基于CEMS 的鍋爐廢氣污染物排放特性研究

摘要：隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要熱能設備，其排放的廢氣污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響受到了廣泛關注。以玖龍紙業(yè)（泉州）有限公司1# 鍋爐超低排放改造工程為例，采用CEMS 對其鍋爐廢氣中的PM、SO2、NOx 等污染物進行了實時監(jiān)測，并分析了不同工況下污染物的排放特性。結果表明，通過技術改造，1# 鍋爐的各污染物排放濃度均達到國家規(guī)定的超低排放標準，為鍋爐節(jié)能減排提供了有效的技術支持。

關鍵詞：連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）；鍋爐廢氣；污染物排放；超低排放技術；環(huán)保監(jiān)測

鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)和民用供暖的關鍵設備，其燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣含有多種污染物，如顆粒物（PM）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等，這些污染物對空氣質(zhì)量和人類健康構成了嚴重威脅[1]。因此，對鍋爐廢氣污染物進行實時監(jiān)測與控制尤為重要。連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）作為一種高效的監(jiān)測工具，能夠?qū)崿F(xiàn)對鍋爐廢氣中污染物的連續(xù)、實時監(jiān)測，為污染物排放的監(jiān)管與控制提供了技術支撐。

1 CEMS 的原理與技術構成

1.1 CEMS 的基本系統(tǒng)結構原理

CEMS 的基本系統(tǒng)包括采樣系統(tǒng)、分析儀表系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。采樣系統(tǒng)負責將鍋爐排放的廢氣引入分析儀表系統(tǒng)進行測量；分析儀表系統(tǒng)利用不同的物理或化學原理對污染物濃度進行測定；數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)負責收集分析儀表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并進行處理和存儲，以供后續(xù)分析和決策使用[2]。CEMS 系統(tǒng)結構如圖1 所示。

1.2 CEMS 的主要組成部分

CEMS 主要由采樣系統(tǒng)、測量單元、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、校準系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。采樣系統(tǒng)通常包括采樣探頭、采樣泵和加熱管線，負責從煙道中抽取代表性的煙氣樣本。測量單元通過光學傳感器或電化學傳感器，對煙氣中的污染物進行定量分析。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，如其系統(tǒng)結構原理所述，負責收集傳感器信號，再將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并進行數(shù)據(jù)處理和存儲。校準系統(tǒng)用于定期對CEMS 進行校準，以確保測量數(shù)據(jù)的準確性。輔助系統(tǒng)包括電源、反吹系統(tǒng)等，用以保障CEMS 的正常運行。

1.3 CEMS 的工作流程

CEMS 的工作流程主要包括采樣、傳輸、測量、數(shù)據(jù)處理、校準、報告和維護等步驟，具體操作參見圖1 所示的系統(tǒng)結構圖。

2 基于CEMS 的鍋爐廢氣污染物排放特性研究與分析

CEMS 廣泛應用于工業(yè)排放源監(jiān)測，其利用多種傳感器和分析技術，能夠連續(xù)、實時地監(jiān)測排放源中的污染物濃度和流量等參數(shù)[3]，在鍋爐廢氣污染物排放特性研究中發(fā)揮著關鍵作用。

首先，CEMS 能通過在排放點安裝的傳感器，不間斷地監(jiān)測廢氣中含有的各種污染物，如PM、SO2、NOx、未完全燃燒的碳氫化合物（NMHC）、一氧化碳（CO），以及各類重金屬和微量成分等。有助于實時了解廢氣排放成分，對準確判斷污染源的排放特性發(fā)揮著重要作用。

其次，CEMS 能夠持續(xù)追蹤廢氣排放的流量和溫度等關鍵指標。關鍵指標的波動對廢氣污染物的排放特性有著不容忽視的影響，如排放溫度會顯著影響NOx 的形成與釋放。CEMS通過不間斷地監(jiān)控一系列關鍵指標，為廢氣排放特性研究提供了重要依據(jù)。

最后，在數(shù)據(jù)管理方面，CEMS 具備實時數(shù)據(jù)傳輸及存儲功能，能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，并實現(xiàn)即時存儲與管理。這一功能有助于研究人員隨時訪問最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行實時的數(shù)據(jù)分析與研究工作。

2.1 鍋爐廢氣污染物排放特性研究

2.1.1 實驗模擬

在控制條件下進行燃燒實驗，調(diào)整燃燒溫度、氧氣（O2）濃度和燃料類型，記錄污染物生成量。

2.1.2 現(xiàn)場監(jiān)測

利用CEMS 監(jiān)測PM、SO2、NOx 等污染物的排放濃度，根據(jù)鍋爐運行周期制定詳細監(jiān)測計劃，確保數(shù)據(jù)的代表性和連續(xù)性。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析

使用方差分析（ANOVA）在內(nèi)的方法分析不同工況下污染物排放的變化趨勢，研究燃料特性、燃燒工況與污染物排放之間的相關性。

2.1.4 排放模型

根據(jù)現(xiàn)場CEMS 監(jiān)測數(shù)據(jù)建立排放模型，并與實際排放數(shù)據(jù)進行比較以驗證模型的準確性。CEMS 安裝位置如圖2 所示。

2.2 鍋爐廢氣排放過程中的影響因素分析

鍋爐廢氣的排放受燃料特性、燃燒過程、鍋爐設計參數(shù)、運行管理等多種因素影響[4]。

2.2.1 燃料特性

2.2.1.1 燃料的硫分含量

硫分較高的燃料在燃燒時易生成包括SO2在內(nèi)的硫化物，導致廢氣中的硫氧化物水平上升。

2.2.1.2 燃料的揮發(fā)性成分占比

揮發(fā)性成分占比高的燃料在燃燒時會釋放更多的有機氣體，從而增加廢氣中的揮發(fā)性有機化合物（VOCs）含量。

2.2.2 燃燒過程

2.2.2.1 燃燒溫度

燃燒溫度直接關聯(lián)著污染物排放和轉(zhuǎn)化機制。較高的溫度不僅有助于NOx 的形成，還有可能促使其與氨（NH3）在內(nèi)的還原劑發(fā)生反應，產(chǎn)生氮氣（N2）。

2.2.2.2 O2 供應量

充足的O2 有助于實現(xiàn)燃料的完全燃燒，從而減少NMHC 和CO 生成量。

2.2.3 鍋爐設計參數(shù)

2.2.3.1 結構類型

不同結構的鍋爐在燃燒過程中的氣體混合與溫度分布均有所差異，會對廢氣排放性質(zhì)產(chǎn)生直接影響。

2.2.3.2 燃燒室布局

燃燒室布局會影響燃燒過程中的空氣分布與摻混情況，進而影響污染物的生成和轉(zhuǎn)換。

2.2.4 運行管理

2.2.4.1 鍋爐負荷調(diào)節(jié)

鍋爐負荷的變動會引起燃燒條件的改變，從而對廢氣排放特性產(chǎn)生影響。

2.2.4.2 燃燒控制

通過燃燒控制系統(tǒng)實現(xiàn)燃燒控制，不僅能提升燃燒效率，還能夠有效減少廢氣排放。

3 鍋爐廢氣污染物排放特性研究結果與討論

3.1 鍋爐廢氣污染物排放特性監(jiān)測結果

本研究對玖龍紙業(yè)（泉州）有限公司1#鍋爐經(jīng)超低排放改造后，運行產(chǎn)生的廢氣污染物排放特性進行詳細監(jiān)測，廢氣污染物平均排放監(jiān)測結果如表1 所示。

3.1.1 PM 監(jiān)測與結果

采用在線CEMS 的激光前散射法對PM 進行監(jiān)測，監(jiān)測期間PM 排放濃度均在5 mg/m3以下，遠低于10 mg/m3 的排放限值。

3.1.2 SO2 監(jiān)測與結果

采用在線CEMS 的紫外差分吸收法對SO2 進行監(jiān)測，不同工況下SO2 排放濃度均在15～25 mg/m3 之間波動，均低于35 mg/m3 的排放限值。

3.1.3 NOx 監(jiān)測與結果

采用在線CEMS 的紫外差分吸收法對NOx進行監(jiān)測； 不同工況下NOx 排放濃度均在31～45 mg/m3 之間波動，均低于50 mg/m3 的排放限值。

3.2 鍋爐廢氣污染物排放特性與操作參數(shù)的關聯(lián)

鍋爐操作參數(shù)對廢氣污染物排放特性有顯著影響，其廢氣污染物排放與操作參數(shù)的關聯(lián)分析如表2 所示。

3.2.1 鍋爐負荷

鍋爐負荷通常與燃燒強度成正比，但鍋爐負荷的增加可能會導致PM 和NOx 排放濃度的上升[5]，不過借助高效的脫硝與除塵系統(tǒng)，仍可使其排放濃度保持在較低水平。

3.2.2 燃燒效率

燃燒效率與污染物排放量成反比，燃燒效率的提高能夠減少未完全燃燒產(chǎn)生的污染物，如CO、PM 等，其計算方法如式（1）所示。

3.2.3 煤質(zhì)

煤質(zhì)會直接影響廢氣污染物的生成量，如低硫、低灰分的煤可減少PM 和SO2 排放。煤質(zhì)參數(shù)與污染物排放的相關性如式（2）、式（3）所示。

3.3 鍋爐廢氣污染物排放變化趨勢及其影響因素

鍋爐廢氣污染物排放特性的變化趨勢顯示，隨著技術改造和操作參數(shù)的優(yōu)化，排放量呈下降趨勢。

3.3.1 技術改造

通過采用低氮燃燒器和增加脫硝噴槍數(shù)量，有效減少NOx 排放；將除塵系統(tǒng)由靜電除塵升級為“電場靜電除塵＋濕式電除塵”，進一步提高除塵效率。

3.3.2 環(huán)保設施運行

通過脫硫系統(tǒng)提效改造，將脫硫循環(huán)泵由3 臺增至4 臺，同時增加多孔板層數(shù)，提高脫硫效率，并顯著減少SO2 排放。

3.3.3 煤質(zhì)變化

通過使用低硫煤和優(yōu)化燃煤組成，可減少廢氣污染物的生成。煤質(zhì)優(yōu)化影響如式（4）所示。

3.3.4 監(jiān)測與維護

定期的CEMS 校準、校驗和環(huán)保設施維護是監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性與系統(tǒng)高效運行的有力保障。CEMS 監(jiān)測與手工監(jiān)測的校驗對比結果如表3 所示。

玖龍紙業(yè)（泉州）有限公司1# 鍋爐超低排放改造結果表明，通過采用先進的監(jiān)測技術、環(huán)保設施，以及優(yōu)化操作參數(shù)，能夠有效控制并減少鍋爐廢氣污染物的排放，滿足國家環(huán)保要求。在未來的研究中，可更加深入地探索不同煤種對排放特性的影響，以及如何通過智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)更精細化的燃燒管理，從而進一步降低鍋爐廢氣污染物排放量。

4 結束語

綜上所述，研究深入探討了CEMS 在監(jiān)測鍋爐廢氣污染物排放方面的應用特點，詳細剖析了其系統(tǒng)構造、工作原理、采樣機制和監(jiān)測過程，并結合實踐案例，表明CEMS 對于控制和管理鍋爐廢氣污染物排放至關重要，可通過科學地設計與實施，顯著提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性和可信度，從而為鍋爐運行優(yōu)化與環(huán)境保護提供堅實的技術支撐。

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作者簡介

陳少仕（1986—），男，漢族，福建泉州人，工程師，大學本科，研究方向為環(huán)境監(jiān)測。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-07-23