1000MW超超临界机组超低排放CEMS设备的选型分析

神华国华寿光发电有限责任公司 李大鹏 王召鹏 尹海鹏

1 背景

中国目前使用率最多的词汇“雾霾”，使环境保护理念深入人心。大气污染治理的日趋严格也是大势所趋，彰显了国家对改善环境的决心。超低排放实施以来，燃煤机组污染物排放浓度大大降低，环保排放标准上了新的台阶，对烟气在线监测系统（CEMS） 数据的准确性提出了新的要求。

山东寿光公司一期工程项目依托“黄大”铁路，通过“上大压小”方式建设2×1000MW 国产超超临界燃煤发电机组，同步建设烟气脱硫、脱销装置。以“农业文明”“工业文明”“生态文明”为目标，落实“高品质绿色发电”要求，建设运营国内百万“超低排放”的燃煤机组，树立绿色环保生态文明的品牌。

2 概述

山东寿电公司的环保设计：脱硫工艺采用湿式石灰石—石膏法，一炉一塔方式，不设GGH 装置、不设置增压风机，不设置烟气旁路，脱硫系统与机组同步运行，利用引风机克服脱硫烟气阻力，按燃用设计煤种时脱硫效率不小于98%进行设计，烟尘排放浓度3.56mg/Nm3，SO2设计排放浓度33.31mg/Nm3，NOx 设计排放浓度45mg/Nm3。

随着火电厂大气污染物排放新标准的实施，排放标准的严格“红线”，对环保设施的稳定运行要求越来越高；同样作为连续监测烟气排放的CEMS 系统，其测量的准确性、可靠性、真实性也被提到更高的层面上来。烟气排放连续监测系统(continuous emissions monitoring system,CEMS)是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、传输与处理子系统等组成。由于CEMS 的核心技术门槛较高，目前国内经过国家认证检测合格的厂家一般都是产品集成商，走的是“大件引进，系统国内集成”的模式。选择合适的CEMS 设备，必须根据不同系统的不同适应情况进行比较，在“超低排放”的背景下探讨CEMS 设备的选型显得优为重要。

3 CEMS 设备选型分析

3.1 量程的要求

根据超低排放和设计要求，脱硫出口烟气粉尘、SO2、NOx 排放量非常低。为了保证测量准确、可靠，低浓度测量最重要的是低量程的设置。

根据《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》（76-2017）要求：根据实际需要设置CEMS 的最大测量值，通常设置为高于排放源最大浓度的1至2倍。

根据表1比较确定脱硫出口污染物测量量程如下：

表1 污染物排放指标比较

注意：实现双量程自动切换，保证仪表在环保设施正常工况和非正常工况下测量准确。

3.2 气态污染物监测系统

3.2.1 烟气分析仪烟气分析仪主要测量气态污染物SO2、NOx，是CEMS 系统的核心，也是设备选型的主要对象。

烟气测量原理：红外光谱吸收、紫外光谱吸收、紫外荧光分析、化学分析、紫外差分吸收光谱。

烟气分析仪：非分散红外分析仪、非分散紫外分析仪、紫外荧光分析仪、化学发光NOx 监测仪。

根据表2对比可以看出紫外荧光法吸收的光谱最小，适合测量低浓度，符合“超低排放”的设计要求，但由于是单组份测量，必须再配置化学发光法测量NOx 的分析仪。非分散红外法吸收的光谱最大，可以测量高浓度，而且能同时测量多种组份，适用范围广，目前应用比较多。

表2 分析仪比较

3.2.2 烟气采样系统

烟气采样系统决定了分析仪测量的准确性。烟气采样系统的采样方法有：完全抽取法、稀释抽取法和直接测量法。完全抽取又分为热湿法和冷干法,见表3。

表3 稀释法和直接抽取冷干法比较

两种采样方法各具优势，维护量都不小，比较之下，从测量“超低排放”低浓度的角度考虑，稀释法抽取的样气量小，精确度高。

3.2.3 进口品牌

由于技术原因进口分析仪占了主流，在中国市场上目前市场占有率较高的进口品牌见表4。

表4 品牌介绍

截止到目前，美国、德国、英国、日本是CEMS技术最先进的出口国。稀释采样法—荧光检测技术，化学发光技术，发源地美国，技术典型品牌代表：美国赛默飞。直接抽取冷干法—不透明度光学系统，发源地德国，技术典型品牌代表：德国西门子。

3.2.4 结论

经过以上分析，在“超低排放”的背景下，设备选型偏重低浓度测量方向，分析仪—紫外荧光分析仪和化学发光NOx 分析仪，采样系统—稀释法，进口品牌—美国产品。

3.3 颗粒物监测系统

3.3.1 测量烟气颗粒物的方法

浊度法：①传统浊度法：单光程、双光程；②动态浊度法

光散射法：①前散射；②边散射；③后散射

电荷法：①直流电荷转移法；②交流电荷转移法；③动态电荷法

抽取法：①湿气体粉尘浓度监测；②β 射线法衰减法

3.3.2 技术比较

技术比较，见表5。

表5

3.3.3 应用的测量仪表对比

应用的测量仪表对比，见表6。

表6

3.3.4 分析

动态浊度法和光散射法其测量原理决定了还是以光源为主，这就意味着必须维护光源的清洁保证发光率。由于湿度对其影响很大，保证光源必须连续吹扫，吹扫源有两个：压缩空气和吹扫风机。压缩空气有两个来源：电厂的仪用压缩空气和配置专用的空气压缩机。由于吹扫光源对压缩空气的质量要求很高，必须配置除水除油净化装置。吹扫风机也需要定期检查更换滤网保持空气清洁。抽取式测量法是针对湿式烟尘的设备，不受湿度影响，测量也比较准确，但是价格昂贵，维护量大。

预处理方式：SICK 和PCME为抽取加热法，抽取后在加热腔中加热。赛默飞世尔、DURAG 为抽取稀释加热，样气抽取后与加热的稀释气混合。

量程：PCME、DURAG 量程范围为：低量程0～15mg/m3，高量程0～100mg/m3；SICK 量程范围为：低量程0～5mg/m3，高量程0～200mg/m3；赛默飞世尔量程范围为：0～250mg/m3。

精度：SICK、DURAG 精度均为满量程2%，PCME 不确定度小于1mg/m3，赛默飞世尔为：0.25mg/m3。

3.4 结论

从测量原理、预处理、量程、精度等几个方面比较，在“超低排放”背景下，从技术的角度（抽取式价格昂贵）优先选择的顺序为抽取式测量法、光后散射法、动态浊度法。

4 结语

严格的排放标准，“超低排放”的目标都对新建和运营电厂CEMS 系统提出更高的要求。由于CEMS 设备选型决定了投产以后的运行质量，深入比较和分析CEMS 测量技术对于设计、选型和应用仍然具有较大的借鉴意义。