摘要：本文通過介紹南京協(xié)鑫熱電有限公司2×48MW機(jī)組煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ContinuousEmissionMonitoringSystem)即CEMS的設(shè)計(jì)選型，比較了CEMS的幾種主要技術(shù)及其特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)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(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等（如二氧化硫收費(fèi)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(cè)儀器；火電廠大氣污染物的連續(xù)監(jiān)測(cè)按HJ/T75中的規(guī)定執(zhí)行；煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)省級(jí)以上人民政府環(huán)境保護(hù)行政主管部門驗(yàn)收合格后，在有效期內(nèi)其監(jiān)測(cè)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(cè)、排污收費(fèi)、污染物治理及實(shí)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2×240t/h循環(huán)流化床鍋爐配2×48MW機(jī)組，采用爐內(nèi)投加石灰石脫硫方式，安有二臺(tái)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(dòng)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(cè)項(xiàng)目為SO2、煙塵、NOx，附帶測(cè)量參數(shù)為煙氣溫度、煙氣量、流速、壓力、水分、煙氣含O2量等。

3CEMS組成

CEMS由煙塵監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)監(jiān)測(cè)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(chǎng)部分和儀器間部分。

煙道現(xiàn)場(chǎng)儀器包括：直抽取樣探頭、煙塵監(jiān)測(cè)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。
現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(gè)波長來確定一種分子的濃度，所以具有較強(qiáng)的抗干擾性。其主要缺點(diǎn)是儀器工作環(huán)境惡劣，維修不便，同時(shí)差分吸收無法實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)，測(cè)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(chǎng)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(diǎn)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(cè)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(shí)，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(gè)恒定值，所以樣氣的稀釋比是一個(gè)恒定值。稀釋法的主要優(yōu)點(diǎn)是：

1）樣氣經(jīng)大比例稀釋后降低了煙氣露點(diǎn)，傳輸管道不會(huì)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(yùn)行可靠性；

3）煙氣抽取量小（典型值50mL/min）,延長了過濾器使用壽命，儀器維護(hù)量小；

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(chǎng)合，國際市場(chǎng)份額約占80。

稀釋法的主要缺點(diǎn)是：

1）樣氣中未除去水分，為濕法測(cè)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(jià)格較高。

直接抽取法（加熱管線法）是通過加熱管對(duì)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(duì)煙氣中濃度較低且易溶于水的HCl、NH3、H3S等成分無法測(cè)量，因此不能用于垃圾焚燒發(fā)電廠的煙氣監(jiān)測(cè)中。若將高溫高濕的煙氣送入儀器中進(jìn)行分析，則對(duì)分析儀的要求很高，整套系統(tǒng)價(jià)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(cè)量。直接抽取法適用于煙氣除塵效果好的場(chǎng)合，主要優(yōu)點(diǎn)是：

1）樣氣中去除了水分，為干氣測(cè)量；

2）用常量分析儀監(jiān)測(cè)，精度可靠；

3）無需稀釋氣，維修費(fèi)用低；

4）一臺(tái)氣體分析儀可進(jìn)行多種污染物監(jiān)測(cè)，成本低；

5）系統(tǒng)價(jià)格適中。

直接抽取法的主要缺點(diǎn)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(cè)子系統(tǒng)

CEMS中煙塵的測(cè)量是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，根據(jù)HJ/T75-2001規(guī)定，適合于煙塵連續(xù)監(jiān)測(cè)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(shí)，煙氣中的煙塵對(duì)光向所有方向散射，經(jīng)煙塵散射的光的強(qiáng)弱與煙塵散射截面成正比，當(dāng)煙塵濃度升高時(shí)煙塵的散射截面增大，散射光增強(qiáng)，即光強(qiáng)在一定范圍內(nèi)與煙塵濃度成比例，通過測(cè)量散射光強(qiáng)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(cè)塵儀接受器與光源呈±60°；邊散射測(cè)塵儀接受器與光源呈±（60°～120°）；后散射測(cè)塵儀接受器與光源呈±（120°～180°）。

散射法的主要優(yōu)點(diǎn)是：安裝容易，靈敏度高，維護(hù)量小，測(cè)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(diǎn)是：燃料種類變化較大時(shí)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(cè)量，也可用于粉體加工傳送過程的濃度測(cè)量。

濁度法（也稱透射法，對(duì)穿法）是指光通過含有煙塵的煙氣時(shí)，光強(qiáng)因煙塵的吸收和散射作用而減弱，通過測(cè)定光束通過煙氣前后的光強(qiáng)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(cè)量精度較低。濁度法的主要優(yōu)點(diǎn)是：技術(shù)成熟，結(jié)果可靠，價(jià)格適中，目前國內(nèi)使用數(shù)量較多。濁度法的主要缺點(diǎn)是：需雙端安裝，進(jìn)行光路對(duì)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(cè)量。

設(shè)置煙塵監(jiān)測(cè)孔時(shí)，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(cè)孔前的直管段不小于4倍當(dāng)量直徑、且監(jiān)測(cè)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(cè)孔前的直管段長度必須大于監(jiān)測(cè)孔后的直管段長度。

本工程選用濁度法煙塵測(cè)塵儀，因兩臺(tái)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(tái)除塵器后配兩臺(tái)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(cè)孔開在煙囪兩側(cè)的磚煙道上。

3.3.煙氣污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

由于要對(duì)兩臺(tái)鍋爐的煙氣污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為降低成本，采用一套分析儀對(duì)兩臺(tái)鍋爐輪流監(jiān)測(cè)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（NDIR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(cè)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(shí)發(fā)出熒光，而且熒光強(qiáng)度與煙氣中SO2的濃度成正比，通過測(cè)量熒光光強(qiáng)就可得到SO2的濃度值。該法靈敏度高，可探測(cè)到ppb級(jí)的低濃度SO2，而且動(dòng)態(tài)范圍和線性度好。

化學(xué)發(fā)光法測(cè)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(shí)放出光子，當(dāng)臭氧過量時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度與煙氣中NO濃度成正比，測(cè)量發(fā)光光強(qiáng)即可得到NO濃度值；同時(shí)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(cè)量發(fā)光光強(qiáng)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(duì)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(tái)儀器測(cè)定多組分氣體，有較好的性價(jià)比、適用于直抽取樣法。