全程校准烟气二氧化硫氮氧化物粉尘监测系统

CEMS系统概述

火电厂在燃烧煤炭时所排放出的烟气污染物中含粉尘、二氧化硫、氮氧化物，而 CEMS 系统可以根据上述污染物排放浓度和总量连续不断地进行全天24小时的监测。迄今为止，在低排放政资实施的大背景下，社会上的绝大多数火电厂正在加速内部低排放系统的构建，而烟气在线监测 CEMS 系统在其中是不可缺少的一项设备。


二、应用与研究

1、对冷干直抽法 CEMS 的研究

典型的冷干直抽法取样和预处理部分包括取样探头、取样伴热管线、过滤、除湿系统和取样泵等部分，其目的是给分析仪器提供连续的洁净(除尘)、干燥(除湿)、常温样气，确保分析仪长期连续稳定、准确可靠、少维护地协调运行，并延长其使用寿命。而作为火电厂低排放监测系统冷干直抽法 CEMS 除湿系统的主要作用是把烟气中的水蒸气给去除。现阶段普遍使用的是冷却除湿法，冷却除湿法需要在很短的时间内将水蒸气冷凝，从而避免烟气和冷凝水接触(但它的机理造成了冷凝水和 SO2 必然发生接触)。为l防止冷凝水结冰，其冷凝的温度一般来说维持在 3~5℃即可，冷却除湿法的主要形式为电子制冷和压缩机制冷。冷干直抽法 CEMS 预处理系统的主要的一个目的就是除湿。烟气在冷凝时会有冷凝水产生(普通热电厂的水含量为 8~15%)。但如果伴热管线加热效果下降，有冷凝水析出,或冷凝器制冷效果不好，样气中的水份未被分离而析出;或冷却仪的冷凝水蟠动泵管老化，致使冷凝水未能及时排出而被样气携带进入后续管道或仪器:另外在低温度比较低的情况下(冷凝器中)，SO2 的溶解度升高，低量程的 SO2 会溶解入冷凝水而造成监测分析的数据变小，甚至为零。

2、 应用改进

面对在高湿、低量程必定 发生二氧化硫溶入冷凝水的问题，目前为止存在两种方法可以规避或控制:(1)加注磷酸法，源自德国的烟气在线监测预处理系统,供应商考虑采用在整个伴热管线或在冷凝器中加注磷俊的方法来控制 ,NO<1000mg/Nm及 SO2<900mg/Nm 范围内二氧化硫在冷凝水中的溶解问题。机理是通过磷酸在水中电离出的 H离子，阻止 SO2 与水发生化学反应进而生成 HSO2，大程度确保只有少量的 二氧化硫落入冷凝水中。2Nafion 干燥管除湿法，通过 Nafion 膜选择性气态除湿的方式来从根本上解决冷凝水析出的问题，并且保留烟气中低量程的 SO2、NOX和 O2，有效确保分析的度和准确率。由于 Nafion干燥管没有机械运动部件，气态除湿且无冷凝水析出，因而与冷凝器相比具有明显的优势。

烟尘监测技术
1.光透射法烟尘监测技术。光透射法技术基于朗伯-比尔定律，即光穿过含尘烟气时透过率与烟尘浓度呈指数下降关系。在实际应用中有单光程和双光程两种类型的仪器，光透射法的准确性受颗粒物粒径分布影响较大，且灵敏度不高，一般用于烟尘浓度高（大于300mg/m3）、烟道直径大且烟气湿度低的工况。
.光散射法烟尘监测技术。光照射在烟尘上时会被烟尘吸收和散射，散射光偏离光入射的路径，散射光强度与烟尘粒径和入射光波长有关，光散射法就是采用测量散射光强度来监测烟尘浓度的。在实际应用中有前向散射、后向散射和边向散射三种类型。该技术灵敏度高，能够测量低至0.1mg/m3的烟尘浓度，低量程可达到0-5mg/m3，适用于烟尘浓度低、烟道直径小的情况。但该技术同样容易受水汽影响，不适宜烟气湿度高的工况。
3.电荷法烟尘监测技术。所有烟尘颗粒均带有电荷，颗粒物接触或摩擦时将产生电荷交换，电荷法就是用电绝缘传感探针测量探头和附近气流或直接与探头碰撞的颗粒物之间的电荷交换来测量烟尘浓度的。该技术除受烟尘粒径变化、组分变化和烟气湿度影响外，还受烟气流速影响，主要用于布袋除尘的泄漏检测和报警等定性测量，少在CEMS中应用。
4.β射线吸收法烟尘监测技术。β射线具有一定穿透力，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随吸收物质厚度的增加逐渐减弱，通过测量穿过物质前后的β射线强度，即可得出吸收物质的浓度。该技术基于抽取式测量方式，不受烟尘粒径分布、折射系数、组分变化、烟气湿度等影响，可用于烟尘浓度低、烟气湿度大的工况。但抽取式测量属于点测量，不适合烟气流速变化大、烟尘浓度分层的场所。

烟气预处理技术
基于非分散红外/紫外吸收法技术的CEMS系统多数采用直抽法取样，为防止系统堵塞和水分对测量的干扰，需要对烟气进行除尘和除水处理。预处理装置的效果直接影响CMES的整体性能，通常以处理后的烟气露点作为重要指标来判定预处理的性能。在实际应用中，“过滤+冷凝”的预处理方式较为广泛。其中烟气过滤除尘技术较为成熟，常用的有金属滤芯、陶瓷烧结滤芯和膜式过滤器。烟气冷凝除水技术较为常用的有压缩机冷凝和半导体冷凝，可将烟气露点干燥至5℃。新兴技术中有高分子膜式渗透除水技术，采用高分子聚合亲水材料，具有高选择性除水性能，不改变烟气中SO2和NOX污染物因子成份，可将烟气露点干燥至-5℃以下。

几种烟气在线监测技术的性能比较
国内火电厂烟气在线监测产品众多，本文结合各种产品的运行情况，参考了拥有该种技术典型品牌产品的说明书，对低排放较为关注的量程、精度等重要指标参数进行对比。其中小量程指的是小物理量程，而非软件迁移的量程。
1.SO2和NOX监测技术的比较
根据《固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ/T76），按低排放限值计算，SO2和NOX量程应不大于175mg/m3和250mg/m3。非分散紫外吸收/差分法分析仪的小量程满足HI/T76标准要求，但CEMS系统的整体性能不但与分析仪本身性能有关，还受烟气预处理系统性能的影响。
2.烟尘监测技术的比较
在火电厂低排放改造中，烟尘浓度一般要达到10mg/m3以下。尤其以湿式除尘改造为主要技术路线的烟气中水分含量较大，给烟尘的准确监测带来挑战。β射线法技术量程低，可达到低浓度烟尘监测的精度要求，但其成套价格较高，且β射线装置属于放射源，国家辐射管理部门对其销售、运输、使用过程、报废等都有严格的监管，不便于应用推广，所以其在CEMS上应用也较少。在实际应用中一般是将烟气等速抽取，经升温加热使水分雾化不出现液滴，再通过光散射等低浓度测量方法进行测量；另一种是将烟气等速抽取，将加热干燥的空气与其按一定比例混合稀释，从而降低烟气中的水分含量，再通过光散射等低浓度测量方法进行测量，结合混合气体的稀释比计算出烟尘浓度。这种方式采用低浓度测量原理，优化了烟气采样和预处理，有效解决目前低排放改造中高湿低浓度烟尘在线监测的问题，在湿式除尘后已有广泛应用。
3.烟气预处理技术的比较
火电厂实施低排放改造后，烟气污染物浓度大幅降低，在线监测的适应性取决于系统的检出下限，而CEMS的检出下限受分析仪本体和烟气预处理装置两部分制约。在实际应用的烟气预处理中，直接抽取+冷干法占70%，均采用冷凝除水技术。该技术在冷凝过程中，冷凝水会吸收携带部分SO2和NOX，以致在低浓度工况下的监测数据严重失真甚至无检测数据，不能满足HI/T76标准的技术要求。水分含量越高对测量结果影响越大，其中渗透膜除水技术对SO2测量的影响远小于其他除水技术，其除水效果优于其他技术。由此而知，在直抽法采用紫外吸收/差分法分析仪时，应同时选用除水效果更好的烟气预处理技术，否则监测数据可能严重失真甚至检测不出数据。在稀释法取样中，预处理侧重于对稀释气体的处理，通常配备的压缩空气净化装置或者发生装置，经精密过滤和干燥，可将露点降至-40℃，不需要加热采样管线。在CEMS中，稀释抽取法通常与紫外荧光和化学发光技术配套使用。
五、结束语：
综上所述，低排放改造实施后，进出口烟气特性差异较大，烟气监测对CEMS的系统配置提出了更高、更具体的要求，建议在可研或技术规范书里明确各测点不同污染物对烟气取样方式、预处理、分析仪的测量原理、量程、检出下限等主要参数和选型的具体要求。

火电

是否按小时均值判定超标：是

生产工序：锅炉

非正常情况达标判定要求：

（1）NOx的稳定运行达标判定期为机组启动后出力达到额定的50%开始到机组解列前出力降到额定的50%为止。在此期间外的启动和停机时段内的排放数据可不作为火电机组NOx达标判定依据。其中，启动时间原则上并网后不得超过4小时，如企业可提供一年以上在线监测数据等证明实际启动时间超过4小时的，可适当延长，高可延长至8小时；停机时间为1小时。对于电量不上网的自备电厂，冷启动不得超过4-5小时，热启动不得超过3-4小时，停机时间为1小时。

（2）若多台设施采用混合方式排放烟气，且其中一台处于启停时段，企业可提供烟气混合前各台设施有效监测数据的，按照企业提供数据进行达标判定。

水泥

是否按小时均值判定超标：是

生产工序：水泥窑

非正常情况达标判定要求：

（1）水泥窑冷点火时（从点火升温、投料到稳定运行）36小时（大面积更换耐火砖及冬季时，时间可适当延长）、热点火时（从点火升温、投料到稳定运行，窑尾烟室温度400℃）8小时、停窑8小时内窑尾二氧化硫和氮氧化物排放浓度均不视为违反许可排放浓度限值。

（2）针对水泥窑协同处置固废情况，当水泥窑出现故障或事故造成运行工况不正常，如窑内温度明显下降、烟气中污染物浓度明显升高等情况时，立即停止投加固体废物，待查明原因并恢复正常运行后方可恢复投加。每次故障或事故持续排放污染物时间不应超过4小时，每年累计不得超过60小时。

豁免因子：二氧化硫、氮氧化物