CEMS在极寒地区应用存在的问题及解决方案

孙浩丰

(大庆石化公司 炼油厂，黑龙江 大庆 163711)

烟气连续排放监测系统(CEMS)用于在线自动监测烟气中的颗粒污染物、气态污染物(SO2，NOx)和排放总量，为除尘、脱硫设备的安全运行提供科学依据，同时也为国家环保管理部门提供判断污染源排放是否达标的依据。CEMS能否稳定、准确地监测烟气参数，直接影响到企业的经济效益。在东北极寒地区使用中，极低的温度对CEMS采样系统、反吹系统、烟尘系统等都会造成很大影响，对仪表稳定运行提出了新的要求。

1 CMES组成及基本原理

CEMS由气态污染物(SO2，NOx)监测子系统，烟尘(颗粒物)监测子系统，烟气参数监测子系统，数据采集、传输与处理子系统4个主要部分组成。CEMS结构原理如图1所示。

图1 CEMS结构原理示意

气态污染物监测有三种方法： 直接抽取法、稀释取样法、直接测量采样法，其中直接抽取法是目前国内CEMS常采用的方法，本文重点介绍直接抽取法。直接抽取法是利用隔膜泵通过气态污染物采样器直接抽取烟气样气，通过伴热管线送至冷却器，样气经冷凝除湿后再送入分析仪。分析仪测得的是去除水分后的干基样气中的污染物浓度。烟尘(颗粒物)监测子系统将粉尘仪直接安装于烟道，采用激光散射测量法，烟气参数监测子系统采用直接安装于烟道上的一体化探头监测温度、压力、流速等参数。CEMS采用DAS监测软件监测数据，并且通过GPRS通信方式每10 min传送一组数据到环保部门。

2 CEMS在极寒地区应用中常见问题及原因分析

CEMS用于测量烟气中SO2，NOx，粉尘、流速、温度、压力等参数，由于烟气成分比较复杂，对测量造成了很大的干扰，尤其在极寒天气，极低的温度对气态污染物监测子系统所包含的反吹系统，采样系统和烟尘子系统都会造成很大影响。常见问题如下。

2.1 氧含量异常偏高的问题及原因分析

极寒天气下低温影响反吹系统正常运行，造成反吹电磁阀动作故障，影响测量。CEMS利用隔膜泵直接通过气态污染物采样器抽取烟道内的烟气进入分析仪进行测量，由于烟道内烟气成分复杂，长时间使用易造成采样探头堵塞，为避免采样探头堵塞，系统每2 h反吹一次。反吹时采样电磁阀关闭，反吹电磁阀打开，储罐内压缩空气瞬间进入采样探头，将探头上附着物吹掉，防止长时间附着造成焦结。反吹结束后反吹电磁阀关闭，采样电磁阀打开，保持2～3 min后进行正常测量。冬季极寒天气下，受低温影响反吹后电磁阀会出现不能关严的现象，压缩空气大量进入采样管，造成氧含量超高，从而引起SO2，NOx，烟尘等环保数据折算值超标。

2.2 SO2数据异常升高的问题及原因分析

进入冬季，低温影响采样系统正常工作，造成SO2，NOx等参数异常升高的问题。以硫磺回收装置为例，CEMS投用后夏季一直运行稳定，但入冬以来，经常出现反吹后SO2质量浓度持续3～5 min偏高，有时甚至会接近环保排放指标，之后缓慢下降到正常测量值。尤其是天气渐冷，出现频率更高。造成该现象的主要原因是由于硫磺回收装置工艺条件的特殊性，尾气中SO2质量浓度较高，排放指标为400 mg/m3，同时尾气中含水蒸气及气化的单质硫。反吹使用的净化空气冬季温度极低，反吹时冷风进入系统，使采样探头处水蒸气瞬间凝结，同时SO2又极易溶于水，所以大量集聚于采样探头处，同时，高温气化的单质硫遇冷风后凝结，挂在采样探头和采样管内，长时间聚集造成采样探头及采样管内凝硫，为水蒸气聚集提供了条件，会造成水蒸气聚集。虽然吹送后还有120 s的置换时间，但由于水蒸气集聚量较大，SO2慢慢地从水蒸气中析出，所以吹扫置换后SO2质量浓度仍然很高，甚至有时造成超标情况发生。

2.3 颗粒物偏高的问题及原因分析

颗粒物测量采用的是原位式激光后散射的测量方法，该测量方法将粉尘仪直接安装在烟囱上进行原位测量，进入冬季后，粉尘仪会随着气温的降低指示逐渐偏高，出现指示不稳定的情况。分析原因有以下两方面： 一是由于室外温度较低，高温烟气排出时遇冷会凝结出部分水蒸气，形成小水滴，粉尘仪检测到小水滴造成颗粒物检测偏高；二是粉尘仪设备低温性差，低温环境对仪器影响较大，造成指示缓慢升高。

3 CEMS极寒地区应用中常见问题解决方案

3.1 氧含量异常偏高的解决方案

针对冬季反吹后氧含量异常偏高问题，改进CEMS探头箱内一级预处理系统，提出两种解决方案。

1)方案一。吹送电磁阀采用双电磁阀串联的模式，改进后的反吹系统如图2所示，将电磁阀ZV1与ZV2串联起来，吹扫开始和结束2台阀同时动作，只要有1台电磁阀能保证关严，就能有效地避免氧含量升高的问题，从而避免超标。

图2 改进后的反吹系统

2)方案二。采用小型气缸球阀配套先导式电磁阀的模式，代替膜片式管道电磁阀，由于先导式电磁阀没有膜片，耐低温性能好，低温条件下仍然能可靠运行。

两种方案在不同的分析仪分别应用，效果明显，没有再出现冬季反吹后氧含量异常偏高引起超标的问题。

3.2 SO2质量浓度异常升高问题的解决方案

针对冬季SO2质量浓度异常升高问题，特别是根据硫磺回收装置出口的特殊性，采取了以下改进措施：

1)为防止管线及采样探头凝硫，根据单质硫的特性，调整采样伴热线温度,由原来120 ℃调整为135 ℃。因为硫低于120 ℃时凝固，130～160 ℃时黏度较小，流动性最好，所以把伴热线温度调整到135 ℃能有效地避免凝硫，从而使采样管线内壁保持光洁。

2)增加1个容积为10 L的吹扫用预热风罐，风罐采用电伴热，用于吹送风预热，风罐出口风温达到45 ℃，从而消除-20 ℃以下吹扫风瞬间急冷造成取样采样管及采样探头处形成水蒸气；该过程可有效避免水蒸气大量凝结吸收SO2而造成凝硫的情况。

3)调整吹送程序，将吹扫后置换时间由120 s改为240 s，增加置换时间可有效地置换SO2，从而保证积聚的SO2被完全清除。

3.3 颗粒物偏高问题的解决方案

在粉尘仪外侧安装恒温箱，恒温箱采用5面保温，与烟囱直接接触的那面不保温，利用烟道内的温度使恒温箱保持恒定温度。同时恒温箱内设有电伴热带及温控器，温控器根据温度变化及时调整伴热温度，保证恒温箱内温度恒定，从而使粉尘仪测量稳定。

4 结束语

CEMS的可靠、稳定运行是环保数据达标排放的必要条件，CEMS在极寒地区运行，特殊天气给测量带了很多不可预见性的影响。本文分析了CEMS在极寒地区存在的问题，并提出了解决方案，CEMS经过改造能够克服极寒地区恶劣天气的影响，稳定运行。