火力發(fā)電廠煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化研究

李 源

（國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315824）

1 煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)簡介

火力發(fā)電廠常規(guī)的煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)主要分為四個部分，即污染物、煙氣排放參數(shù)、顆粒物監(jiān)測以及設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，前三個系統(tǒng)分別監(jiān)測的是煙氣的污染物含量（如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化合物等）、實(shí)時參數(shù)（如煙氣溫度、煙氣濕度、排煙壓力等）以及顆粒物成分含量。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場所采集到信息數(shù)據(jù)，通過測量儀表儀器等設(shè)備，用數(shù)字符號等形式傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)控平臺之中，為環(huán)保部門提供有力的數(shù)據(jù)分析。

煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是：首先將氣態(tài)污染物分析儀、顆粒物分析儀、溫度測量儀、壓力測量儀以及含氧量測量儀中提取的數(shù)據(jù)，傳送到煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)中的PLC中，然后，一方面可以通過硬接線連接將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集儀器，再由網(wǎng)絡(luò)路由器傳送到環(huán)保部門大的環(huán)保監(jiān)管平臺；另一方面可以通過PC上位機(jī)傳送到打印機(jī)，提供數(shù)據(jù)分析檔案。

2 煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)的分類及性能特點(diǎn)

2.1 直接測量法

直接測量法是將發(fā)射、接收兩種裝置分別安裝于煙道兩端，由紫外或紅外發(fā)射裝置對煙塵進(jìn)行射線探測，再由接收裝置實(shí)現(xiàn)光信號的采集并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)，然后由相關(guān)人員對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可了解煙氣的排放情況。直接測量法具有操作簡單、投資較少等優(yōu)點(diǎn)，同時在數(shù)據(jù)收集時可以不用將煙氣抽取出來，減少了一些中間環(huán)節(jié)，但是它也有一定的缺點(diǎn)，首先是在工作環(huán)境方面，由于火力發(fā)電廠現(xiàn)場環(huán)境干擾因素較多，導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)收集工作變得非常不穩(wěn)定；其次體現(xiàn)在工作量方面，火力發(fā)電廠由于本身的特殊性，加上煙氣排放系統(tǒng)的維修工作量相對較大，導(dǎo)致很多測量工作無法展開，因此直接測量法被其他更加先進(jìn)科學(xué)的測量方法逐漸取代。

2.2 抽取法

抽取法主要是將煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)中的分析系統(tǒng)以及采樣系統(tǒng)隔離開，分析系統(tǒng)一般都是放置在環(huán)境較好的工作區(qū)域，而采樣系統(tǒng)一般都是放置在環(huán)境較為惡劣的區(qū)域。其具體的工作原理是：先由采樣系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備對煙氣進(jìn)行抽取，然后將其轉(zhuǎn)移到分析系統(tǒng)中進(jìn)行準(zhǔn)確分析。但由于煙氣中的含水量相對較高，導(dǎo)致在整個傳輸過程中，煙氣會因?yàn)闇囟鹊南陆党霈F(xiàn)冷凝現(xiàn)象，使其中的一些物質(zhì)性狀發(fā)生改變，最終導(dǎo)致所測量的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，科學(xué)性不足。因此為了解決問題，人們又將抽取法分為兩種形式，分別為加熱抽取法以及稀釋抽取采樣法。

2.2.1 加熱抽取法

加熱抽取法在結(jié)構(gòu)上主要由加熱采集設(shè)備、加熱抽取管線、樣本預(yù)處理裝置、數(shù)據(jù)分析儀器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。具體操作方法如下：首先將加熱抽取管線放入到煙囪當(dāng)中抽取煙氣，之后通過過濾器過濾，然后利用加熱抽取管線將其傳輸?shù)綐颖绢A(yù)處理裝置當(dāng)中，將加熱探頭以及管線進(jìn)行加熱，保證煙氣溫度處于露點(diǎn)以上，再由樣本預(yù)處理系統(tǒng)（主要包括冷凝除溫器、采樣泵、過濾器以及流量控制器）冷卻除去水分后，將煙氣中相關(guān)成分的含量傳送到分析儀器當(dāng)中進(jìn)行分析對比。加熱抽取法的設(shè)備維護(hù)成本相對較高。

2.2.2 稀釋抽取法

稀釋抽取法主要是利用干燥純凈空氣將煙氣進(jìn)行稀釋。這種抽取法首先會將煙氣樣本中的含水量降低，控制在-20℃左右，同時將煙氣中的水汽進(jìn)行凝結(jié)，之后利用空氣噴嘴產(chǎn)生真空形態(tài)的樣本，經(jīng)過濾器吸入后，利用稀釋控制器來控制稀釋比列，最后將稀釋后的樣本傳送到分析儀器當(dāng)中得出數(shù)據(jù)。從性能來看，稀釋抽取法具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，樣本處理較為簡單，不僅具有良好的運(yùn)行效果，具備較強(qiáng)的實(shí)用性，同時還能避免因?yàn)榫S護(hù)工作的原因而帶來的測量工作的局限性。根據(jù)以上特點(diǎn)，很多火力發(fā)電廠基本上采用稀釋抽取法進(jìn)行測量，從而保證整個測量工作的科學(xué)性[1]。

3 煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測儀表分類

3.1 光學(xué)投射法

光學(xué)投射法是通過發(fā)射紅外線或者紫外線穿過煙塵，利用煙塵內(nèi)各類物質(zhì)對入射光的吸收特征不同，再由光學(xué)儀器對煙氣成分的含量進(jìn)行測量比對。在光源的分類上，可以分為鎢燈、激光光源測塵儀。其中需要注意的是，鎢燈光源的使用壽命較短，已不適合用于光學(xué)投射法。而采用半導(dǎo)體激光器作為光源，其同時具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和較長的壽命，從而在光學(xué)投射法上得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 光學(xué)散射法

光學(xué)散射法主要是利用了煙氣對入射光起到的散射效果。當(dāng)光照射煙氣中的顆粒物時會發(fā)生散射，同時向某一范圍角度進(jìn)行傳播由光經(jīng)光學(xué)儀器接收，再傳送到分析儀器，其同一范圍內(nèi)的監(jiān)測信號強(qiáng)度與煙氣中的顆粒物成正比。散射法檢測儀器屬于散射法中的主要應(yīng)用部件，一般使用激光二級管作為光源，同時采用在煙囪煙道內(nèi)單面安裝的形式對煙氣的濃度進(jìn)行直接測量。

3.3 β射線法

β射線法常用來測量煙氣中的顆粒物濃度。β粒子具有較強(qiáng)的穿透能力，當(dāng)它穿過煙氣時，會被煙氣中所含有的顆粒物遮擋削弱強(qiáng)度。煙氣中顆粒物的濃度與β射線的削弱程度成正比關(guān)系。在測量時，抽取一定量的煙氣，經(jīng)過顆粒物切割器篩選后，空氣動力學(xué)粒徑大于篩選標(biāo)準(zhǔn)的顆粒物被截留，剩余顆粒物通過并沉積。通過測量分析前后β射線的強(qiáng)度變化，就可以得出整個火電機(jī)組所排放的煙氣質(zhì)量[2]。

3.4 靜電荷法

靜電荷法是利用了煙氣中的塵埃顆粒和靜電探頭之間發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的靜電。從靜電產(chǎn)生的特點(diǎn)來看，靜電荷的強(qiáng)弱與煙氣排放的質(zhì)量有一定關(guān)系，通過測量靜電荷強(qiáng)度就可以推斷出整個煙氣的濃度值。靜電荷法能夠較為準(zhǔn)確地測量出煙氣排放的質(zhì)量，因此具備較高的實(shí)用性，受到了廣泛的關(guān)注和使用。

4 火力發(fā)電廠煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化措施

4.1 加強(qiáng)對氣態(tài)污染物的測量

從火力發(fā)電廠排放的氣態(tài)污染物的結(jié)構(gòu)來看，主要是由二氧化碳以及氮氧化物組成，通過對這兩種污染物的有效分析，能夠?qū)φ麄€火力發(fā)電廠的氣態(tài)污染物進(jìn)行精準(zhǔn)測量。測量氣態(tài)污染物主要應(yīng)用的原理為光學(xué)原理，通過對氣態(tài)污染物中的氣態(tài)分子進(jìn)行吸收，然后再利用紅外線等形式將其過濾到輻射探測器當(dāng)中，最后結(jié)合探測器所得到的信號與被氣體所吸收的光能量，通過計算機(jī)等設(shè)備對其進(jìn)行比對，從而對煙氣的濃度進(jìn)行測量分析[3]。

此外，還可以采用非分散紫外線吸收法的分析儀器進(jìn)行分析監(jiān)測，這種分析儀器工作原理是，對煙氣對不同形式的紫外線吸收程度進(jìn)行分析，通過對物質(zhì)組成的測量，將紫外線所發(fā)出的光源進(jìn)行分光后，投射到光電倍增管當(dāng)中，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換放大之后，由紫外線所吸收的光量對煙氣進(jìn)行準(zhǔn)確分析。另外需要注意的是，由于紫外線的能量較高，輻射程度較大，使得紫外線對于光譜法吸收的靈敏程度較高，具有較高的科學(xué)性。其抗干擾能力很強(qiáng)，即使在煙氣濃度較低的環(huán)境下進(jìn)行氣態(tài)污染物測量，也能夠保證整個測量法具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。隨著我國對污染物排放不斷進(jìn)行新的指定標(biāo)準(zhǔn)要求，各個火力發(fā)電廠對于用非分散紫外線吸收法此類先進(jìn)方法進(jìn)行氣態(tài)污染物測量的技術(shù)方法不斷成熟[4]。

4.2 加強(qiáng)對顆粒物的測量

對于顆粒物的測量方法主要由兩種形式，分別為濁度法以及散射法。濁度法具有很強(qiáng)的測量性，尤其是適合對高濃度顆粒物介質(zhì)的測量，因此在早期階段，被各個火力發(fā)電廠廣泛使用。在進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新興的環(huán)保技術(shù)陸續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)，使得煙氣排放中的顆粒物含量不斷下降。尤其是在大量新建設(shè)或改造的環(huán)保設(shè)備中，濁度法被散射法逐漸的替代。為了能夠更好地解決煙氣中含有的大量煙塵對散射光的干擾問題，就必須采用散射法的測量儀表儀器對顆粒物進(jìn)行快速而精準(zhǔn)測量。為了能夠降低顆粒物的排放量，可以應(yīng)用干燥式散射法，從而保證整個檢測工作能夠快速進(jìn)行，同時還能夠克服煙氣濕度所帶來的影響，降低整個煙氣監(jiān)測工作的成本支出，維護(hù)火力發(fā)電廠運(yùn)行自身的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 加強(qiáng)對煙氣排放參數(shù)的測量

火力發(fā)電廠煙氣參數(shù)測量主要包括以下幾種，分別為煙氣溫度、煙氣流量、壓力、煙氣含氧量以及煙氣濕度的測量。整個測量過程需要注意的是環(huán)境與介質(zhì)的腐蝕性問題以及堵塞問題，以免因煙氣排放造成堵塞，在一定程度上對火電機(jī)組運(yùn)行安全形成威脅。

在煙氣排放參數(shù)測量上，可以采用煙氣流量測量的方法，對煙氣的流動速度進(jìn)行計算，主要方法包括皮托管法、熱平衡法以及超聲波法。皮托管法和熱平衡法為點(diǎn)式測量，超聲波法為線式測量。從目前的使用范圍來看，我國大部分火力發(fā)電廠所采用的是皮托管法，這種監(jiān)測方法具有較好的使用性。

氧氣含氧量作為判斷煙氣稀釋程度的依據(jù)，在參數(shù)測量上也有著重要的作用。為了能夠得到具體的參數(shù)值，可以采用干濕氧法對煙氣中的氣態(tài)污染物進(jìn)行準(zhǔn)確測量分析，然后利用紅外線的光學(xué)原理進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，保證整個監(jiān)測過程的質(zhì)量[5]。

4.4 采樣方式的優(yōu)化

現(xiàn)階段的煙氣排放檢測的采樣方式優(yōu)化主要有兩種技術(shù)思路：

第一種是安大略法（Ontario Hydro Method），在采用它的采樣檢測系統(tǒng)的頭部有一個由熱電偶、恒溫采樣頭與石英纖維過濾棉芯組成的吸入式檢測裝置，主要是用于檢測火力發(fā)電廠中的煙氣中氣態(tài)汞與二噁英等危害物質(zhì)含量，恒溫采樣頭部以槍型探頭設(shè)置在煙氣排放口附近。同時在采用安大略法的采樣系統(tǒng)中還附帶有3個裝有KCl水溶液的試劑瓶充當(dāng)收集裝置，當(dāng)需要進(jìn)行煙氣檢測采樣時，只需要在煙囪管道的附近形成負(fù)壓，將檢測煙氣吸入進(jìn)去，并與清潔干燥的空氣按照一定的比例進(jìn)行稀釋后，就可以相應(yīng)地減少測煙氣中的水分，使樣本中的露點(diǎn)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室內(nèi)溫度，就能夠完成對煙氣氣態(tài)汞或其他有害物質(zhì)的采樣檢測。

第二種是英國的BS EN 13211法，它同樣由石英纖維濾紙來充當(dāng)濾筒加熱箱構(gòu)件，但區(qū)別是由于探測頭部的捕捉機(jī)制不同，使得它不需要安大略法的負(fù)壓收集步驟。在石英纖維濾紙捕捉到氣態(tài)汞、二氧化硫、二噁英以及烴烷類物質(zhì)后，由兩個分別裝有質(zhì)量濃度為40g/L的KMnO4溶液與體積分?jǐn)?shù)為0.1的H2SO4溶液的試劑瓶作為吸收裝置，并通過裝有干燥劑的試劑瓶來過濾掉煙氣中的水氣，在得到的樣本經(jīng)過消解后，可以直接通過冷原子光譜吸收法來測定各類排放物的痕量。在使用時可以直接將監(jiān)測系統(tǒng)中的分析單元直接安裝在煙囪當(dāng)中，通過更加直接的方式對煙氣進(jìn)行分析測量。BS EN 13211法的優(yōu)點(diǎn)是，能夠減少中間環(huán)節(jié)，省去采樣以及煙氣預(yù)處理單元，保證整個監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)用性更強(qiáng)，省去了一部分的資金投入；其缺點(diǎn)是，該抽取方式容易受到外部環(huán)境以及腐蝕、振動等現(xiàn)象的影響。如果這些影響因素相對較大，會導(dǎo)致整個測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生不確定性。因此，需要相關(guān)工作人員可考慮采取加裝保護(hù)外殼、避震裝置等措施，并定期對測量參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，減少外部環(huán)境所帶來的影響。

5 結(jié)束語

通過對采樣方式的優(yōu)化、煙氣排放測量參數(shù)的優(yōu)化、顆粒物測量的優(yōu)化以及氣態(tài)污染物的測量的優(yōu)化，保證環(huán)保裝置能夠正常進(jìn)行。該系統(tǒng)的改進(jìn)無論在測量技術(shù)路線上還是在運(yùn)行維護(hù)上都是一件任重而道遠(yuǎn)的工作，還需要通過我們大家不斷地摸索，以此來更好地為我國的環(huán)保事業(yè)做貢獻(xiàn)，同時促進(jìn)火力發(fā)電廠安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證供電的合理性。■