火力發(fā)電廠是排放SO2的主要排放源。20世紀(jì)70年代一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始對(duì)煙氣排放的二氧化硫、氮氧化物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。煙塵分析對(duì)于電廠煙氣排放也是火電廠一個(gè)主要指標(biāo)。煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CEMS)是為煙氣排放污染物連續(xù)監(jiān)測(cè)而專門(mén)設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。下面以西克麥哈克(北京)儀器有限公司的SMC-9021成套在線煙氣分析儀為例介紹一下CEMS在火電廠的應(yīng)用。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由SO2/O2/NOX分析儀、煙塵儀、流量計(jì)、壓力變送器、濕度/濕度計(jì)及數(shù)據(jù)處理單元(DAS)組成(見(jiàn)圖1)。

1　氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有3種技術(shù)方法:直接抽取法、稀釋取樣法和現(xiàn)場(chǎng)安裝型。

1.1　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(jiǎn)單,無(wú)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(zhǎng)上的吸收,根據(jù)這些波長(zhǎng)上分子吸收系數(shù)的差來(lái)確定吸收分子的含量。由于采用多個(gè)波長(zhǎng)來(lái)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,儀器光源使用壽命較短,維護(hù)成本較高,同時(shí)差分吸收無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn),測(cè)量精度低,難以長(zhǎng)期連續(xù)工作。

1.2　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℃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(guò)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(guò)臨界孔的流速被限制在聲速,因此流體流過(guò)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(zhǎng)了過(guò)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(jiǎn)化了操作環(huán)節(jié);

⑤適用于各種場(chǎng)合。

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。

1.3直接抽取法(加熱管線法)是通過(guò)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(guò)程,對(duì)煙氣中濃度較低且易溶于水的HCl、NH3、H3S等成分無(wú)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(wú)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。

對(duì)于電廠的脫硫系統(tǒng)過(guò)程控制和環(huán)境監(jiān)測(cè),高溫處理的直接抽取法是最適合的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)方便、校準(zhǔn)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確。SMC-9021就是這種測(cè)量方式。SMC系統(tǒng)采用高溫取樣,高溫輸氣和快速制冷脫水的方法,保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。高溫取樣探頭包括進(jìn)入煙囪/煙道中的取樣管和在煙囪/煙道外的取樣過(guò)濾器及其恒溫控制器。但取樣探頭的取樣管直徑較小故長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行后易發(fā)生硫化物結(jié)晶、石膏、粉塵等的堵塞現(xiàn)象故需定期反吹和疏通,見(jiàn)采樣探頭示意圖。

圖2采樣探頭示意圖

從煙囪/煙道中通過(guò)取樣探頭抽出的樣氣通過(guò)加熱取樣管線到達(dá)氣體分析系統(tǒng)。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,利用加熱材料的居里點(diǎn)進(jìn)行控溫。取樣管線是電伴熱的。

系統(tǒng)的預(yù)處理包括壓縮機(jī)制冷器、采樣泵、取樣/校準(zhǔn)/反吹電磁閥組、蠕動(dòng)泵、耐精過(guò)濾器和流量控制器等。壓縮機(jī)制冷器起到降溫效果,SMC-9021采用兩級(jí)制冷,第一級(jí)將溫度從140℃降至室溫,隨后經(jīng)過(guò)泵輸入到第二級(jí)制冷器把溫度降到4℃±011℃。雙級(jí)除濕,溫控精度高,雙級(jí)除濕效率也較好,整個(gè)過(guò)程的時(shí)間小于5s。因此,把SO2的損失控制在最小。使用雙級(jí)蠕動(dòng)泵排冷凝水,將冷凝水收集在儲(chǔ)液罐中,儲(chǔ)液罐需定期排掉冷凝水。

系統(tǒng)的SO2/O2/NOX分析儀為德國(guó)SICKS710多組分氣體分析儀,其中SO2、NOX、選用UONR多組分紅外分析儀進(jìn)行分析;NO2通過(guò)轉(zhuǎn)換爐變成NO,由NO分析器測(cè)出NOX;O2氣選用OXOR-P磁力機(jī)械式氧氣分析器進(jìn)行分析。該分析儀檢出下限為10mg/m3,零點(diǎn)漂移&le;&plusmn;1%最小量程/周,全幅漂移&le;&plusmn;1%滿量程/周,響應(yīng)時(shí)間:<5s,線性度:&le;&plusmn;2%,具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能(校準(zhǔn)周期可設(shè)定),校準(zhǔn)周期一般規(guī)定為1周。

系統(tǒng)還配備溫度報(bào)警、壓力報(bào)警和濕度報(bào)警。對(duì)高溫取樣的狀態(tài)、取樣過(guò)濾器的堵塞和冷凝情況進(jìn)行監(jiān)控,與取樣泵連鎖,保證系統(tǒng)取樣的準(zhǔn)確和儀器工作的可靠性。

2　煙塵測(cè)定儀

CEMS包括在線煙塵監(jiān)測(cè)儀。在線煙塵監(jiān)測(cè)儀用得最多的是光學(xué)方法。其原理分濁度法測(cè)量和激光散射法測(cè)量?jī)煞N。濁度法(透射法,對(duì)穿法)是指光通過(guò)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(guò)測(cè)定光束通過(guò)煙氣前后的光強(qiáng)比值來(lái)定量煙塵濃度。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(guó)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)。FW300設(shè)計(jì)中對(duì)光路采用兩種方案,大煙囪采用單光路單光程,小煙囪采用單光路雙光程,使量程和精度得到了兼顧。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中引入了消光值差的概念,使靈敏度又提高了10倍。即0mg/m3～100mg/m3的測(cè)量范圍的靈敏度提高到0mg/m3～10mg/m3。FW300配備了具有無(wú)故障連續(xù)工作的特點(diǎn)的2BH13型鼓風(fēng)機(jī),與清洗連接部件一起使煙氣減少對(duì)儀器的污染。

3　氣體流速儀

氣體流速測(cè)量有3種方法:熱差法、壓差法和超聲波方法。

3.1　熱差法是指煙氣通過(guò)熱傳感器時(shí),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(guò)測(cè)量熱傳感器的電阻阻值變化可求得煙氣流速,熱傳感法適宜于便攜式測(cè)量。

3.2　壓差法利用壓差傳感器、皮托管等測(cè)出煙氣的動(dòng)壓和靜壓,動(dòng)壓和靜壓與被測(cè)煙氣流速成一定的比例關(guān)系,從而可定量煙氣流速。皮托管差壓法為常用方法,但皮托管差壓法使用在測(cè)量帶有大量石膏漿液顆粒的煙氣時(shí)容易發(fā)生取樣管堵塞,需加強(qiáng)反吹和疏通。

3.3　超聲波法通過(guò)超聲波順著煙氣流向和逆著煙氣流向通過(guò)已知距離的兩個(gè)點(diǎn)時(shí),其傳輸時(shí)間不同,連續(xù)測(cè)定傳輸時(shí)間差可實(shí)現(xiàn)煙氣流速的連續(xù)監(jiān)測(cè)。采用超聲波方法進(jìn)行氣體流速測(cè)量效果最好。FLOWSIC100UHASSTi超聲波型流量計(jì)。測(cè)量過(guò)程為非接觸式,具有較高的測(cè)量精度,并可以進(jìn)行煙氣的溫度測(cè)量。兩套超聲波的發(fā)射器/接收器成直線安裝在煙道中,與煙氣流向成一定的夾角a,聲波的傳輸時(shí)間隨氣體的流向變化:在與氣流方向相同的方向上,傳播時(shí)間Tv被縮短;在與氣流方向相反方向上,傳播時(shí)間Tr被延長(zhǎng)。聲波的傳輸時(shí)間隨氣體的流向變化;氣體流速計(jì)算公式為:

設(shè)煙道橫截面積為A,煙氣體積流量為:

Q=3600&times;Vm&times;A

其中:Vm&mdash;&mdash;測(cè)定煙道斷面的煙氣平均流速;

L&mdash;&mdash;超聲波在煙道中的傳播路徑;

a&mdash;&mdash;煙道中心線與超聲波的傳播路徑的夾角;

Tv&mdash;&mdash;聲波順氣流方向在煙道中的傳播時(shí)間;

Tr&mdash;&mdash;聲波逆氣流方向在煙道中的傳播時(shí)間。

FLOWSIC100UHASSTi超聲波型流量計(jì)是通過(guò)測(cè)量超聲波在煙氣中順流和逆流行進(jìn)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算煙氣流速,與環(huán)境溫度、壓力及氣體的具體成分沒(méi)有關(guān)系,測(cè)量精度高。而且,測(cè)量所得是煙道橫截面的平均流速,代表性很強(qiáng)。超聲波發(fā)送器用鈦制造,探頭用SS316制造,耐腐蝕性很好。系統(tǒng)不需要進(jìn)行反吹,操作簡(jiǎn)單。

4　濕度測(cè)量

濕度測(cè)量采用的是一種高溫應(yīng)用的濕度傳感器HMP235,該系列濕度連續(xù)監(jiān)測(cè)儀采用電容型傳感器,濕度變化引起電容解質(zhì)介電常數(shù)的變化,因而使電容量發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量電容就可以測(cè)量濕度。芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的HMP235A型高溫電容法濕度計(jì),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(shí)測(cè)量取平均值輸入做濕度校準(zhǔn)計(jì)算。這樣可以防止?jié)穸扔?jì)的意外損壞,延長(zhǎng)儀器使用壽命。其外形圖如下:

圖3濕度儀外形

5　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

系統(tǒng)采用SMC-900型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集/控制儀為基礎(chǔ)建立的,它是以工控機(jī)為主體設(shè)計(jì)的,具有強(qiáng)大的硬件和軟件功能。軟件主要功能有:使用含氧量計(jì)算折算濃度、使用濕度計(jì)算干氣濃度、使用溫度,壓力計(jì)算標(biāo)態(tài)濃度、計(jì)算總排放量、形成實(shí)時(shí)報(bào)表、自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表,月報(bào)表,年報(bào)表、記錄故障事件、故障報(bào)警:聲,光、缺失數(shù)據(jù)的處理、記錄校準(zhǔn)報(bào)告、通過(guò)數(shù)據(jù)通訊終端向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)和報(bào)表,數(shù)據(jù)處理和表格形式符合HJ/T76-2001的規(guī)定。對(duì)氣體分析系統(tǒng)的反吹,校準(zhǔn)進(jìn)行控制。對(duì)探頭堵塞,加熱輸氣管溫度,氣體濕度進(jìn)行連鎖控制。顯示CEMS的流程圖,幫助運(yùn)行維護(hù)人員了解系統(tǒng)運(yùn)行情形。形成趨勢(shì)圖,棒圖、實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信等。