CEMS 系统在锅炉烟气超洁净系统中的应用

谢 佳

（中国石化集团南京化学工业有限公司，江苏南京 210048）

锅炉燃烧中产生的烟气除烟尘外，还含有SO2、NOx等污染物质，排入空气会造成污染，危害十分严重。2018 年国家环境环保部发布了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》和HJ 76—2017《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》，详细规定了烟气连续监测系统的主要指标、检测项目、检测方法等[1-2]。根据GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，国家发改委、环保部和能源局制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020 年）》，提出了燃煤机组“超低排放”要求和时间表，要求新建燃煤发电机组同步建设先进高效脱硫、脱硝和除尘设施，不得设置烟气旁通通道；新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值（即烟尘、SO2、NOx排放质量浓度分别不高于5，35，50 mg/m3）。因此，对锅炉烟气排放进行连续在线实时监测具有重要意义。

烟气排放连续监测系统（Continuous Emission Monitoring System，缩写CEMS）对大气污染源排放的烟尘、气态污染物排放浓度可进行连续监测，并将信息实时传输至监控系统。CEMS 由颗粒物监测系统、气态污染物监测系统、烟气参数测量系统、数据采集与处理系统等构成。

1 CEMS 在站区锅炉烟气排放脱硫系统中的应用

站区现有3 台220 t/h 高压燃煤锅炉和2 台25 MW 抽汽凝汽式汽轮发电机，通过SCR 脱硝再配有3 台布袋除尘器，烟气由3 路烟道进入脱硫塔采用加氨的脱硫方式进行处理。3 台锅炉公用2 个烟囱（1 开1 备），烟气正常温度120 ℃，最高时达135 ℃，烟气压力-1 500 kPa，在1 套烟气脱硫系统中设置了2 套CEMS。

CEMS 系统配置见图1。

图1 CEMS系统配置

1.1 颗粒物监测系统

该系统中采用加热抽取法+光学法，仪表主要由样气采样器、样气稀释装置、烟尘测量单元、控制单元和反吹单元等组成。采用稀释加热抽取烟气方式，取样系统从烟道中连续等速抽取烟气，抽取的烟气经加热进入高温加热测量池，通过激光前散射烟尘仪测量颗粒物浓度，消除湿气对颗粒物测量的干扰，提高测量颗粒物浓度的准确度。

1.2 烟气流量和温度测量系统

烟气流速采用皮托管测量，主要是正负压室所产生的差压原理进行数据测量。根据能量守衡定律得知，流体在流动中的能量包括位能、动能和静压能。对于气体流动，位能的变化通常忽略不计，动能和静压能在一定条件下可以互相转化。烟气流速皮托管中2 个采样探头分别代表烟气的总能量和静压能，两者的差值为动压能，动压能与烟气流速的平方成正比，所以皮托管是通过测量压差测得流体速度的。现阶段固定污染源烟气 CEMS 安装在烟道的位置很难有流场相对稳定的标准，流速在烟道中分布不均匀，当烟道中流速小于10 m/s 时（尤其是流速小于5 m/s 时），烟气流速测量会相当困难。流速/压力/温度系列烟气参数监测仪采用皮托管差压法测量烟气流速，并且对烟道中的压力、温度直接进行数据采集，使得测量精度和准确度更有保障,特别适合于在线实时测量烟气参数。烟气流速的测量是根据现场的实际工况进行的，采用参照比较法进行确定，并通过通讯接口调整流速系数减少测量过程中所产生的误差，可以确定输出的测量参数为烟气流速V、烟气温度T，烟气压力P。在粉尘浓度较高的情况下，可以通过自动反吹系统，来完成自动吹扫程序，反吹的程序是在控制箱内增加了反吹模块，可根据现场实际情况设置反吹的频率和时间。

1.3 气态污染物测量系统

根据环保要求及规定，需要测量的气态污染物有SO2、NOx和O2。该系统采用了直接抽取法检测锅炉烟气系统中的气态污染物。气态污染物测量系统主要由取样单元和预处理单元组成。

1） 取样单元。取样单元有采样探杆、采样探头、伴热管线，温度均保持在180 ℃，可有效防止样气在传输过程中SO2损失。

2）预处理单元。预处理单元由冷凝加酸系统、NOx转换器、露点仪、气溶胶过滤器、隔膜抽气泵等组成。样气经前置过滤器、采样探头后，通过伴热管线被抽取传输到机柜内，高温取样传输可防止温度降低及SO2丢失；继续采用伴热带进行伴热，样气和磷酸一起进入冷凝器内，将标定口放在磷酸注入口前，以减少标准气中含有水量对测量精度的影响。另在冷凝器后设有露点仪，当露点过高时，自动切断抽气泵和磷酸输出泵，避免设备损坏及产生不必要的损失。

1.4 数据采集与处理系统

数据采集与处理系统主要完成现场信号的采集，把采集到的数据分析处理，并计算出污染物浓度和排放量。数据采集与处理子系统还将测量参数以通信或硬接线的方式传送至DCS 系统和数采仪。同时对数采仪中相关参数通过网络输送至环保部门进行监控。

2 CEMS 测量方法的优点

该系统的主要优点为：

1）系统采用了取样探杆为高温探头+加热护套+高温伴热管线的方式，采样与样气传输高温加热的特性有效缓解工艺氨盐结晶对设备的腐蚀堵塞，系统采样过程基本上未改变烟气流动状态。该方法具有较强的适应性，适用氨法脱硫工艺烟气连续监测分析检测气体。

2）反吹系统使用采样螺旋式不锈钢管有效对反吹气源加热，解决反吹带来的探头降温形成水汽及内部颗粒物结晶的问题。

3）经过处理的样气较洁净，对分析仪的污染较小，系统的稳定性和准确性都比较好，便于长期运行，初次投用后后续维护成本较低、维护量小。

4）系统具有气体预处理功能，可处理的气体最大流速达6 L/min，湿度超过50%。可精密过滤粒径0.1 μm 的气体微粒，除去烟气中所含酸雾或氨气，完成样气净化、除尘、除湿，将符合分析仪器要求的超低、恒温、流量稳定的样气连续送入分析仪器，确保分析仪器的准确性和可靠性。

5）智能诊断及报警有湿度报警、采样头温度异常报警、冷凝器温度异常报警、加热温度异常报警、供气系统异常报警、采样流量不足报警、烟气露点指示及报警、低流速报警等。

6）分析机柜放在专门的房间内，对粉尘、温度和湿度可以进行控制，保证了分析仪的工作环境，延长分析仪使用寿命。

7）系统能够实时分析且响应时间快，利于现场工艺人员的及时监控和实时调整。

8）仪器和系统日志功能记录各系统的运行状态参数，为系统数据的准确性和可靠性提供溯源的基础。

3 CEMS 的测量方法存在的问题与建议措施

CEMS 的测量方法在应用中也存在问题，工作过程中要加以注意：

1）由于采样探头直接和烟气接触，探头容易受到烟气腐蚀，同时烟气中水汽和灰尘经过探头后会附着在探头上，使探头容易堵塞。需要在日常维护中多注意对探头反吹系统周期性吹扫及定期对前置滤芯更换维护，避免长期运行中采样探头堵塞严重的问题。

2）由于分析仪对样品气体的洁净度要求高，因此该方法必须有一套完整的烟气加热、冷却、除水和除尘系统，在采样系统与样品传输过程确保管径一致性，管路对接使用卡箍接头，管路负压部分减少不必要的接头及引用其他设备，避免系统漏气影响测量。

3）由于该系统附属系统较多，长期运行投资成本较高，样气检测的准确性对系统传输管线、冷凝除湿技术设备要求高，长期使用可通过仪器自诊断过程及报警监控，实时有效地对在线系统运行状态进行监控。对器件运行状况及隐患排查必须要人员现场定期巡查，避免其他因素干扰影响系统正常运行。

随着CEMS 监测标准规范化、标准化，人工分析维护系统存在一定的局限性，提高分析系统自动和远程标气调零校核智能功能可有效排除日常性的仪表误差；取样探头及过滤器可以自动反吹扫和远程控制反吹扫防止堵塞，长期使用过程中会疏忽仪表反吹气压控制，在实际应用维护中，可加装智能反吹气源气压的使用控制；当系统受外界强干扰、意外或掉电后又上电等情况发生使程序中断时，提高异常情况自动恢复能力，如实现自启动，自动恢复运行状态并记录出现故障的时间和恢复运行的时间，启动后系统能通过自动标校操作确定校准偏移量等。

4 结语

CEMS 系统的正常运行是保证锅炉烟气排放环保监测的重要环节，也与脱硫系统的运行监控、企业的经济效益密切相关。在实际运行生产中，按照规程做好CEMS系统的日常运维和定期校准，才能保证设备运行的稳定性、监测数据的有效性和科学性。