PO/SM装置废液焚烧炉CEMS设计探讨

雷瑶

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

“十三五”期间，随着新的中国环保法规和标准的不断出台和完善，对于固定污染源烟气排放监测的要求更加严格。石化装置作为被重点监管的对象之一，根据环保法规和标准的要求，在石化装置的废液焚烧炉排放口必须安装烟气排放连续监测系统(CEMS)，通过在烟道气中采样和非采样方式在线连续监测固定污染源颗粒物、气态污染物排放浓度和排放量，并将监测数据和信息传送到环保主管部门，目的是确保排污企业排放的污染物浓度和排放总量达标。

CEMS作为在线分析系统的组成部分，由于其在国家强制性环保认证和验收方面的要求，又具有相对特殊性。伴随着环保标准的不断升级，如何在超低排放工况下根据不同烟气的特点及技术条件，选择合适的的测量方式和测量技术，合理配置CEMS以满足不同烟气工况下的测量要求，是CEMS设计选型的关键。

1 CEMS设计标准和认证要求

CEMS作为环保在线监测系统，首先必须遵循相应的环保标准，与CEMS有关的环保标准分为排放控制标准和监测技术标准两类，排放控制标准因行业和地域不同又有所区分。石化装置废液焚烧炉CEMS设计应遵循的排放控制标准主要有GB 31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》和GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》[1-2]，同时应执行所在地域的排放控制标准。监测技术标准应遵循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》、HJ 836—2017《固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定重量法》、HJ 75—2017《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》及HJ 76—2017《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》等，其中以HJ 75—2017和HJ 76—2017作为CEMS主要设计依据[3-7]。需要说明的是，作为HJ75/T—2007和HJ76/T—2007 的修订版，HJ 75—2017和HJ 76—2017成为了强制性标准；新的标准要求CEMS必须满足更苛刻的验收考核指标，同时克服更复杂背景条件和干扰因素的影响，需要提供更多的检测项目，从而对CEMS的设计提出了新的要求；此外，如果CEMS安装在爆炸危险区，其设计还应遵循相应的国家防爆标准；最后，CEMS还应遵循在线分析系统相关的设计标准。

CEMS应具有中国环境保护产品认证CCEP，认证检测的依据是HJ 76—2017，通过该认证的CEMS产品的名称和型号可在中国环境监测总站网站《CEMS合格产品名录》查询。进口的CEMS产品应取得计量器具型式批准证书CPC。爆炸危险区安装的CEMS相关电子仪表必须具有中国机构NEPSI，CQST，PCEC或国家授权认可的国外机构颁发的防爆合格证书，以满足其安装区域的电气防爆要求。

2 废液焚烧炉烟气排放特点

某PO/SM装置在生产过程中会产生含有苯等组分的有毒废液，会对环境和人员造成严重污染和伤害，因此在装置下游必须设置废液焚烧炉，将装置内有毒废液进行焚烧处理，同时向工艺系统提供需要的热负荷。废液焚烧炉末端设置高70 m的烟囱，其排放烟气参数见表1所列，可以看出其排放烟气的主要特点是湿度很大，而主要监测参数颗粒物(PM10)和气态污染物(SO2，NOx)质量浓度较低，满足GB 31571—2015对其超低排放限值的要求[1]。

表1 排放烟气参数

3 CEMS设计要求和系统组成

由于废液焚烧炉烟气排放的特殊性，对CEMS也提出了较为苛刻的技术要求，其设计应充分考虑烟气排放的高湿度、低浓度的特点，解决高湿度下低质量浓度颗粒物和气态污染物监测难点，实现准确测量烟气中颗粒物、气态污染物质量浓度，烟气参数(温度、压力、流速、湿度等)，同时计算烟气中污染物排放速率和排放量，显示、打印和记录各种数据和参数，形成相关图表，并通过数据、图文等方式传输至环保监控部门等。

基于CEMS的设计要求，1套完整的CEMS应由颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、数据采集和处理子系统组成，其系统组成如图1所示。

图1 CEMS系统组成示意

4 CEMS测量方式和测量技术

4.1 测量方式

根据不同的测量分析方式，CEMS可分为抽取测量方式和直接测量方式。抽取测量方式是将烟气从烟囱中抽取出来分析；直接测量方式是将测量分析装置安装在烟囱上直接对排放烟气分析。

抽取测量方式的CEMS依据对烟气调节处理方式的不同又分为完全抽取方式和稀释抽取方式两种。从烟道气中抽取排放源的烟气，经调节处理后进行监测的称为完全抽取方式；从烟道中抽取烟气，经稀释气稀释后进行监测的称为稀释抽取法。而根据采样预处理过程中是否除水，完全抽取式的CEMS又可分为冷/干法完全抽取和热/湿法完全抽取，样气在进入分析仪前经冷却除湿系统除去水分变成干态后再分析称为冷/干完全抽取法；烟气经抽取后全程不除湿，保持烟气在露点温度之上，分析仪直接分析热湿态烟气，称为热/湿完全抽取法。CEMS不同测量方式比较见表2所列。

4.2 测量技术

CEMS根据所采用测量方式的不同，其测量分析单元所配套的测量技术也不尽相同[8]，目前CEMS常用到的测量技术分类见表3所列。

表2 CEMS测量方式比较

表3 CEMS常用测量技术分类

5 废液焚烧炉CEMS设计方案

5.1 采样点位置选择

选择合适的采样点是CEMS设计的重要环节，根据HJ 75—2017的要求，采样点应优先选择在垂直管段和烟道负压区域，确保所采集试样的代表性；同时应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。颗粒物和流速采样点应至少满足前4D后2D的直管段要求，气态污染物采样点应至少满足前2D后0.5D的直管段要求，对于圆形烟道，D代表烟道内径，对于矩形管道，D代表当量直径，其计算公式如下[3]：

(1)

式中：A，B——矩形烟道的边长。

5.2 颗粒物监测子系统

目前中国颗粒物监测仪绝大多数采用直接测量方式，其中光透射法是基于朗伯-比尔定律测定烟气颗粒物质量浓度的一种方法，但其灵敏度较低，适用于颗粒物质量浓度较高(大于300 mg/m3)、湿度低的场合。光散射法是基于波格尔(Bouguer)定律设计，利用颗粒物对光的散射作用检测颗粒物质量浓度，灵敏度高，在低浓度场所应用较多，按照其检测散射光位置不同可分为前向散射、后向散射和边向散射三种类型，在一定的颗粒物粒径范围内，前向散射对颗粒物的粒径和折射系数的变化敏感度最小，边向散射最为敏感。但无论哪种散射类型，水滴对其测量影响都会较大，因此光散射法适用于粉尘浓度低、且湿度低的场合。而废液焚烧炉出口烟气湿度较大，基于直接测量方式的光透射法和光散射法都难以满足如此高湿度下低颗粒物质量浓度的连续自动监测要求，因此选用基于抽取测量方式的颗粒物质量浓度监测方法更为合适，抽取β射线吸收法对抽取的颗粒物照射后强度的衰减进行测定，不受烟气含水量影响，但价格昂贵，容易受流速变化影响，且要求有核辐射源。

根据国内颗粒物排放特点，一些厂家开发了以抽取“光学”测量方式为代表的污染源高湿度、低浓度颗粒物监测设备，在降低成本的同时可以满足高湿度、低浓度颗粒物监测的要求，因此在废液焚烧炉颗粒物浓度监测中可采用此种测量方式，将烟气颗粒物以等速跟踪的方式保温伴热从烟道中抽取出来，通过加热升温使得烟气中的高湿水分保持气体状态从而不结露出现液滴，再通过前向光散射原理对烟气颗粒物质量浓度进行测量，从而计算出烟气中颗粒物的排放浓度。

5.3 气态污染物监测子系统

目前国内气态污染物的测量以抽取方式为主，相比于冷/干完全抽取法，热/湿完全抽取法取样系统和分析仪都要耐高温，成本很高，适用于被测烟气组分复杂且又极易溶于水的组分(如HCl，NH3等)；稀释抽取法在烟气湿度过大的情况下，按一定比例稀释后烟气露点下降不能太大，否则在环境温度较低时冷凝，造成可溶性气态污染物缺失，从而导致测量结果偏低。由于冷/干完全抽取法测出的烟气浓度为干基值，而热/湿完全抽取法和稀释抽取法测出的烟气浓度为湿基值，且国内排放标准以干基浓度计，因此根据废液焚烧炉烟气排放的特点，综合考虑可选用冷/干完全抽取法的测量方式，但需对采样和预处理系统进行特殊配置。

5.3.1试样采集和传输

在满足5.1节采样点要求的前提下，采样探头选用电加热式自动控温取样探头，在烟囱中不断地通过加热探头提取试样，探头带有2～5 μm过滤器，同时带有校准接口、吹扫接口、烟气截止阀等，具有故障报警功能，异常状态下自动停止采集样气。采样探头后端连接电伴热样气传输管线，试样传输管线内包覆的气体传输管至少为2根，1根用于试样气体的采集传输，另1根用于标准气体的全系统校准，样气传输管线加热温度在140 ℃以上，保证高于烟气露点温度，防止水蒸气产生冷凝，将高温高湿的样气输送至样品预处理单元。

5.3.2样品预处理

样品预处理系统完成样气的净化、除尘、除湿，同时进行压力、流量和温度的调整，将符合要求的样气持续传输至烟气组分分析仪表，主要包括除湿单元、耐腐采样泵、精细过滤器、中心反吹单元等。针对废液焚烧炉排放烟气湿度大的特点，为了减少样气中低浓度SO2溶于水造成的损失，在预处理系统中增加动态磷酸滴定装置，通过在冷凝器中滴入磷酸，磷酸电离出的H+有效地抑制H2SO3的产生，从而降低了SO2溶于水的量；两级除湿后烟气露点降到2～3 ℃，经采样泵采出后通过气溶胶过滤器去除样气中的液滴，并进一步除尘，过滤精度小于1 μm；为了进一步降低样气的露点温度，使其与标气的露点温度一致，样气经过Nafion管干燥器进一步除水，最后通过膜式过滤器进一步精过滤，过滤精度小于0.1 μm，使得样气满足分析仪表的测量要求。

5.3.3分析仪表

基于冷/干完全抽取测量方式的SO2和NOx在线分析技术主要有非分散红外吸收法和非分散紫外吸收法，两者都是属于基于朗伯-比尔定律的吸收光谱法，分别通过测量气态污染物对于非分散型红外光和紫外光特征光谱的吸收来连续检测其浓度。相比于非分散红外吸收法，非分散紫外吸收法在SO2和NOx的在线监测中的优势主要表现在如下几个方面： 紫外光波长较短，吸收能力强，灵敏度更高，可以获得更低的检测限；紫外光谱不受水汽的影响，可以较好地避免烟气中H2O等组分的干扰；可对NO2直接测量，不需要加装NO2-NO转换器。针对废液焚烧炉烟气的特点，烟气含水量大，且气态污染物浓度较低，显然选择非分散紫外吸收法测量低浓度的SO2和NOx更为适合。

5.4 烟气排放参数监测子系统

烟气排放参数监测子系统用于气态污染物排放速率及排放量的计算，以及排放状态的转换折算(湿基/干基)等，HJ 76—2017中要求测量的烟气参数包括烟气含氧质量浓度、烟气流速、烟气温度、烟气压力以及烟气湿度。烟气温度和压力的测量技术已经很成熟，温度测量常用热电阻和热电偶，压力测量常用压力变送器，测量烟气温度和压力的目的之一是为了配合测流速，在烟气参数监测中通常将烟气温度、压力和流量测量三位一体化，测量烟气温度和压力的另一个目的是用于计算标准状态下干烟气的排放值。

5.4.1烟气含氧量

CEMS常用的烟气含氧量的在线测量仪器有氧化锆氧分析仪(直插式和抽取式)、电化学燃料电池氧分析仪及顺磁氧分析仪等。在抽取式CEMS中，通常采用直插式氧化锆分析仪测量湿烟气中氧质量浓度，或者在多组分分析仪模块中增加顺磁氧分析仪或电化学氧分析仪测量干烟气中的氧质量浓度。考虑到废液焚烧炉的烟气温度较低，不适合使用氧化锆分析仪测量，综合考虑成本等因素，可选择电化学燃料电池氧分析仪测量废液焚烧炉排放烟气中的氧质量浓度。

5.4.2烟气流速

CEMS常用的烟气流速测量方法有压差法、超声波法和热平衡法。压差法流速测量仪表主要有皮托管流量计，超声波法流速测量仪表主要有超声波流量计，热平衡法流速测量仪表主要有热式气体质量流量计。三种测量仪表的优缺点比较见表4所列[8]。废液焚烧炉烟气流速测量选用皮托管流量计测量流速，可以满足相关标准对其测量准确度的要求，但应设计反吹装置定期对皮托管测量孔反吹，避免烟尘的堵塞和腐蚀。

表4 常用流速监测技术比较

5.4.3烟气湿度

相比于HJ 76—2007，新的环保标准HJ 76—2017要求烟气湿度必须在线监测，不能手动输入。烟气湿度的在线监测方法主要有湿敏电容法和干湿氧测定法，通过利用氧化锆分析仪测量干湿氧从而计算湿度的方法在国外应用较为普遍，而在国内湿敏电容法应用较为广泛，主要原因有： 近年来湿敏传感器的耐腐蚀技术不断提高，其用于测定烟气湿度的方法得到推广；相比于干湿氧测定法仪表，湿敏电容法仪表成本较低，国内具有环保认证(CCEP)的产品更多。废液焚烧炉烟气湿度测量可采用湿敏电容法。

5.5 数据采集和处理子系统

数据采集和处理子系统用于采集、处理和存储监测数据，按照HJ 75—2017要求进行数据的换算、统计、存储、显示，按照环保部门规定的格式、内容和时间将数据传送到环保部门的监控中心。监测数据同时以4～20 mA(DC)信号输出到DCS，并通过RS-485通信接口与DCS通信。数据采集和处理子系统同时应有与当地环保部门监控中心传输数据的接口，目前较多采用GPRS或者CDMA的传输方式，其数据传输应符合HJ/T 212—2017数据传输标准[11]。

6 结束语

伴随着环保排放控制标准要求越来越严格，超低排放工况已成为新常态，而环保监测技术标准的不断提高也对CEMS的设计选型提出了新的要求。PO/SM装置废液焚烧炉CEMS设计的关键在于充分分析其烟气排放特点及技术条件的基础上，选择合适的测量方式和测量技术，进行针对性取样处理系统设计，从而有效地解决高湿度下低浓度颗粒物和气态污染物监测难点问题；同时在CEMS工程设计中还应充分考虑成本因素，在满足相关标准技术要求的同时应为工程项目提供经济实用的CEMS。