烟气排放连续监测系统的应用

葛 鹏

(东华工程科技股份有限公司,合肥 230024)

1 项目概况及工艺流程

合肥市危险废物集中处置项目是根据国家的有关规定,强化危险废物全过程监管,有利于对全市危险废物实施集中处理,防治污染,保护环境,创建国家环境保护模范城市的需要而建设的。该项目危险废物集中处置量为21.1 kt/a,其中焚烧处理规模为5.9 kt/a,其余采取固化填埋处理。选择成熟、可靠的焚烧工艺,使焚烧后的尾气净化后达到国家相关标准。因此,烟囱排放气体的准确检测是项目成败的关键。焚烧工艺流程如图1所示。

2 烟气排放连续监测系统(CEMS)

CEMS(Continuous Emission Monitoring System)是指对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物进行浓度和排放总量连续监测,并将信息实时传输到主管部门的装置。CEMS分别由气态污染物监测子系统、颗粒物监测子系统、烟气参数监测子系统和数据采集与处理子系统组成。气态污染物监测子系统主要用于监测气态污染物SO2,NOx等的浓度和排放总量;颗粒物监测子系统主要用来监测烟尘的浓度和排放总量;烟气参数监测子系统主要用来测量烟气的流速、温度、压力、含氧量、湿度等,用于排放总量的计算和相关浓度的折算;数据采集与处理子系统由数据采集器和计算机系统构成,实时采集各项参数,生成各浓度值对应的干基、湿基及折算浓度,生成日、月、年的累积排放量,完成丢失数据的补偿并将报表实时传输到主管部门。

图1 焚烧工艺流程示意

2.1 气态污染物监测子系统

气态污染物监测采用独有技术热湿法,其原理是利用紫外差分法测量高湿烟气中的SO2,NOx(含水分),再经过冷凝除水装置,用电化学法测量CO,O2,用红外技术测量CO2,利用原位式半导体激光光谱吸收(DLAS)技术测量 HCL,HF,CH4,然后通过干湿转化可计算 SO2,NOx,O2,HCL, HF,CH4干烟气浓度。

2.1.1 采样单元

该CEMS的采样单元主要由采样探头和伴热管线组成。按照国家规范将采样探头安装在烟道(或烟囱)的适当位置,采集烟道中的气体,并通过伴热管道将气体运送到位于机柜内部的加热盒中。为保证测量结果的准确,采样探头和伴热管线都采用电伴热的方式,可以将气体保持在设定的温度,以防止气体中水分凝结。

2.1.2 预处理单元

预处理功能主要有两步:将采样得到的湿热样气经过伴热管道送入位于机柜内的加热盒中,加热盒的温度保持在120～200℃左右,保持样气的组分不变,防止气体中的水汽凝结,与SO2作用生成亚硫酸,腐蚀设备,并影响测量结果;加热盒中测量池测量完毕后的湿热气体再经过冷凝除水装置,变为常温干燥气体,以便之后使用红外气体分析仪测量CO2,以及采用电化学法测量O2和CO。

2.1.3 分析仪表

a)分光光谱气体分析仪。该分析仪是基于多波段光谱分析技术(OMA)和差分光学吸收光谱技术(DOAS)的气体分析仪器。光源发出的光束通过光纤传输到外置的高温测量室,穿过气体室时被待测气体吸收后,由光纤传输到光谱仪,在光谱仪内部经过光栅分光,由阵列传感器将分光后的光信号转换为电信号,获得气体的连续吸收光谱信息。仪器根据此光谱信息采用DOAS,得到被测气体的浓度。

1)OMA技术。由于各种气体分子在不同波段对光波有不同的吸收,通过对气体吸收后的连续光谱的分析,实现了多种气体的同时测量。

2)DOAS技术。其核心思想是将气体的吸收光谱分解为快变和缓变两个部分。快变部分与气体分子的结构和所组成的元素有关,是气体分子吸收光谱的特征部分;缓变部分与烟尘、水汽、背景气体的干扰,以及测量系统的变化等因素有关,是干扰部分。DOAS采用快变部分计算被测气体的浓度,测量结果不受干扰,准确性高。

b)激光气体分析仪。该分析仪是基于半导体激光吸收光谱技术的分析仪,半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时,被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减,激光强度的衰减与被测气体含量成正比,因此,通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体中 HCL, HF,CH4的浓度。

2.2 颗粒物及烟气参数监测子系统

颗粒物监测采用激光透射原理的激光粉尘仪,该仪器采用独特的反射式光学设计,在增加测量光程、提高测量灵敏度的同时,使得所有光电器件(传感器、激光器)处于相同的环境温度下,进一步提高系统稳定性。基于高效的反光材料的反射光学设计,降低光学系统的调节要求,增强了抗振动能力,同时自带吹扫系统。

该激光粉尘仪内置了高性能微处理器,自动化程度非常高。由于避免了易磨损的运动部件和其他需经常更换的部件,日常预防性维护主要局限于周期性地目测检查和清洁光学视窗,并且无须在这些预防性维护后进行系统重新调整。

烟气参数监测子系统包括烟气温度、压力、流速和湿度的测量。烟气温度采用铂电阻温度传感器测量;其压力采用高精度压力传感器测量;其流速采用差压变送器测量,通过测量烟气流动中的全压和静压,得到烟气的流速;其湿度采用高分子薄膜电容法进行测量。所有的测量信号被送入数据采集与处理系统。

2.3 数据采集与处理子系统

数据采集与处理子系统由集线箱、工控机、CEMS监测软件、企业DCS数据传输单元等构成。集线箱安装在户外的平台上,采集现场所有设备的4～20 mA信号,通过内部的处理单元转换为工业现场的RS-485信号与机柜内的工控机进行通信。CEMS监测软件安装于工控机系统内,用于监测和汇总所有的气体浓度信息和工作状态信息,同时生成报表、存储数据、记录历史数据、与环保部门联网通信等功能。DCS数据传输单元安装于机柜内部,通过CEMS监测软件进行通信,将测量的参数转换成4～20 mA信号送给客户的DCS。

仪表操作人员在办公室内可以通过安装在上位机上的CEMS在线监控软件监控查询所有测量信息和仪表工作状态信息。上位机软件同时生成国家环保部门要求的报表,通过Internet传送到环保行政主管部门,上位机也可以连接DCS联网单元实现与企业内部的DCS联网。

2.3.1 CEMS在线监控软件

a)数据传输、监控和转换功能。屏幕显示各测量值的干基值、湿基值和折算值;屏幕画面能显示过程变量的实时数据和设备运行状态;具备按照环保标准制表和打印日报、月报、年报表功能。

b)数据的存储和检索功能。硬件能存储不低于10年以上的分钟数据报表、小时数据报表、日报表、月报表、系统报警记录和系统操作记录;能够检索任意时间点的监测数据和任意时间段的报表。

c)监测参数设置功能。可设置各测量数据的报警上下限;可设置4～20 mA模拟输入量有关参数和数据输入开关量所代表报警含义;可设置管道横断面面积;系统具有多级管理权限,可以根据需要设置管理权限和登录密码。

d)数据远传功能。选择合适数据远传单元,利用当地网络与环保局环保信息平台通信,上报监测数据。

e)与企业内部DCS联网,向企业内部的DCS输送浓度数据和报警信息。

2.3.2 校准子系统

该系统具有自动和手动校准的功能,校准操作简单。自动校准的时间一般设定为24 h,也可根据要求自行设定时间。

2.3.3 反吹子系统

当该系统部件如采样探头、激光粉尘仪的发射、反射单元,半导体激光分析仪的发射端和接收端,皮托管差压流量计与烟气接触时,提供的反吹子系统可以防止烟气污染系统设备部件。当反吹空气系统失效时,有报警信号输出。

采样探头和皮托管差压流量计采用0.3～0.7 MPa的压缩空气进行脉冲式反吹。反吹功能均可以手动或自动操作,自动反吹周期可以任意设定。

激光粉尘仪的发射端和接收端都设计有气幕保护装置,气幕保护压力约为10 kPa,可有效地保护光学镜头免受烟气的污染。

2.3.4 故障和报警

当该系统发生故障时,操作面板的报警灯会发出报警,分光光谱气体分析仪也会在浓度超标或有故障发生时发出报警,并显示报警码,提醒操作人员及时对系统进行维护,确保系统的安全稳定运行。

2.4 系统整体特点

a)可靠性高。气体分析仪采用氙灯光源,寿命达10年;气体分析仪采用全息光栅分光和阵列传感,无运动部件,可靠性高;粉尘监测仪采用一体化设计,结构紧凑、可靠性高。

b)维护方便、维护成本低。采样探头内部采用独有叠孔式过滤器,对采样烟气过滤,过滤效果好,反吹效率高,探头维护周期长;采样信号通过集线器接入上位机,系统布线简洁,安装维护方便;气体分析仪中光源、气体室和光谱仪之间采用光纤连接,各部件维护和更换简单、成本低。

c)测量精度高。从采样输气到测量池测量均采用电伴热,保证测量过程烟气组分不变;采用热湿法(温度在120～200℃之间可设)测量 SO2, NOx,避免冷凝水吸收SO2造成测量不准,以及形成的亚硫酸对冷凝装置、采样泵和仪表的腐蚀; SO2,NOx气体分析采用紫外差分技术,HCL, HF,CH4采用半导体激光吸收光谱技术,有效解决水、粉尘及其他因素对测量精度的影响;粉尘仪采用原位激光透射原理,监测灵敏度高、响应速度快、内置自校正功能、测量准确、稳定性好。

3 结束语

CEMS在危险废物处理和锅炉上应用的标准各自不同,主要区别是危险废物国家标准要求测量HCL,HF含量;同时各生产商的CEMS对各种介质的测量原理和方法也不完全相同。

该项目中CEMS自2009年6月投产以后,运行良好,妥善地处置了合肥市及周边的危险废物,得到了合肥市环保局的认可。

[1]国家环境保护局.HJ/T 76-2001固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法[S].北京:国家环境保护局,2001.

[2]国家环境保护局.GB/T 161571996固体污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法[S].北京:国家环境保护局,1996.

[3]国家环境保护局.GB 18484-2001危险废物焚烧污染控制标准[S].北京:国家环境保护局,2001.

[4]国家环境保护局.GB 13271-2001锅炉大气污染物排放标准[S].北京:国家环境保护局,2001.

[5]国家环境保护局.GB 9078-1996工业炉窑大气污染物综合排放标准[S].北京:国家环境保护局,1996.

[6]国家环境保护局.GB 16297-1996大气污染物综合排放标准[S].北京:国家环境保护局,1996.

[7]国家环境保护局.GB 3095-1996大气环境质量标准[S].北京:国家环境保护局,1996.