燃煤电厂烟气超低排放CEMS选型与设计探讨

燃煤电厂烟气超低排放CEMS选型与设计探讨

田野

（大唐环境产业集团股份有限公司北京100097）

摘要：CEMS是环保排放监测的重要设备。面对燃煤电厂污染物排放标准日益严格，燃煤电厂CEMS的准确性和可靠性也越来越重要。烟气中含有烟尘、水滴、酸性气体，对仪表提出了更高的要求。通过比较CEMS各监测子系统的不同测量技术，分析了不同测量技术在测量精度、适用范围等方面的特点，同时结合规范要求和工程设计经验，提出了CEMS设备选型、系统设计予以重点考虑的问题,以期对燃煤电厂超低排放CEMS选型与设计有所裨益。

关键词：燃煤电厂；超低排放；CEMS；选型；设计

1引言

2014年9月12日，国家发展改革委、环境保护部、国家能源局联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》[1]。自此，国内煤电减排升级与改造拉开了新的帷幕。烟气排放连续监测系统（ContinuousEmissionMonitoringSystem,CEMS）用于对燃煤电厂烟气中气态污染物和颗粒物浓度、排放量进行连续实时监测，同时将监测数据传送到环保部门，以便环保部门能够对电厂环保设备投运情况进行有效监督。[2]严格的排放标准对CEMS系统提出了更高的要求。合理选择和设计CEMS对于准确、可靠监测超低排放烟气污染物已显得尤为必要。

2CEMS的测量方法与选型

2.1颗粒物监测子系统

原位式烟尘仪结构简单，测量范围宽，但是易受振动、水雾等干扰，稳定性差，无法自动标定，光学窗口污染后测量误差很大，需设自动吹扫装置。当测量湿烟气中超低浓度烟尘含量时，原位式烟尘仪不能满足烟尘测量的准确性要求，通常主要采用抽取式测量方法，采用光学方法测量取样后的干烟气中的烟尘浓度。为了准确测量烟气中烟尘含量，采样时需从烟道中连续等速抽取烟气。目前，有两类抽取式烟尘仪，一种是伴热抽取式，从烟道中伴热抽取烟气进入高温汽化腔室，将烟气中的水滴蒸干，如英国PCME181WS产品、德国SICKFWE200产品。另一种是稀释抽取式，抽取的烟气与加热了的空气混合后进入加热取样头，湿度立即降低，通过取样头再加热成干烟气进行测量，如德国DURAGD-R820F产品。

从测量范围、湿度影响、维护工作量等几个方面比较，从技术的角度优先选择的顺序为抽取式测量法、原位式光散射法、原位式光透射法。

2.2气态污染物监测子系统

2.2.1烟气预处理

直接抽取CEMS通过取样探头从烟囱或烟道中抽取有代表性的气体试样，对样气过滤、除湿，成为洁净、干燥的烟气，并在干烟气状态下进行分析，属于干基测量。稀释抽取CEMS在不需要对整个分析系统伴热的情况下，用稀释样气的方法保证稀释后的样气露点在最低环境温度以下，避免抽出的样气产生冷凝，属于湿基测量。恒定的稀释比通过选择不同规格的临界小孔或者调节稀释空气压力来获得。[5]相比于直接抽取CEMS，抽取的烟气流量大为减少，发生探头过滤器堵塞的可能性降低，维护周期长。零气发生器提供清洁、干燥，不含任何被测组分的稀释空气。采用稀释抽取法的CEMS设备要比直接抽取CEMS更复杂。

GB13223-2011规定烟气污染物排放浓度是在基于标准状态下干烟气的数值（即干基测量），采用直接抽取法比较方便，在国内应用广泛。

2.2.2烟气组分分析

气体分析仪由辐射光源、测量气室和测量电路构成。红外线/紫外线通过测量气室内的被测气体，然后测定通过气体后的红外线/紫外线辐射强度。在测量低组分浓度时，测量气室较长。红外分析仪要求气体干燥、清洁，对组分变化要求不严，是一个突出的优点。水分对紫外分析仪的干扰较小，可以忽略不计，常作为湿基测量的分析仪。[4]无论紫外分析仪还是红外分析仪，均需对样品过滤除尘。非分散红外法由于其吸收的光谱最大，可以测量高浓度，而且能同时测量多种组份，适用范围广，目前应用比较多。

目前，直接抽取法通常采用非分散红外气体分析仪，如ABB公司的Uras14、SIEMENS公司的ULTRAMAT23、SICKMAIHAK公司的S700MULTOR、HORIBA公司的ENDA-600ZG，为多组分红外分析仪。稀释抽取法则采用紫外荧光SO2分析仪和化学发光NOX分析仪等低测量范围、高灵敏度的单一组分气体分析仪，如ThermoFisher公司的43i型、42i型。此类CEMS一般采用模块化多组分分析仪。紫外荧光法吸收的光谱最小，适合测量低浓度，符合“超低排放”的设计要求，但由于是单组份测量，必须再配置化学发光法测量NOX的分析仪。

综合不同烟气预处理方式和烟气组分分析方式的特点，目前大多数燃煤电厂CEMS气态污染物监测子系统均采用冷干直接抽取式+非分散红外分析仪的测量方式。

3设计中应考虑的问题

在烟气通过脱硫吸收塔等烟气净化设施后，烟囱入口的净烟气普遍存在温度低，湿度高，SO2等污染物含量低、腐蚀性强的特点。对此，CEMS系统在设计时需从以下几方面考虑，确保CEMS数据的准确性和可靠性。

3.1设备方面

CEMS作为计量设备，要有国家质监部门的计量许可证和国家环保部门的环保认证。另外，CEMS的安装、验收和运行维护都要经过环保部门的认证和许可，并定期进行比对实验，保证仪器在测量误差内。CEMS的技术设计标准应符合行业标准HJ/T75、HJ/T76规定的技术要求与检验方法。

充分考虑净烟气的介质特点选择合适的取样处理及测量方式、设备材质。比如，烟气含有水滴对选择烟气流量测量方法的影响和对原位式测量仪表适应性的影响。在烟道中的探头和关键预处理部件需要采用防腐蚀材料或采用相应保护措施。

系统中分析仪、PLC等关键设备需要合适的不间断电源，以防止数据的丢失和中断，在严格考核污染排放的情况下避免可能造成的违规处罚。

3.2安装方面

CEMS的安装设计应结合烟道布置、CEMS小间位置、电缆桥架走向、平台设计、性能测试孔位置等情况作综合考虑。从取样点到CEMS机柜的距离不宜太长。振动可能对插入烟道中的探头造成损坏，尽量避开振动较大的安装位置。采样探头与分析机柜之间的采样管路应当连续向下倾斜，避免冷凝液的聚集。

测点开孔位置不宜安装在烟气流速低于5m/s的位置，优先选择在垂直管段和烟道负压区域，避开烟道弯头和断面急剧变化的部位，直管段要求应满足规范要求。在烟气CEMS监测断面下游应预留相应的参比采样孔位置。

CEMS分析机柜通常安装在有空调的室内，以满足分析仪表对环境温度的要求，提供适宜的工作条件。室内外电子设备及箱柜等应具有合适的IP标准的防护等级。安装在高处的烟气CEMS要采取防雷、接地措施，保护人身和设备安全。

4结论

一套CEMS各子系统均有各自不同的测量方式。在满足规范的前提下，结合工程的具体要求与实际工况，才能保证CEMS设备选型合规、合理。在此基础上，充分重视系统设计与日常运行维护，方可保证CEMS数据的准确性、可靠性。仪表选型与实际工况是否匹配、仪表探头安装位置是否合理、采样系统是否符合要求、仪表日常维护是否合理等都会影响CEMS的监测运行质量。总之，合理设备选型和系统设计是保证设备运行稳定性和测量准确度的基础。

参考文献：

[1]发改能源〔2014〕2093号,煤电节能减排升级与改造行动计划（2014－2020年）[S].

[2]郜武.烟气连续监测系统（CEMS）技术及应用[J].中国仪器仪表,2009,1:43-48.

[3]周根来.烟气脱硫CEMS测量方式的探讨[J].石油化工自动化,2013,49(1):54-57.

[4]王森.烟气排放连续监测系统（CEMS）[M].北京：化学工业出版社,2014.

[5]王胜,陈启福,刘文梅.稀释法CEMS在王滩电厂中的应用[J].化学工程与装备,2011,10:142-146.