氣室鏡片會受到污染，測量誤差變大。

因為溫度降低會減少熒光碰撞和非輻射失活的概率，會使熒光的強度增強，分子能量以熒光形式釋放的幾率變大;溫度升高會引起氣體黏度減小，從而造成分子發生碰撞的幾率和頻率變大，分子通過其他形式釋放能量，這樣產生的熒光效應就會變弱，所以維持測量室溫度恒定，一般測量氣室溫度設定為45 ℃左右，從而使測量結果穩定準確。

激發光源對熒光光譜的影響作用主要是由激發光源的波長和強度不同所造成的，由于物質對光的吸收具有選擇性，當激發波長發生細小改變很可能引起熒光效率的巨大改變，從而影響該儀表測量結果。美國熱電43i二氧化硫分析儀采用鋅燈作為光源，采用特定濾光片讓213 nm的主共振線通過，獲得穩定的激發波長，光源衰減小和使用壽命長。

5 結束語

隨著國民經濟的高速發展和人民生活水平的不斷提高，環境保護是構建和諧社會和資源節約型、友好型社會的重要組成部分，而固定污染源廢氣排放監測是環境保護的基礎工作和數據來源，保證各污染源儀表的穩定測量和數據準確有效尤為重要。以當前最為流行的稀釋抽取式氣態污染物CEMS為例，從該系統的組成結構、特點、測量原理及影響因素等方面進行詳細的敘述，希望能為從事環保工作的同行提供必要的幫助，讓其能快速深入了解該系統的主要技術內容。

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