烟气超低排放连续监测系统（CEMS）在包钢燃气锅炉烟气排放中的应用

王玉婷

摘 要：为响应国家节能减排政策，包钢动供总厂对燃气锅炉进行改造并新增污染源自动监测设备对烟气进行超低排放连续监测。所选用CEMS采用加热抽取式等速采样方式，通过前散射法和非分散红外吸收法对超低排放机组排口的烟尘颗粒物和气态污染物的排放浓度进行连续实时监测。

关键词：烟气排放连续监测  CEMS  颗粒物  气态污染物  浓度

1 术语和定义

烟气排放连续监测 continuous emission monitoring CEM

对固定污染源排放的颗粒物和（或）气态污染物的排放浓度和排放量进行连续、实时的自动监测，简称CEM

烟气排放连续监测系统 continuous emission monitoring system CEMS

连续监测固定污染源颗粒物和（或）气态污染物排放浓度和排放量所需要的全部设备，简称CEMS。

2 系统概述

为加快推动能源生产和消费革命，进一步提升煤电高效清洁发展水平，国家发改委、国家环保部、国家能源局三部委联合制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》。计划中规定，到2020年，现役燃煤发电机组改造后大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值，即在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米。

针对这一政策，包钢动供总厂对现有燃气锅炉采取相应的脱硫除尘改造等措施，以提高脱硫除尘效率，实现超低排放要求，并且新增污染源自动监测设备对烟气排放进行监测。

由于超低排放烟气湿度大、污染物浓度低，从而给烟气排放监测设备提出了更高的要求，传统CEMS难以满足超低排放烟气的准确测量，本次采用烟气超低排放连续监测系统进行监测，监测参数包括：颗粒物、二氧化硫、氮氧化物，含氧量、温度、压力、流量、湿度。该CEMS系统采用加热抽取式等速采样方式，通过前散射法和非分散红外吸收法对超低排放机组排口的烟尘颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度进行连续实时监测。

3 烟气排放连续监测系统（CEMS）的组成和功能要求

此次超低排放CEMS由颗粒物监测单元、气态污染物（SO2和NOx）监测单元、烟气参数（温度、压力、流速或流量、湿度、含氧量等）监测单元、数据采集与处理单元组成。

每套在线监测系统都包括取样口、取样管路、预处理、分析仪器等系统的设计，以及所配套的仪表站房相应的吹扫介质管路、土建结构、采暖、空调、通风、照明、系统接地等设计。

每套在线监测系统显示设备都具备按照规定的协议实时传输分析检测数据的接口，通过数据、图文等方式传输至相应管理部门监管平台。

4 具体实施方案

4.1预处理系统

冷干法抽取式CEMS综合考虑超低排放烟气工况并融入了新技术在预处理设计，解决了在低浓度测量误差大等诸多问题。

（1） 采用小口径加热型采样探杆，减少管路对待测气体的吸附，减少采样过程中产生水分。

（2） 采用小量程（0～100mg/Nm3）气体分析仪器，提高测量精度。

（3） 采用压缩机制冷器进行一次快速制冷除湿处理，然后使用渗透干燥器对样气进行二次除湿处理，使样气露点降至（-5～-10℃）。有效降低湿度对仪表的干扰和污染。

4.1.1氣体采样探头作用及功能

采样单元的作用是将烟道中气体取出并输送到预处理单元。这期间不能发生尘埃堵塞和形成酸雾。

采样探头功能如下：（1）采样（2）过滤（3）加热（4）反吹

采样探头技术特点：（1）小口径加采样探杆，减少SO2的损失;（2）探头滤芯材质采用镍钛合金材料，过滤精度<5mm;（3）内置储气罐（5L），提高反吹气压力;（4）采用高压、高频吹扫方式对滤芯进行自动吹扫;（5）采样单元整体加热到120～160℃，防止产生冷凝水（6）加热单元自动温控，具有温度失控报警功能。

4.1.2渗透脱水装置

采用压缩机制冷器进行一次快速制冷除湿处理，然后使用渗透干燥器对样气进行二次除湿处理，使样气露点降至（-5～-10℃）。有效降低湿度对仪表的干扰和污染。保证零气、样气、标准气均经过渗透干燥器，使所有测量均为同一零点，减少误差，可保证后续分析仪的正常测量分析。

4.2气态污染物监测系统

采用多组份一体化设计的气体分析仪，对气态污染物SO2和NOx浓度进行监测，通过非分散红外吸收法分析转换获得实时测量浓度。

非分散红外气体测量原理：利用SO2在红外区7.3mm（7300nm）附近的红外吸收量的变化，连续测定烟气中SO2的浓度;利用NO对5.3mm（5300nm）附近的红外吸收量的变化，连续测定烟气中NO的浓度。NO2通过还原转换器转换成NO再测量（需加NOx转换器）。利用氧气在催化剂作用下转换成电流信号，该信号强弱与浓度成线形关系。高品质的制造工艺和设计工艺保证系统精确测量。

4.3低浓度颗粒物监测系统：

4.3.1烟气颗粒物测量的技术壁垒

光学法颗粒物测量是根据颗粒物的光学效应进行分析的，一束激光照射在颗粒物表面会产生不同的光学效应，如散色、透射、反射等光学效应。

（1）颗粒物的物理特征的影响：

光学法颗粒物测量会受到颗粒物大小、形状、成分等颗粒物的物理特性的影响，故所有的光学法测量的一次物理量是无量纲数值。如需得到准确的质量浓度值必须经过手工称重法参比实验计算得出相关系数等进行修正，参比方法在HJ75-2017中有详解。

（2）水分的影响：

如若烟气中水分含量比较大（饱和烟气有液态水）时，当粉尘仪光源发射的光照射在水雾上产生的光学效应要比颗粒物的大很多，最终造成干扰。通常，消除水雾干扰颗粒物测量的办法是将水分除掉，常用的方法有：稀释抽取加热方法。

4.3.2抽取式粉尘测量系统

该系统是一个高灵敏度的连续性， 抽取式粉尘浓度的测量装置，可以用于湿度较大的烟道中粉尘的连续性在线监测;它从排放的烟气中抽取一定量的气体，经过持续加热以及空气稀释后，在测量池内通过光学原理（前散射）测量粉尘浓度（最低到5mg/m3以下）。其產生的测量信号强弱取决于排放烟气中的粉尘浓度。

前散射测量原理：发射光源穿过烟道，照射烟尘粒子，被照射的烟尘粒子将反射光信号，反射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。

抽取式粉尘测量系统技术特点：

（1）在线连续测量，满足环保要求，等速取样。

（2）采用稀释加热抽取采样方式，可有效降低烟气湿度，通过加热可更有效的去除烟气中的凝结水，可应用于烟气湿度更大的工况条件下使用，等速取样功能。

（3）稀释风降低了内部通道粉尘含量负载，提高了维护间隔。

（4）可进行自动在线的零点和量程校准，解决光源漂移和视窗污染问题。

（5）具有温度、流量、传感器等自诊断功能，使系统能够时刻处于高精度测量状态。

（6）安装简单，探头安装只需一个法兰，不需要复杂的同轴度要求。

（7）探杆采用高等级材料，耐腐蚀性好。

（8）具备自动反吹探头和检测器功能，可使系统的免维护周期更长。

4.4烟气参数监测系统

烟气参数监测系统：温度采用一体式热电阻温度变送器连续监测，压力采用智能压力变送器连续监测，流量采用皮托管配智能差压变送器连续监测烟气排放流量，含氧量采用直接抽取电化学方法进行含氧量分析，湿度采用干湿氧法测量计算所得。

4.5数据采集与处理系统

数据采集与处理系统包括数据采集系统硬件和烟气监测系统软件。通过数采设备采集各类型监控仪器仪表的数据，完成数据存储并传输给管理部门监管平台，通过烟气监测软件对数据进行分析处理形成相关图表，显示各参数实时测量浓度。

5 配套公用工程

CEMS现场检测仪表设备安装在烟气排放烟囱平台上，需制作平台及爬梯，要求：采样口处绕烟道一周安装监测平台，平台外边缘到管道外壁的距离应不小于2米，周围设置1.2米以上的安全防护栏，承重按300Kg/m2均布荷载设计。平台的受力计算及其他要求由土建专业根据规范要求做。爬梯高度大于3米时不允许用直爬梯，应该做Z字梯或旋梯。

CEMS二次仪表及计算机需安装在室内，现场为CEMS系统新建一独立的仪表站房，简称分析小屋，分析小屋与采样点之间距离尽可能近，仪表设备所需气源应接至现场安装平台和分析小屋各一路，其他采暖、空调、通风、配电、照明、系统接地等要求根据规范HJ75-2017委托相应专业进行设计。

6 结束语

以上主要介绍了烟气排放连续监测系统（CEMS）在烟气超低排放中的应用，包括CEMS的监测项目、系统构成、监测方法及设计选型等，该系统无论在测量技术路线上还是在后期运行维护管理过程中都需要不断改进完善，有助于环保装置的正常运行监控和政府对企业生产排放的监管。

参考文献：

[1] 环境保护部.HJ 75-2017固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测技术规范[S].北京：中国环境出版集团，2008.

[2] 丛经纬等.火力发电厂烟气排放连续监测系统的应用分析[J].石油化工自动化，2017，53（2）：50-53，73.