火力发电厂烟气排放连续监测系统的应用分析

丛经纬，杨金城

火力发电厂烟气排放连续监测系统的应用分析

丛经纬1，杨金城2

(1. 中国石化集团资产经营管理有限公司 扬子分公司，江苏 南京 210048; 2. 中石化扬子石化有限公司 烯烃厂，江苏 南京 210048)

烟气脱硫、脱硝、除尘环保装置技术的发展与应用对烟气排放连续监测系统(CEMS)提出了新的要求。通过对当前火力发电厂应用的主流CEMS测量技术进行了分析研究，阐述了典型CEMS的配置构成，分析和比较了CEMS不同检测因子适应于不同应用工况下的各类检测方法的优缺点，同时指出了业内CEMS数据采集监管环节存在的不足，针对火力发电厂CEMS运行维护中存在的几个典型问题，提出了应用于火力发电厂烟气新排放标准下的CEMS发展改进思路。

火力发电厂 烟气 连续排放 烟气排放连续监测系统 超低排放

参照GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》和能源局等部门颁布的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，火力发电厂相应脱硫、脱硝、除尘环保装置陆续得到投用与改造以满足大气污染物排放标准。当前中国脱硫装置主要的工艺技术路线有湿法烟气脱硫、烟气循环流化床脱硫以及海水脱硫等方法。脱硝装置工艺技术包括采用低氮燃烧器(LNB)、选择性非催化还原法(SNCR)、选择性催化还原法(SCR)等技术方法，通常采用上述几种技术方法根据自身条件进行组合以达到预期脱硝效果；除尘技术则有电除尘、袋式除尘以及电袋复合除尘技术等。环保装置运行过程控制及监控设施——烟气排放连续监测系统CEMS(continuous emission monitoring system)在电力行业中得到广泛的应用，并根据减排技术路线的不同以及排放标准的升级需要而发展出多种技术方向的CEMS系列产品。

1 CEMS系统简介

根据HJ/T 75—2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)》的规定，CEMS由气态污染物监测子系统、烟气排放参数测量子系统、颗粒物监测子系统以及数据采集传输系统组成[1]。火力发电厂气态污染物主要包括二氧化硫和氮氧化物，烟气排放参数是指烟气温度、压力、流量、含氧量及湿度，数据采集传输系统则是采集现场仪器仪表监测数据并以数字字符串的形式无线传输至政府环境监控平台，形成政府对企业生产排放的监管。典型的CEMS结构如图1所示。

图1 典型CEMS结构示意

2 系统技术应用分析

随着CEMS的发展，其各类检测因子的测量涌现出了多种取样、检测方法。如何合理配置CEMS以满足不同介质工况下的测量需求，是该系统能否可靠稳定运行的关键。笔者针对火力发电厂烟气工况下典型CEMS配置应用进行了阐述、分析和比较，提出了一些系统配置和发展的建议。

2.1 气态污染物测量

火力发电厂气态污染物主要是指对二氧化硫、氮氧化物的分析测量。目前主要应用的测量原理是基于光学原理，其中绝大多数采用的是非分散红外吸收法，其原理是基于气体分子对特定谱段的红外光的吸收，其吸收关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律，针对被测气体特定波长的红外滤光片的辐射探测器通过测量该谱段红外光的衰减度，结合探测器得到的电信号与被气体吸收掉的光能量成对应关系，通过计算得到对应烟气的浓度。

此外，采用非分散紫外吸收法的分析仪器，其原理是根据烟气对不同波长的紫外线吸收程度不同而对物质组成进行分析的方法，光源发出的紫外光经光栅或棱镜分光后，分别通过试样溶液及参比溶液，再投射到光电倍增管上，经光电转换并放大后，由绘制的紫外吸收光谱可对烟气进行分析。由于紫外线能量较高，故紫外吸收光谱法灵敏度较高，具有检出限低、在低浓度条件下运行稳定、抗干扰能力强等特点，随着超低排放标准的执行，其在火力发电厂超低排放环保装置上将具有较好的应用前景。

2.2 颗粒物测量

火力发电厂烟气排放颗粒物浓度检测主要采用浊度法和散射法，其中浊度法适合测量高浓度颗粒物介质，在早期有着较为广泛的应用。随着一系列新型脱硫除尘环保装置的投运，颗粒物排放浓度不断降低，适合测量低浓度颗粒物的散射法测量仪表相应推出。在湿法脱硫装置后，国内通常采用湿烟气直排的方式，未配置烟气再热器(GGH)装置，烟气中含有的大量液滴对散射光的干扰吸收又将是颗粒物测量仪表必须解决的问题。为达到超低排放颗粒物10 mg/m3标准下的测量要求，抽取干燥式散射法仪表得到应用，其特点是在线校验便捷，能克服烟气湿度的影响，适合测量低浓度颗粒物烟气，但成本较高且仪表维护量较大。

2.3 烟气排放参数测量

火电厂烟气排放参数测量主要包括烟气温度、流量、压力、含氧量、湿度的测量。温度、压力测量相对简单，在配置过程中只需注意环境与介质的腐蚀和堵塞问题即可，此处不作详细叙述。

烟气流量测量是通过测量烟气流速的方式计算所得。流速测量方法根据其测量原理分类主要包括S型皮托管法、热平衡法和超声波法[3]。皮托管法和热平衡法为点式测量，超声波法为线式测量[3]。当前国内烟气流速测量主要采用皮托管法，但需要解决的问题是由于烟道直管段不能充分满足测量条件的情况下，测量结果真实反映实际工况。为解决该问题，矩阵式多点测量烟气流速装置得以发展，但受现场安装空间以及安装施工量巨大等因素制约，目前在CEMS烟气流量测量上应用极少。

烟气含氧量作为判断烟气被稀释与否的参数是该系统中的一个重要检测因子，其测量技术较为成熟。目前主要应用的测量方法有氧化锆直接测量法和集成于气态污染物分析仪中的直接抽取电化学法。

烟气湿度作为烟气减排总量计算的参数，通常采用干湿氧法测量计算所得，即通过直接测量式氧化锆测量出的湿氧与气态污染物分析仪所测量的干氧计算出烟气湿度。当然，基于红外光谱的光学法烟气湿度仪与基于电容法的烟气湿度仪也因产品价格及故障率等因素，极少在该系统中应用。

2.4 采样方式

当前CEMS采样测量方式主要包含直接抽取式、稀释抽取式以及直接测量式。其中稀释抽取式与直接抽取式是目前该系统常用的采样方法。

稀释抽取式是利用压缩空气通过文丘里喉部时，在喉部附近形成的负压系统将被测烟气吸入，与洁净干燥的空气按一定比例混合稀释，减少被测烟气中的水分，使得样气的露点温度远低于室温，送至分析仪中且将分析的结果乘以稀释比从而得到测量因子的检测值。该方式省去了复杂的样气预处理过程，避免烟气在传输过程中冷凝，防止采样探头管路腐蚀堵塞，提高了分析仪寿命，减少维护工作量。缺点是该系统复杂，稀释比例不易控制，若比例控制不好将放大测量误差。此外，该方式在应用于高湿度低温度烟气工况下样气中可能出现凝液影响正常测量，国内该类产品仍需进一步完善。

直接抽取式是指烟气通过采样探头取样后，首先经过伴热管线加温以保证烟气在不结露的状态下送至控制系统，在经过除尘除水处理后进入分析仪进行检测。该方式系统相对简单，维护直观方便，但故障率较高，据不完全统计目前采用该方式的CEMS约占70%[3]，但在超低排放脱硫装置应用上，则需考虑对采样管路中凝液的形成对测量稳定性及测量误差的影响。

直接测量式是指所有分析单元均直接安装在烟道上，直接对烟气进行连续分析测量。其特点是省去了采样和烟气预处理单元，监测数据实时性强。缺点是受环境温度、腐蚀、振动[4]等因素的影响大，测量精度较差，且维护工作量大。

2.5 预处理系统

预处理系统是抽取式CEMS的重要组成部分，包括烟气采样、输送、除尘除湿等单元。稀释抽取式CEMS预处理过程相对简单，而直接抽取式CEMS的预处理过程又分冷干法和热湿法。此处重点分析冷干法烟气预处理系统。

采样探头是对烟气颗粒物进行初级过滤，防止影响系统后续单元。安装时，探头应斜插安装，以便烟气中的液滴及冷凝出的酸液回流至烟道。为便于维护，探头过滤器通常布置于烟道外，同时配置加热装置及反吹系统以减少探头堵塞故障率。

采样管线是将烟气保持在露点之上无污染无损失地输送至CEMS机柜的通路，长度通常为20～70 m，管线过长一方面将延长烟气传输时间使得系统测量滞后，另一方面也将大幅增加建设成本。敷设时应避免管线出现U型弯，采样管束按系统功能应设置样气、校准及反吹3根管线，同时配置电伴热设施以保持烟气温度。

除湿单元就是脱除烟气中的水蒸气的装置，当前主要采用冷却除湿和渗透干燥除湿两种方法。其中冷却除湿有压缩机制冷和电子制冷两种方式[3]，该种应用国内较为普遍。压缩机制冷是将制冷剂压缩后在冷凝器中液化放热，经干燥器脱水后再进入气化器释压气化吸热，从而使与其换热的烟气冷却，该方式特点是制冷效果较稳定，但维护维修专业性更强。电子制冷是基于半导体的帕尔帖(peltier)效应，配合冷却块来冷却烟气，特点是体积小，维护简单，但对环境温度要求较高，如环境温度超过35℃后制冷效率将会急剧降低，且成本较高。为保证除湿效率，冷凝器一般采用两级冷却。此外，在配置冷凝器时还应考虑烟气在冷凝器中SO2组分丢失率因素，应根据不同工况合理配置冷凝器及其热交换管，尤其是在超低排放高湿低浓度SO2工况下除湿技术应谨慎应用。

渗透干燥除湿通常采用Nafion管，其工作原理是基于其内部硫(磺)酸基的亲水特性，通过水合作用渗透吸收来移除水分。该方式没有水蒸气的冷凝，避免了烟气与冷凝水的接触导致烟气测量组分丢失，更适合应用于超低排放工况，但Nafion管对烟气要求较高，液滴、碱性物质(NH3)、颗粒物都易致其失效，因而在国内现有排放环境下应用较少。

2.6 数据采集及传输

CEMS数据采集及传输包括就地PC上位机数据采集、处理、显示、存储、制表、打印和数采仪采集数据发送至环保监管平台两大功能。系统PLC采集了现场仪表的测量信号加以处理后通信至PC上位机，配以CEMS烟气监测软件实现相关监控功能；数采仪以硬接线方式采集现场测量信号，通过4G路由器无线发送至政府环保监管平台。但监测软件的开发需要对仪器仪表知识及相关标准规范具有相当专业的理解，加上目前数据传输协议不统一，故CEMS在数据采集传输环节仍需要不断完善。

3 常见问题分析

3.1 测量偏差

通常从火力发电厂烟气处理工艺流程上看，锅炉烟气在经过脱硝处理后，进入除尘器进行颗粒物脱除，最终烟气进入脱硫装置的脱硫流程。然而，在很多实际应用中锅炉脱硝出口、脱硫进口、脱硫出口的氮氧化物的质量浓度出现了与工艺流程不符，偏差大甚至出现流程前端氮氧化物浓度小于后端浓度的现象。以某热电厂锅炉采用LNB加SNCR加SCR三合一技术的烟气脱硫脱硝装置为例，在不同运行工况下其烟气流程中各阶段氮氧化物测量值见表1所列。

表1 某热电厂锅炉脱硫脱硝NOx的质量浓度测量值 mg/m3

究其原因，在排除CEMS本身故障、系统漏风以及分析仪表漂移等因素外，大致为锅炉装置进行脱硝改造时，尤其是老炉型改造受锅炉尾部烟道空间的局限及脱硝SCR入口流场均布装置不够完善，导致了脱硝出口NOx的质量浓度分布不均匀，CEMS采样点所采集的样气不具备代表性，从而致使烟气流程中各阶段CEMS所测量NOx的质量浓度出现了不规律偏差。其后果则是运行人员为控制最终排口NOx的质量浓度不超标，参照后流程中的间接参数调整脱硝装置喷氨量，极易造成局部喷氨过量、出口氨逃逸超标、锅炉尾部换热器堵塞等严重后果。该类问题通常解决方法就是改造并优化CEMS采样点，具体可以是将CEMS采样点移位或者是采用多探头采样混合进入分析仪分析的方式。第一种方式成本小、操作简单，但随锅炉运行燃烧工况的变化给测点位置能否具有持续的代表性带来不确定性；第二种方式相对能够较为准确地反映烟气实际NOx的质量浓度，但缺点是由于采样探头增加导致了成本和维护量的增加，且具体实施方案需事先得到政府环保部门的认可确认。

3.2 系统可用性问题分析

1) 制约火力发电厂烟气脱硫脱硝CEMS稳定可靠运行最常见的问题是采样探头、采样管路堵塞问题。解决该类问题可从以下几个方面加以考虑： 在系统设计阶段应尽量避免采样管线过长、采样管线采用高温型、在脱硝高温高粉尘烟气工况下采样探头配置脱硝专用前置过滤器以及在探头管路中设置压缩控制反吹回路；在安装阶段规范安装采样探头及取样管路，采样探头安装时保证向烟道内留有一定倾角以便烟气中的液滴及冷凝出的酸液回流至烟道，取样管路敷设保证向系统柜侧单调倾斜，且角度不小于5°[3]，用于安装高温采样探头的法兰套筒在漏出保温层的部分需要做保温处理，以防止烟气在探杆内降温过快，导致焦油、铵盐等物质粘结堵塞探杆；在使用阶段提高采样探头及管路伴热温度，根据烟气工况合理设置反吹时间间隔和持续时间，如果持续时间过长也会导致探头过渡冷却以至于再次采样时烟气冷凝[3]。

2) 影响系统可用性的另一个重要因素是污染和腐蚀问题。一方面在系统设计、选型及材质应用上充分考虑测量介质组分在流程中特性变化对系统部件的腐蚀影响。另一方面，在CEMS使用中采取一些相应防污防腐措施： 火力发电厂锅炉烟气中含有较多焦油、SO3等物质，经冷凝器降温处理后易形成气溶胶，且难以随冷凝液排出系统，而是进入后续部件甚至进入分析仪检测池，造成部件污染腐蚀，被严重污染腐蚀的检测池引起测量数据漂移波动甚至导致仪器故障，现场运行中酸雾过滤器的应用实践证明可抑制该类腐蚀；系统设计两级热交换柱，将采样泵布置于两级热交换柱之间不仅有利于提升制冷效果，还可以减少烟气对采样泵的腐蚀；针对锅炉烟气中含有的氟离子对冷凝器玻璃热交换柱腐蚀的问题，可采用对玻璃热交换柱进行防腐处理的方法降低冷凝器的故障频率，提高系统可用性。

3) 在CEMS运行维护方面还应加强日常运维工作，关注系统各部件运行状况，发现问题及时处理，防止因发现处理不及时引起故障恶化，危及整体CEMS正常工作，维护成本增高。

4 结束语

CEMS在火力发电厂锅炉烟气脱硫脱硝环保装置上已有着广泛的应用，随着环保装置工艺技术路线的不断改进以及政府污染物排放标准的不断提高，为保证环保装置的正常运行监控和排放监管，该系统无论在测量技术路线上还是在运行维护管理过程中都需要不断改进完善，以更好地服务于环保装置。

[1] 国家环境保护总局.HJ/T 75—2007 固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行) [S].北京： 中国环境科学出版社，2007.

[2] 国家环境保护总局.HJ/T 76—2007 固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法(试行) [S].北京： 中国环境科学出版社，2007.

[3] 杨凯，周刚，王强，等.烟尘烟气连续自动监测系统技术现状和发展趋势[J].中国环境监测，2010，26(05)： 18-26.

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[6] 谢尔曼R E.过程分析仪样品处理系统技术[M].冯秉耘，高长春，译.北京： 化学工业出版社，2004.

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Analysis on Application of Continuous Emission Monitoring System of Flue-gas in Thermal Power Plant

Cong Jingwei1， Yang Jincheng2

(1. Yangzi branch，Sinopec Group Asset Management Co. Ltd.， Nanjing， 210048， China; 2. Olefin Plant，Sinopec Yangzi Petrochemical Co. Ltd.， Nanjing， 210048， China)

s: New requirements for continuous emission monitoring system (CEMS ) have been put forward with development and application of flue gas desulfurization， denitrification and dust removal environmental protection devices. Based on analysis and study on current mainstream CEMS measurement technology applied in thermal power plant， configuration of typical CEMS is expounded. Advantages and disadvantages of various detection methods of CEMS with different detect factors for different application working conditions are analyzed and compared. Deficiencies in data acquisition and supervision steps for industry CEMS are pointed out. Aiming at several typical problems in operation and maintenance of CEMS in thermal power plant， development and improvement ideas for CEMS under new emission standard of thermal power plant is proposed.

thermal power plant; exhaust gas; continuous emission; continuous emission monitoring system; ultra low emission

丛经纬(1979—)，男，江苏如东人，毕业于东南大学热能工程及其自动化专业，主要从事火电厂热工仪表维护管理工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)02-0050-04

稿件收到日期： 2016-10-13，修改稿收到日期： 2016-12-22。