浅谈CEMS在天然气加工行业固定污染源监测中的应用

万征平 姚亮 胡科先(长庆油田技术监测中心，陕西 西安 710021)

0 引言

伴随着国家对大气污染治理力度的加大，对生成雾霾的主要污染二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)的减排和监测要求提高，固定污染源排放监测系统已经在我国的各加工行业系统中全面展开。其对应的工作就是各行业工矿企业需要在固定污染源排放口建立、使用CEMS。CEMS是英文Continuous Emission Monitoring System的缩写，是对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物进行浓度、排放量的连续监测并将信息实时传输到主管部门的装置，被称为“烟气自动监控系统”，或“烟气排放连续监测系统”和“烟气在线监测系统”。

CEMS是在线分析监测系统的一种，其开始应用于火力发电加工行业，在天然气加工行业加工过称中的应用近几年全面展开，在应用中发现了一些问题。尤其是一部分针对高含硫化氢天然气进行加工的净化厂，其硫磺回收单元出来的尾气经灼烧后的气质组分复杂，且组分含量波动大，需要有针对性的加以解决。

1 CEMS原理

CEMS取样方法决定了其技术路线，按照取样方法来分，可分3种：稀释抽取法、直接抽取法、原位直接测量法。目前天然气加工行业主要采用直接抽取法CEMS产品，整套仪器分为取样系统、预处理系统、分析系统、信号处理及传输系统。分析系统根据监测项目的不同又可以分为三类，分别为气态污染物监测、烟气参数监测、粉尘监测。整个系统的组成见图1。

图1 流程图

1.1 气态污染物监测

主要监测SO2、NOX，由带过滤器和加热器安装在烟道上的取样探头抽取烟气，通过不低于125℃伴热管线经预处理装置取样到分析仪表测量，测量信号交由上位机处理。

1.2 烟气参数监测

烟气参数主要包括氧含量、流速、温度等，这些参数由安装于烟道上的仪器直接测量，测量的结果以电流信号的方式传送至上位机直接显示。

1.3 粉尘监测

安装在烟道上，利用激光后散射原理，由收发单元、反射单元、控制单元、自动清洗单元组成。收发单元和反射单元为系统主体测量部分。通过安装在现场烟道的法兰，利用精密的自校准光学系统，基于光透射原理产生反馈信号，在以电流信号的方式传送至上位机直接显示。

1.4 数据采集处理系统

数据采集处理系统由数据采集和数据处理两部分组成。数据采集系统采用PLC(程序控制器)，以模拟量输传输。数据处理系统由上位计算机和烟气监测处理软件组成。烟气监测参数经信号处理传输后至PLC再经软件对这些数据进行处理后实现有效的数据存储、统计、传输和打印等功能。

2 CEMS在天然气加工行业应用的环境

CEMS在天然气加工行业最近几年大面积应用，所以需要针对性的分析其应用中的工艺环境。天然气加工中主要是脱水、脱硫、脱烃，上述工艺脱出的含有H2S、CO2、H2O的酸气，经不同技术类型的硫磺回收装置回收单质硫后的尾气，由高温焚烧炉灼烧后硫化物转化SO2外排。虽然目前的硫磺回收技术可以做到很高的回收转化率(我国目前的该类装置的回收率基本设计值都在99%以上)，但因为原料天然气中硫含较高，需要处理的气量又很大(目前我国新建单套的天然气处理能力基本都是200万Nm3/d)，未完全回收的硫化物燃烧生产的SO2量普遍高于火电厂。某天然气净化厂硫磺回收装置尾气焚烧后的废气主要成分包括：O2(1.9%)、CO2(17.9%)、N2(21.1%)、SO2(0.1%)、H2O(58.2%)。除上述气态组分外，烟气中也含有一定的固态粉尘，如来不及灼烧的单质硫因硫华析出成固态、积碳形成的碳黑颗粒、携带出的催化剂粉渣等等。可见与常见的非天然气加工行业的烟气比较，天然气加工行业的烟气作为CEMS的样品气有一定的行业特性。

2.1 高含水

样品气中含有大量水份，在20%～65%之间。这些水份是有多种原因进入系统的。

其一是进入前端的硫磺回收装置的酸气中含有一定量的烃类、携带一部分水份及未反应的硫化氢，经过焚烧炉后生成水份；其二是多数的硫磺回收工艺利用蒸汽驱动产生液态单质硫，利用后的蒸汽作为废气进入烟道；其三是硫磺回收装置引入的空气中所带的水份。

2.2 酸性气体含量高

含硫气田天然气加工后的尾气中含硫量高于火电行业。天然气加工中脱硫净化后的酸气含硫基本在1%以上，处理量又大，所以即使回收装置有很高的回收率未回收完全的硫组分在焚烧后生成的SO2所占比例较火电行业为高。同时多数气田的酸气还含有大量的CO2，再加上携带的烃燃烧后生成的CO2叠加，导致烟气中酸气组分偏大。

2.3 固体颗粒易相态变化

固体颗粒物的组分中硫化物组分较高，相对组分复杂易受温度变化影响。

2.4 高温

因为焚烧炉紧邻烟道，所以烟道中烟温很高，大部分在300℃上下。这对探枪及原位安装设备的耐高温性能，提出了更高要求。

3 CEMS应用的问题和解决意见

特殊的样品气条件对CEMS的应用有了更高的要求和更有对针性的改进。由于最开始CEMS是基于火电行业进行设计开发的，有大范围应用在锅炉废气的监测上，因此在天然气行业的应用存在一定的适用性问题，针对应用中存在的问题提出一些改进意见。

3.1 运行中堵塞、测量数值不合理波动

整个气路不同位置都可能发生堵塞，这主要是因为样品含水高、含硫物不稳定，在有组分、温度、压力变化时易析出凝聚。在保证CEMS良好维护的情况下，工况工艺的持续稳定减少波动，这个稳态运行的时候样品各组分的相态相对稳定，对堵塞的发生有明显的抑制作用。当工况的变化剧烈时，CEMS的相应时效无法与工况的变化同步，导致结果失真。CEMS的量程选择是固定的，工况的波动也会导致样品的测量浓度与量程不符。

所以CEMS对生产调度提高了要求，前端的生产设备、硫磺回收装置和焚烧炉平稳运行，才能保证进入CEMS的样品气质稳定。因此CEMS的良好运行，需要前端的天然气集输、净化和环保系统的平稳减少波动运行。

3.2 测量不准和仪表的非正常损坏

直接安装在烟道上和分析小屋内的仪表都是测量的高温样品，但若加大仪表的降温又会造成样品冷凝。长期在高温环境下，仪表易测量不准及损坏。用于测量SO2、NOX污染物的光谱仪是分析小屋的主要仪器，如长期在高温或低温运行其光谱能量衰减过大，容易造成测量数据不准。

建议进一步优化分体式设计，将整套设备分为高温区和低温区，将精密仪表安装于低温区，提高分析小屋的控温能力，减少极寒和高温等气候变化对标气及气路的影响，使分析小屋能保持恒温22℃。

3.3 采样系统反吹问题及建议

采样系统反吹问题主要是反吹时间长，反吹时SO2示值升高。反吹时间长是因按照安装标准，整个取样管线需要交大长度；反吹时SO2示值升高是因为反吹时氧气含量，根据过氧折算公式折算的SO2就很高了。

建议是根据不同的取样管线长度配置不同的反吹压力，但不能超过取样管线的承压。改进CEMS系统软件设置，使CEMS在反吹时可以屏蔽实时数据或保持反吹前示值。

3.4 CEMS停机的问题及建议

在天然气净化系统或硫磺回收系统故障或检修停机后再开机时，会无法正常运行表现的问题有：取样气路、测量气路堵塞，光谱仪示值不准，甚至仪表损坏。这是因CEMS关闭电源后取样系统会有样品扩散到系统的各个部分冷凝析出，堵塞、腐蚀管路和仪表。

建议CEMS短时间故障时，取样管线的伴热不能关闭。长期故障或停运CEMS时需要排空采样管线用仪表风吹扫，然后隔离取样管线或封堵进口。

3.5 安全措施

天然气加工行业的安全要求有行业的独特性，需要对分析小屋的安全设施做适应性改造。

建议增加H2S和空气缺氧检测及声光报警系统，使其符合相关安全规范要求。为了分析小屋良好通风，保温性能又不下降，建议改进通风系统增加保温措施。针对样品气酸气性物质较多，需要对CEMS的尾气进行处理(如碱液吸收)后再排放。

4 结语

CEMS在天然气加工行业的应用提高了天然气加工行业对污染物排放的监测，有力的促进了天然气加工行业的减排和环境保护工作。CEMS包括的仪表大部分为连续运行、长时间不间断仪表，因此仪器在天然气加工行业长期运行的准确性、稳定性、可靠性问题，取样和样品处理系统的伴热保温和精细过滤问题、仪器后期运行的维护保养问题，分析后样品的安全排放问题等，需要进一步探讨研究。

建议相关部门制定针对天然气加工行业的CEMS使用规范，制定符合行业实际情况的相关标准。