多點(diǎn)取樣方式在垃圾焚燒原煙氣污染物測量中的應(yīng)用

喬海飛，裴友峰，史海超

（光大環(huán)保能源（衢州）有限公司，浙江 衢州 324000）

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，城市垃圾產(chǎn)量不斷增加，垃圾焚燒已經(jīng)成為未來一段時間我國垃圾處理的主要發(fā)展方向，隨著國內(nèi)各大環(huán)保集團(tuán)大力興建垃圾焚燒電廠，各種各樣的問題也隨之凸顯.

針對不同的工藝處理流程、處理手段，設(shè)備精細(xì)化運(yùn)行成為垃圾焚燒電廠運(yùn)營的關(guān)鍵所在。隨著國家對環(huán)境保護(hù)的日益重視，在整個煙氣處理工藝流程中，在不同位置安裝煙氣監(jiān)測設(shè)備成為控制環(huán)保指標(biāo)的一種手段，對于原煙氣的監(jiān)測就是其中的一種方式，但是由于原煙氣組分及安裝位置的特殊性，對CEMS采樣系統(tǒng)的優(yōu)化改造也成為正確監(jiān)測原煙氣濃度的必要方法。

1 原煙氣在線監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 設(shè)備安裝位置及現(xiàn)狀

光大環(huán)保能源（衢州）有限公司采用傅里葉紅外變換原理對垃圾焚燒爐省煤器出口原煙氣進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，取樣系統(tǒng)設(shè)備安裝位置位于焚燒爐省煤器出口處，整套煙氣在線分析系統(tǒng)包括：分析儀機(jī)柜系統(tǒng)，采樣系統(tǒng)，預(yù)處理系統(tǒng)，加熱管線，數(shù)據(jù)采集記錄，工控機(jī)、壓縮空氣系統(tǒng)、氧量測量裝置等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)在省煤器出口管道安裝高溫加熱采樣探頭，通過全程加熱管線將原煙氣抽取到位于14米平臺的分析儀機(jī)柜系統(tǒng)中進(jìn)行分析測量，并將數(shù)據(jù)同時傳輸至DCS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。該系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測SO2，NOx、N2O、NO、NO2、CO、CO2、O2、HCL、HF、NH3、H2O等煙氣污染物濃度，系統(tǒng)采樣裝置采用180 ℃高溫加熱方法，保證所有和樣氣接觸的部件及相應(yīng)設(shè)備不受腐蝕。抽取式高溫型傅立葉在線紅外分析儀，通過伴熱管線將煙氣直接送入高溫型的分析儀中進(jìn)行測量。采樣管線從采樣探頭連接至分析儀，為連續(xù)長度的全加熱管線，加熱管線具有自動溫度控制功能。所有安裝在煙道/煙囪內(nèi)的設(shè)備均具備有效的防腐、防塵措施。采樣管線、探頭、過濾器充分考慮垃圾焚燒工程工藝煙氣特點(diǎn)，具有高防堵能力[1]。

整套系統(tǒng)采用無任何運(yùn)動部件的射流取樣技術(shù)，無移動部件。系統(tǒng)配置儀配備空氣吹掃系統(tǒng)，能防止光學(xué)鏡頭、采樣探頭被污染，系統(tǒng)分析可用手動或自動方法進(jìn)行校準(zhǔn)。加熱爐與加熱采樣探頭直接連接，無冷凝點(diǎn)。高溫?zé)煔饨?jīng)過加熱粉塵過濾模塊的0.3微米粉塵過濾器，進(jìn)一步濾除煙氣中的細(xì)微粉塵，確保清潔的樣氣傳輸至分析儀。加熱粉塵過濾模塊直接與加熱采樣管線連接，內(nèi)置零氣和標(biāo)氣注入口，便于整體系統(tǒng)的標(biāo)定和檢驗(yàn)。由耐腐蝕材料制成的電磁閥控制采樣探頭和皮托管定期反吹，通過干觸點(diǎn)信號控制反吹和零氣/標(biāo)氣注入，也能夠以干觸點(diǎn)信號向分析儀控制機(jī)柜傳輸溫度控制報(bào)警信號等。采樣探頭、加熱采樣線或加熱粉塵過濾模塊溫度低于或超出設(shè)定值范圍，設(shè)備將自動切換為反吹模式。

1.2 改造前存在的問題

系統(tǒng)改造前焚燒爐省煤器出口原煙氣污染物監(jiān)測采用單點(diǎn)取樣測量方式，但由于省煤器后原煙氣通往反應(yīng)塔的煙道較短，且取樣口前存在煙道縮徑，取樣口下游存在90°拐角煙道，導(dǎo)致煙道氣流存在渦流、紊流現(xiàn)象，使得同一監(jiān)測斷面流速場分布不均勻，單點(diǎn)取樣測量方式難以保證所測煙氣組分值代表斷面真實(shí)濃度。經(jīng)數(shù)月設(shè)備運(yùn)行維護(hù)發(fā)現(xiàn)，省煤器出口CEMS分析儀測量系統(tǒng)存在如下問題。

（1）因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)位于布袋除塵器之前，所以此位置煙塵含量高，造成采樣探頭使用一段時間后堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致分析儀系統(tǒng)抽取真空度降低，進(jìn)而產(chǎn)生報(bào)警，影響正常的測量分析。（2）取樣系統(tǒng)堵塞后無法通過正常的反吹進(jìn)行疏通，因粉塵濃度高且煙氣中含有一定水分，堵塞后無法通過高壓空氣進(jìn)行疏通。（3）維護(hù)周期短且維護(hù)困難，需每周開展探頭維護(hù)工作，造成運(yùn)維人員工作量增大，且此位置煙氣溫度高，環(huán)境溫度高，在正常生產(chǎn)狀態(tài)下，拆除探頭進(jìn)行維護(hù)的難度增大，每次拆除探頭維護(hù)工作需持續(xù)2～4小時。（4）因煙道氣流存在渦流、紊流現(xiàn)象，使得同一監(jiān)測斷面流速場分布不均勻，系統(tǒng)取樣點(diǎn)位于原煙氣煙道側(cè)面，所測煙氣經(jīng)與SCR入口監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)省煤器出口CEMS設(shè)備測量結(jié)果偏低，此處取樣點(diǎn)所測煙氣濃度無法準(zhǔn)確反映原煙氣中的實(shí)時污染物濃度。

基于以上原因，需要對采樣系統(tǒng)中的采樣探頭安裝位置、安裝方式、結(jié)構(gòu)及相關(guān)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。通過參考手工網(wǎng)格多點(diǎn)采樣，在同一煙道斷面上布置多點(diǎn)網(wǎng)格流速在線取樣測量系統(tǒng)，并通過手工比對進(jìn)行驗(yàn)證。比對結(jié)果表明：采用多點(diǎn)網(wǎng)格取樣系統(tǒng)所得斷面平均濃度能夠符合運(yùn)行監(jiān)控和環(huán)保監(jiān)測精度要求，能夠提高測量的準(zhǔn)確性。

2 采樣系統(tǒng)優(yōu)化及優(yōu)化方案

2.1 采樣系統(tǒng)的優(yōu)化

系統(tǒng)存在的問題均是因采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致出現(xiàn)無法正確測量的問題，系統(tǒng)的優(yōu)化主要針對采樣系統(tǒng)的改造。根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)有情況及存在問題，工作人員計(jì)劃從以下幾個方面對采樣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

（1）增大過濾器表面積，增強(qiáng)其過濾粉塵的能力，以延長設(shè)備使用時間，減少取樣系統(tǒng)管路堵塞情況的發(fā)生。（2）采樣探頭外部增加陶瓷保護(hù)套管，減少因煙氣粉塵沖刷帶來的探頭機(jī)械磨損，延長探頭使用壽命。（3）縮短取樣系統(tǒng)壓縮空氣吹掃時間，增加吹掃周期及頻次，采用壓縮空氣脈沖方式吹掃，提高吹掃效率及提升系統(tǒng)吹掃效果。（4）取樣系統(tǒng)改造為多點(diǎn)取樣并送至高溫混勻桶混勻后測量的方式，各取樣探頭進(jìn)行取樣后在混勻桶匯集，混合均勻后再送入傅里葉紅外檢測單元進(jìn)行測量，提高待測煙氣的代表性，同時三個取樣探頭可保障系統(tǒng)取樣的冗余性，單一探頭故障不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 采樣系統(tǒng)的優(yōu)化改造方案

2.2.1 增大過濾器表面積

因原煙氣成分復(fù)雜且煙氣未經(jīng)布袋除塵器脫離粉塵，故煙氣中粉塵濃度較高，所以需提高過濾器的過濾精度及材質(zhì)要求，改造后的采樣探頭采用雙級過濾，前端使用1微米過濾精度的316L不銹鋼過濾器，后端使用碳化硅材質(zhì)的非金屬過濾器，且兩種過濾器尺寸增加，增大了其與煙氣接觸的表面積，以提高粉塵過濾能力，同時延長過濾器的使用壽命。具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 改造后的過濾器

過濾器的表面積增大可提高采樣探頭抗粉塵的能力，同時改進(jìn)了過濾器的材質(zhì)，使得過濾器熱效應(yīng)和抗化學(xué)腐蝕能力增強(qiáng)，可有效延長探頭的使用周期，減少耗材的日常更換量。

2.2.2 采樣探頭外部增加陶瓷保護(hù)套管

因原煙氣粉塵濃度高，煙氣流速快，且粉塵具有刮削效應(yīng)，316L不銹鋼在此環(huán)境下長期使用，會導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)遭到破壞，增大探頭損壞或者斷裂的概率，所以在探頭外部增加陶瓷護(hù)套，可以有效保護(hù)探頭的金屬結(jié)構(gòu)且延長探頭的使用壽命。采樣探頭整體采用耐腐蝕性能優(yōu)異的316L材料制成，加熱原件采用具有防水特性的柔性金屬加熱材料，在潮濕的煙氣環(huán)境中具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和安全性。探頭前端配備防塵罩，煙氣經(jīng)過第一級1微米不銹鋼燒結(jié)粉塵過濾器進(jìn)入第二級煙氣預(yù)處理箱，可以有效濾除煙氣中的絕大多數(shù)粉塵，結(jié)合定期高壓自動反吹功能，維護(hù)量低。探頭工作時加熱溫度為180 ℃，高于煙氣中各氣體組分的冷點(diǎn)，無冷凝損失。采用PID方式控制加熱溫度，具有良好的溫度穩(wěn)定性[2]。

2.2.3 優(yōu)化吹掃方式

位于煙囪的煙氣實(shí)時在線監(jiān)測設(shè)備一般采用空氣吹掃，吹掃周期為2～3小時，每次吹掃持續(xù)1分鐘，因煙囪內(nèi)的凈煙氣經(jīng)過布袋除塵器后粉塵濃度已經(jīng)達(dá)到國家環(huán)保法規(guī)要求的最低限制，所以這種吹掃方式甚至不吹掃都不會造成探頭的過快堵塞，但因原煙氣監(jiān)測設(shè)備位于布袋除塵器之前，煙塵濃度可以達(dá)到5 g/m3甚至更高，所以常規(guī)的吹掃方式和吹掃壓力無法發(fā)揮有效的吹掃功能，此處優(yōu)化增加吹掃控制小板，通過此電路板可以設(shè)置吹掃的周期及吹掃持續(xù)時間。電路板通過發(fā)出脈沖控制信號控制吹掃電磁閥進(jìn)行脈沖開閉，可以使吹掃空氣壓力不停地產(chǎn)生突變，同時在探頭端增加緩沖罐，使吹掃空氣壓力可以瞬間達(dá)到最大，大大提升吹掃的效果[3]。

2.2.4 改造多點(diǎn)取樣系統(tǒng)

按照《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 75-2017）[4]中7.1.2.2對采樣點(diǎn)位置的要求，測定位置應(yīng)避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。對于圓形煙道，顆粒物CEMS和流速CMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向≥4倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向≥2倍煙道直徑處；氣態(tài)污染物CEMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向≥2倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向≥0.5倍煙道直徑處，當(dāng)無法找到滿足7.1.2.2的采樣位置時，應(yīng)盡可能選擇在氣流穩(wěn)定的斷面安裝CEMS采樣或分析探頭，并采取相應(yīng)措施保證監(jiān)測斷面煙氣分布相對均勻，斷面無紊流。省煤器出口采樣管道走向不均勻，且安裝平臺位置不一定能完全滿足上述要求，所以在只有一根采樣探頭的情況下，往往會因?yàn)槲闪鞯拇嬖冢斐蔁煔饬鲃硬灰?guī)律，使得測量結(jié)果與實(shí)際偏差較大，且趨勢無規(guī)律，跳動嚴(yán)重。通過增加采樣點(diǎn)的方式，同時使用高溫采樣泵按照相同流量抽取煙氣，最后在混勻罐中混勻后進(jìn)行測量，可以在很大程度上提高煙氣測量的準(zhǔn)確性。

改造后的取樣系統(tǒng)由以下幾部分組成：采樣探頭、加熱爐、高溫采樣泵、混勻罐、壓力傳感器、取樣管線等，加熱爐與加熱采樣探頭直接連接，無冷凝點(diǎn)。高溫?zé)煔饨?jīng)過加熱粉塵過濾模塊的0.3微米粉塵過濾器，進(jìn)一步濾除煙氣中的細(xì)微粉塵，確保將清潔的樣氣傳輸至分析儀。加熱粉塵過濾模塊直接與加熱采樣管線連接，內(nèi)置零氣/標(biāo)氣注入口，便于整體系統(tǒng)的標(biāo)定和檢驗(yàn)。由耐腐蝕材料制成的電磁閥控制采樣探頭和皮托管定期反吹，通過干觸點(diǎn)信號控制反吹和零氣/標(biāo)氣注入，也能夠以干觸點(diǎn)信號向分析儀控制機(jī)柜傳輸溫度控制報(bào)警信號等。采樣探頭、加熱采樣線或加熱粉塵過濾模塊溫度低于或超出設(shè)定值范圍，設(shè)備將自動切換為反吹模式。其中采樣探頭共三個，分別安裝在省煤器管道的三個位置，如圖2所示。

圖2 改造后取樣點(diǎn)布置圖

煙氣通過加熱管線連接進(jìn)入混勻采樣箱，通過加熱采樣泵驅(qū)動方式，將煙氣經(jīng)全程加熱的取樣管路抽取到混勻罐中。取樣管路由自由彎曲的熱導(dǎo)體與聚四氟乙烯管均勻纏繞起來，再通過鍍鎳銅線編織的外殼起到絕緣作用。這樣的熱導(dǎo)體編織物起到對導(dǎo)體的保護(hù)作用，保證了至軟管編織物上的最佳熱傳輸效果。外側(cè)的機(jī)械防護(hù)殼由編織的外套或者可彎曲的褶皺外套組成。管線的兩端都配有專門的硅膠帽，這種硅膠帽耐高溫，可以在移動時對管線起到保護(hù)作用。管線帶有一個內(nèi)置的溫度傳感器。

加熱采樣泵、混勻罐與煙氣接觸的部分均進(jìn)行180 ℃加熱處理，確保進(jìn)入的煙氣無冷點(diǎn)，不會造成管道腐蝕。混勻箱中每路采樣設(shè)有壓力傳感器，通過PLC監(jiān)控三路壓力數(shù)值，確保管路沒有堵塞，如圖3。

圖3 混勻裝置示意圖

系統(tǒng)機(jī)柜中的PLC系統(tǒng)可以監(jiān)測混勻裝置加熱溫度、混勻罐壓力，控制每路采樣泵的啟停；分別對每路采樣系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)維護(hù)，而不影響其他采樣設(shè)備工作，控制每路系統(tǒng)單獨(dú)反吹。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可存儲海量歷史數(shù)據(jù)，全中文數(shù)據(jù)采集和報(bào)告軟件，可顯示存儲干基或濕基測量數(shù)據(jù)；設(shè)定并存儲標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)；自動計(jì)算煙氣排放總量及煙氣監(jiān)測日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等；可顯示實(shí)時數(shù)據(jù)趨勢曲線；具備完全的遠(yuǎn)程仿真控制功能；具有基于Internet或局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)布功能；系統(tǒng)能進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、存貯、事件分類處理、數(shù)據(jù)合理性檢查和刪除指定記錄等功能，具有良好的可靠性、可維修性、可擴(kuò)性。

除系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件外，還配置有線故障診斷和殺毒軟件等。系統(tǒng)具有多級安全認(rèn)證功能（設(shè)置密碼進(jìn)入），硬件能存貯不低于3年的監(jiān)測小時平均值、監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)工況等參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠按日期和時間段的選擇追憶各監(jiān)測點(diǎn)的歷史趨勢，并能檢索、打印或在屏幕上顯示出來。屏幕具有漢字顯示的功能，并能顯示圖形、表格、曲線、條形圖或棒狀圖等；畫面能顯示過程變量的實(shí)時數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；能自動或根據(jù)指令生成運(yùn)行參數(shù)報(bào)告、數(shù)據(jù)報(bào)告、掉電記錄報(bào)告和操作記錄報(bào)告等；能自動生成有關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)及排放量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的報(bào)表，并可打印輸出；具有顯示、打印、聲音超限報(bào)警（異常報(bào)警）和事故報(bào)警信號功能。

儀器具有對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的功能。預(yù)留與當(dāng)?shù)丨h(huán)保監(jiān)測部門進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的接口，根據(jù)項(xiàng)目所在地環(huán)保局提供的傳輸協(xié)議編制程序、配置接口，發(fā)送數(shù)據(jù)到項(xiàng)目所在地環(huán)保局指定的接收設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。所有監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)和報(bào)警信號可接入DCS中，同時可將實(shí)時數(shù)據(jù)接入LED大屏進(jìn)行實(shí)時顯示，支持Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。提供給招標(biāo)方的信號，每個測量值都有4～20 mA的隔離信號輸出，可接受開關(guān)量輸入信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程投（樣氣采樣）切（零氣采樣），以便在工藝條件不佳時保護(hù)本系統(tǒng)，切換方式為人工切換。儀器送出報(bào)警信號的同時，可接受遠(yuǎn)程信號投切本系統(tǒng)有關(guān)部件，以便工藝條件不佳時保護(hù)本系統(tǒng)。HF、HCl、CO、CO2、SO2、H2O、NOx、O2等組分值的信號輸出均換算成壓力為101325 Pa、溫度為273.15 K、氧含量為11%標(biāo)準(zhǔn)條件的干煙氣值。

3 結(jié)語

光大環(huán)保能源（衢州）有限公司省煤器出口CEMS實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)的采樣系統(tǒng)改造完成后，至今未發(fā)生探頭堵塞的情況，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，基本消除了之前數(shù)據(jù)跳動、變化幅度劇烈的問題，設(shè)備維護(hù)量明顯減少，取得了較好的改造效果。