火电厂湿烟气超低粉尘排放在线监测技术探讨

潘云，杨希刚，张承武，宣添星，张博

(国电科学技术研究院，江苏南京210031;中国国电集团公司，北京100034)

火电厂湿烟气超低粉尘排放在线监测技术探讨

潘云1，杨希刚2，张承武1，宣添星1，张博1

(国电科学技术研究院，江苏南京210031;中国国电集团公司，北京100034)

随着国家对火电厂烟尘排放要求的不断从严，采用湿式电除尘实现超低排放已在越来越多的火电厂得以实施，然而受湿烟气中液滴影响及超低粉尘测量精度要求，传统烟尘仪难以满足实际测量要求，通过结合湿烟气的烟气成份，对比分析了传统烟尘仪与湿烟气低浓度烟尘仪的原理及技术特点，对于湿烟气超低粉尘在线监测烟尘仪的选型提供了参考和借鉴。

湿烟气;湿式电除尘;超低排放;烟尘仪;光散射

0 引言

国家环保局颁布实施了新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223－2011)，重点地区燃煤电厂粉尘排放限值要求低于20mg/m3，2014年7月1日起执行［1］。同时，为进一步加快推进能源生产和消费革命，进一步提升煤电高效清洁发展水平，2014年国家“三部委”联合发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014－2020年)》，推行更严格能效环保标准，要求分别在不同时段要求不同地区燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值(即烟尘排放浓度小于10mg/m3)。江浙地区及京津冀地区部分火电厂提出了更严的排放要求，烟尘排放要求做到＜5mg/m3。

针对基本达到燃气轮机组排放限值的要求，采用在脱硫尾部新增湿式电除尘器的技术，能有效率除去超细粉尘，实现超低排放，已被越来越多火电厂所认同，然而对于湿烟气超低浓度烟尘的测量，一直是个难点，本文主要针对湿法脱硫后湿烟气环境下的粉尘监测，分析了目前国内外几种常用的在线烟尘仪的原理及特点，对今后选取超低粉尘在线监测提供了参考和借鉴。

1 烟气成分分析

湿式电除尘器安装于脱硫吸收塔出口，采用高压静电除尘原理，使烟气中的粉尘、液滴、石膏等颗粒物荷电，收集到阳极板/阳极布上，通过液滴自身重力或喷洒碱性液体进行回收处理，达到对烟气中颗粒物的去除［2］。

与脱硫吸收塔出口相比，湿式除尘出口烟气成份基本不发生变化，烟气温度一般为45～60℃，烟气成分中固体状态的粉尘和石膏与烟气中液态水混合形成石膏浆液，以液体状态存在于烟气中，另外烟气成分中还包括气体状态的CO2、NOx、SO2、O2、液态水和汽态的水蒸汽、粉尘颗粒物等。

2 传统测量方法

国内外在线测量粉尘浓度的测量方法主要有光吸收法(又称浊度法)、光散射法、称重法、β射线法等。称重法通常用于手动测量，β射线法因辐射等原因应用于在线测量的较少，浊度法及光散射法较多的应于火电厂粉尘在线测量［3］。

2.1 浊度法

半导体激光器发射激光通过烟道中的烟气，激光通过含有粉尘颗粒物的烟气时被粉尘吸收、反射和散射，然后被烟道另一端安装的反射镜反射回信号光探测器监测。该方法将光源与探测器分别安装在烟道两侧，光遇到烟尘颗粒后由于吸收、散射等作用使光强衰减，探测器接收的是颗粒的透射光。根据郎伯－比尔定律，透射光强与颗粒的大小和浓度相关，这就为烟尘颗粒物浓度测量提供了尺度，通过计算介质的浊度，得到烟尘的质量浓度［4］。原理如图1所示。

图1 浊度法烟尘仪测量原理示意

2.2 光散射法(后散射图)

光散射法基于光散射原理，当光束入射到颗粒(不管是固体颗粒、液滴或者气泡)上时，将向空间四周散射，光的各个散射参数与烟尘颗粒的浓度密切相关。将探测器安装在某一散射角处，获得散射光强数据后，基于散射理论对烟尘浓度进行反演，得到烟尘的质量浓度。测量原理如图2所示。

图2 后向散射烟尘仪测量原理示意

3 传统烟尘仪测量湿烟气的局限性

通过上述介绍可知，不管是基于浊度法还光散射法进行烟尘测量，均是通过光学的物理特性进行信号采集，目前较多的应用于干烟气(烟气温度＞100℃)的测量(如电除尘出口)，或烟尘浓度较大(通常＞30mg/m3)的场合，烟尘测量仪能够很好的满足测量要求。

湿烟气成份中含有液滴，在光的透射过程中，饱和湿烟气水分会造成光的折射、吸收，影响测量结果。有研究表明，当烟气温度在100℃以上时，烟气中水份是气态的，不会影响烟尘的监测结果;当烟气温度低于100℃时，水是散布在烟气中的液态的小水滴，这个时候需要做参比试验，测算出水份对烟尘监测的影响值，再对监测数据加工处理，可以大致消除液滴影响，当水分含量发生变化，易对测量结果产生较大影响［5］。

4 湿烟气低浓度粉尘测量方法

为了消除湿烟气中液滴对光在测量过程中影响，我们可以将湿烟气进行加热后，再进行测量。目前针对湿烟气的在线测量，采取先进行抽取，然后稀释加热处理，最后进行光散射原理测量。基本原理如下:它从排放的烟气中连续抽取含尘湿烟气，由高精度温度控制的高功率加热器，对湿烟气进行空气稀释以及恒定温度加热后，在测量池内通过光学原理(光散射)测量粉尘浓度。发射光源穿过测量池，照射烟尘粒子，被照射的烟尘粒子将反射光信号，反射光的信号强度与烟尘浓度成正比，因此可以计算出烟道中的粉尘浓度。测量原理图如图3所示。

图3 湿烟气低浓度烟尘仪测量原理示意

湿烟气低浓度烟尘仪采取抽取+加热的方式对湿烟气进行干燥处理，能够消除烟气中水分对测量结果的影响，提高了测量的准确性。目前国内外湿烟气低浓度烟尘仪具有代表性的如PCME 181WS (英国)、D－R820F(德国)、SICK－FWE200(德国)、PFM06ED(德国)。

4.1 主要技术参数

湿烟气低浓度烟尘仪主要技术参数见表1。

4.2 技术特点

(1)采样管线加热，通常加热至120℃，避免烟气冷凝及探头粘灰，大大提高测量精度;

(2)能够实现等流速取样，最大限度避免测量误差，满足取样规范标准GB/T16157－1996［6］;

(3)精度高，最低检测限达0.1mg/m3;

(4)实时连续测量，反应快，分析时间小于2s;

(5)能自动进行零点满度校验，具有反吹清洁功能，最大限度的减少维护工作。

表1 湿烟气低浓度烟尘仪主要技术参数

4.3 工程应用

目前，湿烟气低浓度烟尘仪已应用于国内外多个超低排放工程，对湿烟气的在线监测数据基本都能满足环保部门的测量要求［7］。图4和图5为2台同一型号的湿烟气低浓度烟尘仪分别在某1000MW机组湿式除尘器入口以及烟囱70m处测量的历史曲线。

图4 湿烟气低浓度粉尘仪测量历史曲线(湿除入口处)

图5 湿烟气低浓度粉尘仪测量历史曲线(烟囱出口处)

从图中可以看出:2台湿烟气低浓度烟尘仪测量趋势一致，能够测量出超低浓度下粉尘的实时变化，测量精度高，稳定行好，可靠性高;2台湿烟气低浓度烟尘仪测量位置不同，测点烟气的水分含量会有变化，而2台设备的趋势一致，说明测量过程中排除了水分对测量结果产生的影响;烟囱出口烟尘仪在线测量有效数据＜5mg/m3，能够满足超低排放在线监测要求。

5 结语

(1)传统烟尘仪受湿烟气中液滴影响较大，且探头容易粘灰，满足不了湿烟气超低排放的在线监测的实际要求。

(2)浊度法还会因烟道温度变化引起钢烟道变形，导致测量探头对光误差大，严重时无法测量。

(3)湿烟气低浓度烟尘仪能够消除湿烟气中的液滴对测量，但在采样过程中应做到“等速采样”。

(4)目前对于在线粉尘检测仪器比对验收采用的是滤筒称重法，执行的是国家环保部颁发的《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》(HJ/T75－2007)，在线仪器的测量误差允许值15mg/m3。按照上述要求，虽然，现有在线烟尘仪基本都能通过验收，但随着国家对超低排放的执行越来越严，加上环保电价的执行，相信在不久的将来，新的测量标准及检测方法就会出台，将会对超低粉尘在线监测仪表提出更高的要求。

［1］GB13223－2011，火电厂大气污染物排放标准［S］.

［2］莫华，朱法华，王圣，等.湿式电除尘器在燃煤电厂的应用及其对PM2.5的减排作用［J］.中国电力，2013，46(11):62－66.

［3］李昆，钟磊，张洪泉.烟尘浓度测量方法综述［J］.传感器与微系统，2013，32(2):8－11.

［4］张涛.激光透射式粉尘仪的微弱信号处理［J］.机电工程研究，2011，28(12):1453－1456.

［5］王卫群，张磊，黄治军，等.燃煤机组烟囱在线烟尘仪监测烟尘浓度偏高原因分析及对策［J］.电力科技与环保，2015，31(4):52－54.

［6］GB/T 16157－1996，固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法［S］.

［7］HJ/T 75－2007，固定污染源烟气排放连续监测技术规范［S］.

Power plant ultra－low wet flue gas dust emission on－line monitoring technology

As countries to keep strictly of dust emission in power，wet－ESP was adopted to realize ultra－low emissions in more and more power plants.However with the droplets in the wet flue gas and low dust measurement accuracy requirements，traditional smokemeter is difficult to meet the requirement of actual measurement.Based on the combination of wet flue gas，principle and technical characteristics of the traditional smokemeter and wet flue gas of low concentration of smoke meter are analyed，which provides reference for selection of ultra－low for wet flue gas dust on－line monitoring smokemeter.

wet flue gas;wet－ESP;ultra－low emissions;smokemeter;light scattering

X701.2

B

1674－8069(2016)03－021－03

2015-11-20;

2016-01-09

潘云(1981-)，男，江苏南京人，工程硕士，工程师，从事火电厂电力环保咨询及设计工作。E－mail:panyun_1981@163.com