火電廠 煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)

本文介紹南京協(xié)鑫熱電有限公司2x48MW機(jī)組煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(ContinuousEmissionMonitoringSystem)即CEMS的設(shè)計選型，比較了CEMS的幾種主要技術(shù)及其特點。關(guān)鍵詞：火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)1前言我國火力發(fā)電量占總發(fā)電量80%左右，而煤炭占火電機(jī)組燃料的95%，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長促使電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，由燃煤所帶來的大氣污染問題日益嚴(yán)重。按目前的排放控制水平，到2020年，我國火電廠排放的二氧化硫、煙塵和氮氧化物將分別達(dá)到2100萬噸、500萬噸和1000萬噸以上。如果火電廠排放的大氣污染物得不到有效控制，將直接影響到我國大氣環(huán)境質(zhì)量的改善。為控制污染加劇，促進(jìn)火電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，國家環(huán)保部門采取了一系列嚴(yán)格的環(huán)保政策，如大氣污染物總量控制、提高排污收費標(biāo)準(zhǔn)等(如二氧化硫收費標(biāo)準(zhǔn)將由0.2元/kg調(diào)至0.63元/kg)。新修訂的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GBl3223—2003)規(guī)定：“火力發(fā)電鍋爐須裝設(shè)符合HJ/T75要求的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測儀器；火電廠大氣污染物的連續(xù)監(jiān)測按HJ/T75中的規(guī)定執(zhí)行；煙氣排放連續(xù)監(jiān)測裝置經(jīng)省級以上人民政府環(huán)境保護(hù)行政主管部門驗收合格后，在有效期內(nèi)其監(jiān)測數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。”因此，CEMS已成為環(huán)境管理、環(huán)境監(jiān)測、排污收費、污染物治理及實施污染物排放總量控制的科學(xué)可靠的依據(jù)及必要的技術(shù)手段。2工程情況簡介南京協(xié)鑫熱電有限公司建設(shè)規(guī)模為2x240t/h循環(huán)流化床鍋爐配2x48MW機(jī)組，采用爐內(nèi)投加石灰石脫硫方式，安有二臺布袋除塵器，煙氣由兩側(cè)煙道進(jìn)入煙囪排出，煙囪高150m，由于兩側(cè)煙道工況類似，煙氣的流動性好，CEMS采用“一拖二”系統(tǒng)配置，即在煙囪兩側(cè)煙道上分別安裝一套采樣裝置，共用一套分析儀器。監(jiān)測項目為SO2、煙塵、NOx，附帶測量參數(shù)為煙氣溫度、煙氣量、流速、壓力、水分、煙氣含02量等。3CEMS組成CEMS由煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)組成。組成CEMS的設(shè)備按照安裝布置可分為煙道現(xiàn)場部分和儀器間部分。煙道現(xiàn)場儀器包括：直抽取樣探頭、煙塵監(jiān)測儀、煙氣溫度、壓力、濕度、流速儀。儀器間儀器包括：煙氣預(yù)處理裝置、分析儀器、工控機(jī)、氣瓶等?，F(xiàn)場儀器和儀器間通過煙氣采樣伴熱管、電纜連接，負(fù)責(zé)氣體、電源和信號的傳輸。3.1取樣方法目前國內(nèi)外煙氣取樣方法主要有兩大類：直接測量法和抽取法，其中抽取法又分為直接抽取法和稀釋法。直接測量取樣法是把分析部件直接安裝在煙道上，結(jié)構(gòu)簡單，無須管線，采用差分吸收法測量，即將一束光直接照射在煙道氣體中，利用分子的吸收光譜測量若干波長上的吸收，根據(jù)這些波長上分子吸收系數(shù)的差來確定吸收分子的含量。由于采用多個波長來確定一種分子的濃度，所以具有較強的抗干擾性。其主要缺點是儀器工作環(huán)境惡劣，維修不便，同時差分吸收無法實現(xiàn)在線校準(zhǔn)，測量精度低，難以長期連續(xù)工作，國內(nèi)已很少使用，國際市場份額僅占不足1%。稀釋取樣法是將除塵后的取樣煙氣用大量的干燥純凈空氣按一定比例稀釋（100?250倍）后，使樣氣的露點溫度遠(yuǎn)低于室溫（一般達(dá)到-30。C以下），再送至微量分析儀進(jìn)行分析，分析結(jié)果乘以稀釋比，得到檢測值。稀釋法通過采用臨界孔技術(shù)保證稀釋比。所謂臨界孔指：當(dāng)臨界孔兩端的壓力比達(dá)到0.53以上時，流體經(jīng)過臨界孔的流速被限制在聲速，因此流體流過臨界孔的流量是恒定值。很容易保證稀釋氣的壓力恒定，即稀釋氣的流速亦是一個恒定值，所以樣氣的稀釋比是一個恒定值。稀釋法的主要優(yōu)點是：1）樣氣經(jīng)大比例稀釋后降低了煙氣露點，傳輸管道不會出現(xiàn)結(jié)露和堵管現(xiàn)象，防止了煙氣中的水汽凝結(jié)造成溶解性污染物的成分損失；2）杜絕了由于酸性凝結(jié)水腐蝕管道引起的故障，提高了系統(tǒng)的運行可靠性；3）煙氣抽取量?。ǖ湫椭?0mL/min）,延長了過濾器使用壽命，儀器維護(hù)量??；4）不需要煙氣預(yù)處理裝置，簡化了操作環(huán)節(jié)；5）適用于各種場合，國際市場份額約占80%。稀釋法的主要缺點是：1）樣氣中未除去水分，為濕法測量，結(jié)果需修正；2）需用微量分析儀，精度要求高，降低靈敏度，誤差增大；3）需要空氣凈化裝置，提高了成本，增大了維護(hù)量；4）系統(tǒng)價格較高。直接抽取法（加熱管線法）是通過加熱管對抽取的已除塵的煙氣進(jìn)行保溫，保持煙氣不結(jié)露，經(jīng)細(xì)除塵干燥裝置冷凝除濕預(yù)處理裝置后再送至分析儀。直接抽取法由于存在脫水過程，對煙氣中濃度較低且易溶于水的HCl、NH3、H3S等成分無法測量，因此不能用于垃圾焚燒發(fā)電廠的煙氣監(jiān)測中。若將高溫高濕的煙氣送入儀器中進(jìn)行分析，則對分析儀的要求很高，整套系統(tǒng)價格昂貴，多應(yīng)用于多成分、低濃度、易溶于水的氣態(tài)污染物測量。直接抽取法適用于煙氣除塵效果好的場合，主要優(yōu)點是：1）樣氣中去除了水分，為干氣測量；2）用常量分析儀監(jiān)測，精度可靠；3）無需稀釋氣，維修費用低；4）一臺氣體分析儀可進(jìn)行多種污染物監(jiān)測，成本低；5）系統(tǒng)價格適中。直接抽取法的主要缺點是：1）需要電（或汽）伴熱；2）需要采樣泵和預(yù)處理裝置。經(jīng)全面分析，由于本工程采用除塵效率高達(dá)99.95%布袋除塵器，煙塵排放濃度僅為14.2mg/Nm3，故本工程選擇直接抽取取樣法。3.2.煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)CEMS中煙塵的測量是一個相對獨立的部分，根據(jù)HJ/T75-2001規(guī)定，適合于煙塵連續(xù)監(jiān)測的方法主要有：光散射法和濁度法。光散射法是指用經(jīng)過調(diào)制的激光或紅外平行光束射向煙氣時，煙氣中的煙塵對光向所有方向散射，經(jīng)煙塵散射的光的強弱與煙塵散射截面成正比，當(dāng)煙塵濃度升高時煙塵的散射截面增大，散射光增強，即光強在一定范圍內(nèi)與煙塵濃度成比例，通過測量散射光強來定量煙塵濃度。根據(jù)接受器與光源所呈角度的大小可分為前散射、邊散射及后散射。前散射測塵儀接受器與光源呈士60°；邊散射測塵儀接受器與光源呈±（60°?120°）；后散射測塵儀接受器與光源呈士（120°?180°）。散射法的主要優(yōu)點是：安裝容易，靈敏度高，維護(hù)量小，測量范圍廣，可用于大中小各種尺寸的排放源。散射法的主要缺點是：燃料種類變化較大時需進(jìn)行標(biāo)定，屬于新型儀器，目前在國內(nèi)已安裝量還比較少，該法可適用于燃煤、燃油排放源的測量，也可用于粉體加工傳送過程的濃度測量。濁度法（也稱透射法，對穿法）是指光通過含有煙塵的煙氣時，光強因煙塵的吸收和散射作用而減弱，通過測定光束通過煙氣前后的光強比值來定量煙塵濃度。濁度法有激光光源和紅外光源兩種，激光光源采用半導(dǎo)體激光器，壽命較長，且不受水氣的影響，紅外光源主要受到水氣含量變化的干擾，測量精度較低。濁度法的主要優(yōu)點是：技術(shù)成熟，結(jié)果可靠，價格適中，目前國內(nèi)使用數(shù)量較多。濁度法的主要缺點是：需雙端安裝，進(jìn)行光路對中，安裝及維護(hù)稍有不便，發(fā)射端及接收端都需要潔凈空氣保護(hù)。該法可用于國內(nèi)的各種燃煤煙塵排放源的煙塵濃度測量。設(shè)置煙塵監(jiān)測孔時，應(yīng)優(yōu)先選擇在垂直管段，若煙道直管段長度大于6倍煙道當(dāng)量直徑，則監(jiān)測孔前的直管段不小于4倍當(dāng)量直徑、且監(jiān)測孔后的直管段長度不小于2倍當(dāng)量直徑；若煙道直管段長度小于6倍煙道當(dāng)量直徑，則監(jiān)測孔前的直管段長度必須大于監(jiān)測孔后的直管段長度。本工程選用濁度法煙塵測塵儀，因兩臺布袋除塵器來自不同廠家，一臥式，一立式，缺乏垂直管道，且每臺除塵器后配兩臺引風(fēng)機(jī)，即一爐配兩段鋼煙道，為減少探頭安裝數(shù)量，煙塵監(jiān)測孔開在煙囪兩側(cè)的磚煙道上。煙氣污染物監(jiān)測子系統(tǒng)由于要對兩臺鍋爐的煙氣污染物進(jìn)行監(jiān)測，為降低成本，采用一套分析儀對兩臺鍋爐輪流監(jiān)測的方法。煙氣中SO2的分析方法主要有紫外熒光法和非分散紅外吸收法（ND舊法），NOx的分析方法主要有化學(xué)發(fā)光法（CLD法）和非分散紅外吸收法（NDIR法）。紫外熒光法測量SO2濃度原理：煙氣在190nm?230nm的紫外光照射下，其中的SO2分子受激發(fā)生成激發(fā)態(tài)SO2,其返回基態(tài)時發(fā)出熒光，而且熒光強度與煙氣中SO2的濃度成正比，通過測量熒光光強就可得到SO2的濃度值。該法靈敏度高，可探測到ppb級的低濃度SO2,而且動態(tài)范圍和線性度好?；瘜W(xué)發(fā)光法測量NOx濃度原理：煙氣中的NO與臭氧發(fā)生反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的NO2,其返回基態(tài)時放出光子，當(dāng)臭氧過量時，發(fā)光強度與煙氣中NO濃度成正比，測量發(fā)光光強即可得到NO濃度值；同時利用鉬催化技術(shù)將煙氣中的NO2全部轉(zhuǎn)化為NO與臭氧發(fā)生反應(yīng)，測量發(fā)光光強即可得到NOx總濃度值。紫外熒光法和化學(xué)發(fā)光法均適用于稀釋取樣法。非分散紅外吸收法是利用各種氣體對于紅外線這一光譜波段能量的吸收在波長上具有選擇性這一原理構(gòu)成的，可以通過一臺儀器測定多組分氣體，有較好的性價比、適用于直抽取樣法。煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)煙氣參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測項目包括溫度、壓力、濕度、氧量和流速，其中溫度、壓力、濕度、氧量的測量均為常規(guī)方法，流速監(jiān)測方法的選擇需注意煙道的長度是否滿足安裝要求。煙氣流速的監(jiān)測有三種方法：壓差傳感法、超聲波法和熱傳感法。壓差傳感法利用壓差傳感器、皮托管等測出煙氣的動壓和靜壓，動壓和靜壓與被測煙氣流速成一定的比例關(guān)系，從而可定量煙氣流速。超聲波法通過超聲波順著煙氣流向和逆著煙氣流向通過已知距離的兩個點時，其傳輸時間不同，連續(xù)測定傳輸時間差可實現(xiàn)煙氣流速的連續(xù)監(jiān)測。熱傳感法是指煙氣通過熱傳感器時，帶走的熱量與煙氣流速和熱傳感器的電阻阻值變化成比例，通過測量熱傳感器的電阻阻值變化可求得煙氣流速。當(dāng)煙道長度小于6倍當(dāng)量直徑時，超聲波法可取得較準(zhǔn)確的測量結(jié)果，該法價格也較高。3.5.數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)目的是采集實時可靠的污染物排放數(shù)據(jù)，為運行人員提供實時的污染物排放參數(shù)，并指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化運行和控制煙氣污染物排放。系統(tǒng)可進(jìn)行計算處理、記錄，形成日、月、年報表，生成歷史趨勢圖表，完成丟失數(shù)據(jù)的彌補，并可將監(jiān)測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)和各種報表傳輸?shù)诫姀SDCS系統(tǒng)和環(huán)保管理部門.DCS至少應(yīng)存儲5年以上監(jiān)測小時平均值,監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)，并能檢索、顯示各種直觀的圖表和打印。系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)保法規(guī)在CEMS軟件中設(shè)定煙氣污染物排放報警限值，當(dāng)污染物超標(biāo)及儀器發(fā)生故障時，CEMS軟件進(jìn)行報警。4南京協(xié)鑫熱電有限公司CEMS技術(shù)方案CEMS方案說明根據(jù)煙氣所需測試SO2、NOX、O2各項指標(biāo)的要求，本方案選用完全抽取法的取樣方式進(jìn)行取樣。CEM系統(tǒng)由加熱的取樣探頭（對樣氣粗過濾）和自限熱（140°C）的伴熱取樣管線保證氣體在采樣和傳輸過程中保持煙氣的原來品質(zhì)，通過預(yù)處理迅速冷凝除濕并將冷凝液通過蠕動泵排至儲液罐內(nèi)，除濕后的氣體經(jīng)再次細(xì)過濾除塵通過取樣泵送至德國MAIHAK公司的S700系列微機(jī)化模塊式分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。其中SO2、NOX、選用UONR（高精度、高選擇、高穩(wěn)定性的多組分紅外分析儀）進(jìn)行分析，NO2通過轉(zhuǎn)換爐變成NO，由NO分析器測出NOx。O2氣選用OXOR-P（高精度的磁力機(jī)械式氧氣分析器，具有比電化學(xué)等原理不可比擬的長壽命、高精度等特點）進(jìn)行分析。最后通過數(shù)據(jù)處理（工控機(jī)）進(jìn)行取樣、反吹、校驗等動作執(zhí)行和強大的總量計算形成報表滿足環(huán)保的測試要求。提供RS485、隔離的（4—20mA）測量信號輸出和量程轉(zhuǎn)換、標(biāo)定、故障等狀態(tài)信號等多組繼電器開關(guān)量輸出。滿足向DCS和環(huán)境監(jiān)測站提供信號。完成整個測量和信號傳輸設(shè)置參與脫硫設(shè)備控制的要求。CEMS采用“一拖二”系統(tǒng)配置，在煙囪兩側(cè)煙道上分別安裝一套采樣裝置，共用一套分析儀器。即用兩個取樣和輸氣管路，一套預(yù)處理設(shè)備和分析測量儀器。與此相應(yīng)，數(shù)據(jù)處理和通訊裝置也共用一套。為了縮短取樣時間采用兩個取樣泵，在取樣的煙道切換前提前取樣。切換時間為15分鐘，每個周期的采集時間不低于10分鐘。反吹程序不影響測量。CEMS主要設(shè)備選型及參數(shù)4.2.1煙塵分析系統(tǒng)0儀器：煙塵分析儀0型號：FW-56-I0原理：濁度法0測量范圍：0?1000mg/Nm3（其它量程可設(shè)置）0零點漂移：三±2%最小量程/周0全幅漂移：三±5%滿量程/周0響應(yīng)時間：＜10s0線性度：三±1%0輸出：兩路4?20mA0產(chǎn)地：德國SICKSO2、NO分析儀0儀器：多組份氣體分析器0型號：S7100原理：非分散紅外吸收法0測量范圍：0?500?2500mg/m3（量程自動切換）0檢出下限：濃度校準(zhǔn)后10mg/m30零點漂移：三±1%最小量程/周0全幅漂移：三±1%滿量程/周0響應(yīng)時間：＜5s0線性度：三±2%0校準(zhǔn)：具有自動校準(zhǔn)功能（校準(zhǔn)周期可設(shè)定）0輸出：兩路4?20mA0產(chǎn)地：德國MAIHAK0NO2?NO轉(zhuǎn)換爐O2分析儀：0儀器：氧分析器0型號：S710（同SO2共用一臺S710）0原理：磁力機(jī)械式0測量范圍：0?25%0零點漂移：三±1%最小量程/周0全幅漂移：三±1%滿量程/周0響應(yīng)時間：＜5s0線性度：三±1%0輸出：兩路4?20mA0產(chǎn)地：德國MAIHAK4.2.4煙氣壓力、溫度測定0儀器：煙氣壓力、溫度測定儀0型號：SMC-202（壓力傳感器型號：3051C；溫度傳感器:144）0原理：壓差；溫度（熱電偶）0測量范圍：溫度：0?300°C0壓力：-5?5kPa0精密度：溫度：±3C0壓力：三±3%0輸出：兩路4?20mA0產(chǎn)地：德國4.2.5超聲波流速儀0型號：FLOWSIC1000原理：超聲波法0量程(高/低)：0?40m/S0采樣方法：現(xiàn)場直插式0分辨率：±0.1m/s0環(huán)境空氣溫度限制(最低/最高)：-20?+55°C0用電量(KVA)：0.10警報輸出：無源接點(任意設(shè)置報警值)0產(chǎn)地：德國SICK4.2.6濕度測量0選用芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的HMP235A型高溫電容法濕度計，因為有溫度校準(zhǔn)，精度高。但考慮到電廠的工況穩(wěn)定，煙氣含水量變化不大，采用短時測量取平均值輸入做濕度校準(zhǔn)計算。防止?jié)穸扔嫷囊馔鈸p壞。HMP235A的主要技術(shù)指標(biāo)如下：0測量變量：相對濕度0測量范圍：0?100%RH0最大變差：在授權(quán)的高質(zhì)量校準(zhǔn)以后，±1%RH(0?90%RH)±2%RH(90?100%RH)0用鹽溶液校準(zhǔn)(ASTME104-85):±2%RH(0?90%RH)±3%RH(90?100%RH)0響應(yīng)時間(T90%)：在20°C時，15S0傳感器：HUMICAP°K0溫度：測量范圍：一40?+180°C0精度：±2°C0傳感器：PT100，RTDIEC7511/3B級0電子線路典型溫度影響：±0.005°C0計算變量：0露點：一40°C?+100°C0混合比：0?500g/kgd.a.0絕對濕度：0?600g/m30濕球溫度：0?+100°C0輸出：兩個模擬量輸出可選，量程可選。0?20mA；0?1V04?20mA：0?5V0?10V0串聯(lián)數(shù)字輸出：RS232C；RS485；RS422或數(shù)字電流環(huán)0報警繼電器兩個：8A/230VA；24VDCSPCO4.2.6數(shù)據(jù)處理單元YQ-02型,為工控機(jī)系統(tǒng)，具有編程'采集'存儲'傳輸功能；軟件系統(tǒng)主要包括動態(tài)連接、企業(yè)日報、企業(yè)月報、企業(yè)日志、參數(shù)設(shè)置、串口設(shè)置、技術(shù)支持幾個部分。4.3系統(tǒng)主要特點4.3.1氣體污染物采用直接抽取法測量。4.3.2易損件少，可在地面進(jìn)行維護(hù)工作。4.3.3所有儀器均可上網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)程診斷，早期發(fā)現(xiàn)征兆及時處理故障。4.3.4用工控機(jī)對測量系統(tǒng)進(jìn)行集中控制管理，按照環(huán)保部門要求傳送數(shù)據(jù)和報表。同時可以用作控制脫硫除塵設(shè)備。4.3.5取樣探頭為加熱型取樣探頭，溫度可調(diào)節(jié)，最大溫度為180°C，在探頭過墻處也加熱，保證在探頭處樣氣不降溫、不冷凝。探頭內(nèi)部具有雙級除塵過濾裝置將樣氣大的顆粒初步濾掉，濾芯更換方便易行，建議每三個月?lián)Q一次，同時探頭處還有反吹氣接口，反吹氣的目的是吹掃氣路及濾芯（加溫的濾芯效果更佳），提高濾芯的壽命和取樣路徑的暢通。同時探頭具有溫度傳感器，監(jiān)控探頭的溫控效果。接觸煙氣內(nèi)表層噴氟，防腐性強。4.3.6取樣管線取樣管線為自限熱加熱管線和聚四氟乙烯取樣管及反吹管集成的復(fù)合管線。自限熱加熱管線的特點為140C（國標(biāo)），功率為40?60W/m，通過熱導(dǎo)的形式將取樣管加熱，從而保證在樣氣傳輸過程中不結(jié)露，自限熱加熱管線為：片點狀并聯(lián)加熱材料構(gòu)成，如：本材質(zhì)達(dá)到140C恒溫不再加熱，當(dāng)?shù)陀?40C時開始加熱。即溫度為整根管線的溫度，可靠性強，并設(shè)有溫度傳感器監(jiān)控溫度變化。4.3.7預(yù)處理單元干燥除濕:為壓縮機(jī)雙級除濕，溫控精度高，雙級除濕效率高。兩極間為取樣泵（流量5L/min，耐腐蝕耐負(fù)壓泵），雙級除濕對應(yīng)雙級蠕動泵排水，保證冷凝水的排放。精過濾器（第三級）更換期為半年。4.3.8傳感器在整個氣路中設(shè)有濕度、溫度、壓力傳感器，起到檢查除濕、加熱、取樣效果，保證樣氣在傳輸過程不冷凝或濕氣不進(jìn)入分析儀器。4.3.9分析單元采樣德國SICK.MAIHAK公司的專利技術(shù)-S710紅外線多組份分析儀：SO2、NO、CO采用紅外法；O2采用磁力機(jī)械式（壽命長、精度高）。該儀器具有濕度交叉干擾的修正，溫度、壓力、流速的自動補償技術(shù)使儀器具有很高的精