火力發電廠是排放SO2的主要排放源。20世紀70年代一些發達國家就開始對煙氣排放的二氧化硫、氮氧化物進行監測。煙塵分析對于電廠煙氣排放也是火電廠一個主要指標。煙氣連續監測系統(簡稱CEMS)是為煙氣排放污染物連續監測而專門設計的在線監測系統。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在火電廠的應用。

1　系統構成

該系統由SO2/O2/NOX分析儀、煙塵儀、流量計、壓力變送器、濕度/濕度計及數據處理單元(DAS)組成(見圖1)。

1　氣態污染物監測系統

氣態污染物監測系統有3種技術方法:直接抽取法、稀釋取樣法和現場安裝型。

1.1　直接測量取樣法是把分析部件直接安裝在煙道上,結構簡單,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,根據這些波長上分子吸收系數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境惡劣,維修不便,儀器光源使用壽命較短,維護成本較高,同時差分吸收無法實現在線校準,測量精度低,難以長期連續工作。

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,使樣氣的露點溫度遠低于室溫(一般達到-30℃以下),再送至微量分析儀進行分析,分析結果乘以稀釋比,得到檢測值。稀釋法通過采用臨界孔技術保證稀釋比。所謂臨界孔指:當臨界孔兩端的壓力比達到0.53以上時,流體經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。

稀釋法的主要優點是:

①樣氣經大比例稀釋后降低了煙氣露點,傳輸管道不會出現結露和堵管現象,防止了煙氣中的水汽凝結造成溶解性污染物的成分損失;

②杜絕了由于酸性凝結水腐蝕管道引起的故障,提高了系統的運行可靠性;

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

④不需要煙氣預處理裝置,簡化了操作環節;

⑤適用于各種場合。

稀釋法的主要缺點是:

①樣氣中未除去水分,為濕法測量,結果需修正;

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,增大了維護量;

④系統價格較高。

1.3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行保溫,保持煙氣不結露,經細除塵干燥裝置冷凝除濕預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電廠的煙氣監測中。若將高溫高濕的煙氣送入儀器中進行分析,則對分析儀的要求很高,整套系統價格昂貴,多應用于多成分、低濃度、易溶于水的氣態污染物測量。直接抽取法適用于煙氣除塵效果好的場合,主要優點是:

①樣氣中去除了水分,為干氣測量;

②用常量分析儀監測,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行多種污染物監測,成本低;

⑤系統價格適中。

直接抽取法的主要缺點是:

①需要電(或汽)伴熱;

②需要采樣泵和預處理裝置。

對于電廠的脫硫系統過程控制和環境監測,高溫處理的直接抽取法是最適合的方法。這種方法的優點是維護方便、校準簡單、測量準確。SMC-9021就是這種測量方式。SMC系統采用高溫取樣,高溫輸氣和快速制冷脫水的方法,保證測量結果的準確性。高溫取樣探頭包括進入煙囪/煙道中的取樣管和在煙囪/煙道外的取樣過濾器及其恒溫控制器。但取樣探頭的取樣管直徑較小故長時間連續運行后易發生硫化物結晶、石膏、粉塵等的堵塞現象故需定期反吹和疏通,見采樣探頭示意圖。

圖2采樣探頭示意圖

從煙囪/煙道中通過取樣探頭抽出的樣氣通過加熱取樣管線到達氣體分析系統。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合管線,利用加熱材料的居里點進行控溫。取樣管線是電伴熱的。

系統的預處理包括壓縮機制冷器、采樣泵、取樣/校準/反吹電磁閥組、蠕動泵、耐精過濾器和流量控制器等。壓縮機制冷器起到降溫效果,SMC-9021采用兩級制冷,第一級將溫度從140℃降至室溫,隨后經過泵輸入到第二級制冷器把溫度降到4℃±011℃。雙級除濕,溫控精度高,雙級除濕效率也較好,整個過程的時間小于5s。因此,把SO2的損失控制在最小。使用雙級蠕動泵排冷凝水,將冷凝水收集在儲液罐中,儲液罐需定期排掉冷凝水。

系統的SO2/O2/NOX分析儀為德國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行分析;NO2通過轉換爐變成NO,由NO分析器測出NOX;O2氣選用OXOR-P磁力機械式氧氣分析器進行分析。該分析儀檢出下限為10mg/m3,零點漂移&le;&plusmn;1%最小量程/周,全幅漂移&le;&plusmn;1%滿量程/周,響應時間:<5s,線性度:&le;&plusmn;2%,具有自動校準功能(校準周期可設定),校準周期一般規定為1周。

系統還配備溫度報警、壓力報警和濕度報警。對高溫取樣的狀態、取樣過濾器的堵塞和冷凝情況進行監控,與取樣泵連鎖,保證系統取樣的準確和儀器工作的可靠性。

2　煙塵測定儀

CEMS包括在線煙塵監測儀。在線煙塵監測儀用得最多的是光學方法。其原理分濁度法測量和激光散射法測量兩種。濁度法(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。濁度法的主要優點是:技術成熟,結果可靠,價格適中,目前國內使用數量較多。濁度法的主要缺點是:需雙端安裝,進行光路對中,安裝及維護稍有不便,發射端及接收端都需要潔凈空氣保護。FW300設計中對光路采用兩種方案,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。同時在軟件設計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的測量范圍的靈敏度提高到0mg/m3～10mg/m3。FW300配備了具有無故障連續工作的特點的2BH13型鼓風機,與清洗連接部件一起使煙氣減少對儀器的污染。

3　氣體流速儀

氣體流速測量有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,熱傳感法適宜于便攜式測量。

3.2　壓差法利用壓差傳感器、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量帶有大量石膏漿液顆粒的煙氣時容易發生取樣管堵塞,需加強反吹和疏通。

3.3　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,連續測定傳輸時間差可實現煙氣流速的連續監測。采用超聲波方法進行氣體流速測量效果最好。FLOWSIC100UHASSTi超聲波型流量計。測量過程為非接觸式,具有較高的測量精度,并可以進行煙氣的溫度測量。兩套超聲波的發射器/接收器成直線安裝在煙道中,與煙氣流向成一定的夾角a,聲波的傳輸時間隨氣體的流向變化:在與氣流方向相同的方向上,傳播時間Tv被縮短;在與氣流方向相反方向上,傳播時間Tr被延長。聲波的傳輸時間隨氣體的流向變化;氣體流速計算公式為:

設煙道橫截面積為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間;

Tr&mdash;&mdash;聲波逆氣流方向在煙道中的傳播時間。

FLOWSIC100UHASSTi超聲波型流量計是通過測量超聲波在煙氣中順流和逆流行進的時間差來計算煙氣流速,與環境溫度、壓力及氣體的具體成分沒有關系,測量精度高。而且,測量所得是煙道橫截面的平均流速,代表性很強。超聲波發送器用鈦制造,探頭用SS316制造,耐腐蝕性很好。系統不需要進行反吹,操作簡單。

4　濕度測量

濕度測量采用的是一種高溫應用的濕度傳感器HMP235,該系列濕度連續監測儀采用電容型傳感器,濕度變化引起電容解質介電常數的變化,因而使電容量發生變化,通過測量電容就可以測量濕度。芬蘭VAISALA公司生產的HMP235A型高溫電容法濕度計,有溫度校準,精度高,但考慮到電廠的工況穩定,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計算。這樣可以防止濕度計的意外損壞,延長儀器使用壽命。其外形圖如下:

圖3濕度儀外形

5　數據采集系統

系統采用SMC-900型數據采集系統。該采集系統是以數據采集/控制儀為基礎建立的,它是以工控機為主體設計的,具有強大的硬件和軟件功能。軟件主要功能有:使用含氧量計算折算濃度、使用濕度計算干氣濃度、使用溫度,壓力計算標態濃度、計算總排放量、形成實時報表、自動生成日報表,月報表,年報表、記錄故障事件、故障報警:聲,光、缺失數據的處理、記錄校準報告、通過數據通訊終端向上位機傳送數據和報表,數據處理和表格形式符合HJ/T76-2001的規定。對氣體分析系統的反吹,校準進行控制。對探頭堵塞,加熱輸氣管溫度,氣體濕度進行連鎖控制。顯示CEMS的流程圖,幫助運行維護人員了解系統運行情形。形成趨勢圖,棒圖、實現無線通信等。