火電廠超低排放煙氣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)探討

1引言

自《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》(發(fā)改能源[2014]2093號(hào))發(fā)布后，國家出臺(tái)了一系列文件、措施和鼓勵(lì)性政策支持火電廠實(shí)施超低排放改造，并在東部地區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)。經(jīng)過試點(diǎn)后，“十三五”期間將在全國范圍內(nèi)實(shí)施火電廠超低排放改造，改造后煙氣排放限值執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為煙塵10mg/m3、二氧化硫35 mg/m3、氮氧化物50 mg/m3。

火電廠實(shí)施超低排放改造后，煙氣污染物濃度大幅降低，煙氣水分含量增大，煙氣特性發(fā)生了較大改變，對(duì)污染物在線監(jiān)測(cè)的精確性提出了更高要求。因此，在現(xiàn)階段總結(jié)超低排放試點(diǎn)電廠煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)的運(yùn)行情況，分析對(duì)比各種煙氣監(jiān)測(cè)技術(shù)的性能特點(diǎn)，對(duì)于“十三五”火電廠超低排放改造中CEMS的選型具有積極作用。

2 火電廠煙氣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 非分散紅外/紫外吸收法SO2和NOX監(jiān)測(cè)技術(shù)

“十一五”和“十二五”期間，國內(nèi)在脫硫和脫硝上應(yīng)用最為廣泛的是非分散紅外吸收法監(jiān)測(cè)技術(shù)，有少部分紫外吸收技術(shù)。這類技術(shù)是基于朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律的光譜吸收技術(shù)，其基本分析原理是：當(dāng)光通過待測(cè)氣體時(shí)，氣體分子會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，可通過測(cè)定光被介質(zhì)吸收的輻射強(qiáng)度計(jì)算出氣體濃度。即：

式中：I—光被介質(zhì)吸收后的輻射強(qiáng)度;

I0—光通過介質(zhì)前的輻射強(qiáng)度;

K—待分析組分對(duì)輻射波段的吸收系數(shù);

C—待分析組分的氣體濃度;

L—?dú)馐议L(zhǎng)度(待測(cè)氣體層的厚度)。

2.2 紫外熒光法SO2監(jiān)測(cè)技術(shù)

紫外熒光法基于分子發(fā)光技術(shù)，在一定條件下，SO2氣體分子吸收波長(zhǎng)為190～230nm紫外線能量成為激發(fā)態(tài)分子，激發(fā)態(tài)的SO2分子不穩(wěn)定，瞬間返回基態(tài)，發(fā)射出波長(zhǎng)為330 nm的特征熒光。在濃度較低時(shí)，特征熒光的強(qiáng)度與SO2濃度成線性關(guān)系，即可通過檢測(cè)熒光強(qiáng)度計(jì)算SO2濃度。

2.3 化學(xué)發(fā)光法NOX監(jiān)測(cè)技術(shù)

化學(xué)發(fā)光法是在一定條件下，NO與過量的O3發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的NO2。激發(fā)態(tài)NO2返回基態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)為900nm的近紅外熒光。在濃度較低情況下，NO與O3充分反應(yīng)發(fā)出的光強(qiáng)度與NO濃度成線性關(guān)系，即可通過檢測(cè)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度計(jì)算NO濃度。

2.4 煙塵監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.4.1 光透射法煙塵監(jiān)測(cè)技術(shù)

光透射法技術(shù)基于朗伯-比爾定律，即光穿過含塵煙氣時(shí)透過率與煙塵濃度呈指數(shù)下降關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中有單光程和雙光程兩種類型的儀器，光透射法的準(zhǔn)確性受顆粒物粒徑分布影響較大，且靈敏度不高，一般用于煙塵濃度高(大于300mg/m3)、煙道直徑大且煙氣濕度低的工況。

2.4.2 光散射法煙塵監(jiān)測(cè)技術(shù)

光照射在煙塵上時(shí)會(huì)被煙塵吸收和散射，散射光偏離光入射的路徑，散射光強(qiáng)度與煙塵粒徑和入射光波長(zhǎng)有關(guān)，光散射法就是采用測(cè)量散射光強(qiáng)度來監(jiān)測(cè)煙塵濃度的。在實(shí)際應(yīng)用中有前向散射、后向散射和邊向散射三種類型。該技術(shù)靈敏度高，能夠測(cè)量低至0.1mg/m3的煙塵濃度，最低量程可達(dá)到0-5mg/m3，適用于煙塵濃度低、煙道直徑小的情況。但該技術(shù)同樣容易受水汽影響，不適宜煙氣濕度高的工況。

2.4.3電荷法煙塵監(jiān)測(cè)技術(shù)

所有煙塵顆粒均帶有電荷，顆粒物接觸或摩擦?xí)r將產(chǎn)生電荷交換，電荷法就是用電絕緣傳感探針測(cè)量探頭和附近氣流或直接與探頭碰撞的顆粒物之間的電荷交換來測(cè)量煙塵濃度的。該技術(shù)除受煙塵粒徑變化、組分變化和煙氣濕度影響外，還受煙氣流速影響，主要用于布袋除塵的泄漏檢測(cè)和報(bào)警等定性測(cè)量，少在CEMS中應(yīng)用[1]。

2.4.4 β射線吸收法煙塵監(jiān)測(cè)技術(shù)

β射線具有一定穿透力，當(dāng)它穿過一定厚度的吸收物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度隨吸收物質(zhì)厚度的增加逐漸減弱，通過測(cè)量穿過物質(zhì)前后的β射線強(qiáng)度，即可得出吸收物質(zhì)的濃度。

式中：I—通過吸收物質(zhì)后的射線強(qiáng)度;

I0—未通過吸收物質(zhì)的射線強(qiáng)度;

μ—待測(cè)吸收物質(zhì)對(duì)射線的質(zhì)量吸收系數(shù);

x—待測(cè)吸收物質(zhì)的質(zhì)量濃度。

該技術(shù)基于抽取式測(cè)量方式，不受煙塵粒徑分布、折射系數(shù)、組分變化、煙氣濕度等影響，可用于煙塵濃度低、煙氣濕度大的工況。但抽取式測(cè)量屬于點(diǎn)測(cè)量，不適合煙氣流速變化大、煙塵濃度分層的場(chǎng)所。

2.5 煙氣預(yù)處理技術(shù)

基于非分散紅外/紫外吸收法技術(shù)的CEMS系統(tǒng)多數(shù)采用直抽法取樣，為防止系統(tǒng)堵塞和水分對(duì)測(cè)量的干擾，需要對(duì)煙氣進(jìn)行除塵和除水處理。預(yù)處理裝置的效果直接影響CMES的整體性能，通常以處理后的煙氣露點(diǎn)作為重要指標(biāo)來判定預(yù)處理的性能。

在實(shí)際應(yīng)用中，“過濾+冷凝”的預(yù)處理方式較為廣泛。其中煙氣過濾除塵技術(shù)較為成熟，常用的有金屬濾芯、陶瓷燒結(jié)濾芯和膜式過濾器。在采樣探頭處初步過濾，樣氣進(jìn)分析儀前深度過濾，至少過濾掉0.5-1μg粒徑以上的顆粒物。

煙氣冷凝除水技術(shù)較為常用的有壓縮機(jī)冷凝和半導(dǎo)體冷凝，可將煙氣露點(diǎn)干燥至5℃。新興技術(shù)中有高分子膜式滲透除水技術(shù)，采用高分子聚合親水材料，具有高選擇性除水性能，不改變煙氣中SO2和NOX污染物因子成份，可將煙氣露點(diǎn)干燥至-5℃以下[2]。

3 幾種煙氣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的性能比較

國內(nèi)火電廠煙氣在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品眾多，本文結(jié)合各種產(chǎn)品的運(yùn)行情況，參考了擁有該種技術(shù)典型品牌產(chǎn)品的說明書，對(duì)超低排放較為關(guān)注的量程、精度等重要指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。其中最小量程指的是最小物理量程，而非軟件遷移的量程。

3.1 SO2和NOX監(jiān)測(cè)技術(shù)的比較

幾種主要SO2測(cè)量技術(shù)的簡(jiǎn)單參數(shù)對(duì)比表見表1。

幾種主要NOX測(cè)量技術(shù)的簡(jiǎn)單參數(shù)對(duì)比表見表2。

根據(jù)《固定污染源煙氣(SO2、NOX、顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》(HJ/T76)，按超低排放限值計(jì)算，SO2和NOX量程應(yīng)不大于175mg/m3和250mg/m3[3]。 從表1和表2可以看出，傳統(tǒng)非分散紅外吸收法分析儀SO2和NOX的最小量程分別為286mg/m3和308mg/m3，不能滿足超低排放污染物在線監(jiān)測(cè)的要求。

非分散紫外吸收/差分法分析儀的最小量程滿足HI/T76標(biāo)準(zhǔn)要求，但CEMS系統(tǒng)的整體性能不但與分析儀本身性能有關(guān)，還受煙氣預(yù)處理系統(tǒng)性能的影響。預(yù)處理部分的比較將在后文專題論述。

從表1和表2還可看出，紫外熒光法和化學(xué)發(fā)光法測(cè)SO2和NOX的最小量程可達(dá)到0.1mg/m3，檢出下限極低。紫外熒光法和化學(xué)發(fā)光法是分子發(fā)光氣體分析技術(shù)，屬于ppb級(jí)的氣體分析技術(shù)。該種技術(shù)以分子發(fā)光作為檢測(cè)手段，具有靈敏度高、選擇性好、試樣量少、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已在生物醫(yī)學(xué)、藥學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等方面廣泛應(yīng)用，也是EPA(美國環(huán)境保護(hù)署)認(rèn)證中明確推薦的SO2和NOX濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)。該技術(shù)采用抽取稀釋法(常用稀釋比為100:1)對(duì)煙氣進(jìn)行預(yù)處理，避免了煙氣水分、煙塵對(duì)測(cè)量的影響，在超低排放煙氣監(jiān)測(cè)上具有較好的適應(yīng)性。

3.2 煙塵監(jiān)測(cè)技術(shù)的比較

幾種主要煙塵測(cè)量技術(shù)的簡(jiǎn)單對(duì)比表見表3。

在火電廠超低排放改造中，煙塵濃度一般要達(dá)到10mg/m3以下。尤其以濕式除塵改造為主要技術(shù)路線的煙氣中水分含量較大，給煙塵的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)帶來挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用中一般是將煙氣等速抽取，經(jīng)升溫加熱使水分霧化不出現(xiàn)液滴，再通過光散射等低濃度測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量;另一種是將煙氣等速抽取，將加熱干燥的空氣與其按一定比例混合稀釋，從而降低煙氣中的水分含量，再通過光散射等低濃度測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合混合氣體的稀釋比計(jì)算出煙塵濃度。這種方式采用低濃度測(cè)量原理，優(yōu)化了煙氣采樣和預(yù)處理，有效解決目前超低排放改造中高濕低濃度煙塵在線監(jiān)測(cè)的問題，在濕式除塵后已有廣泛應(yīng)用。

3.3 煙氣預(yù)處理技術(shù)的比較

火電廠實(shí)施超低放改造后，煙氣污染物濃度大幅降低，在線監(jiān)測(cè)的適應(yīng)性取決于系統(tǒng)的檢出下限，而CEMS的檢出下限受分析儀本體和煙氣預(yù)處理裝置兩部分制約。在實(shí)際應(yīng)用的煙氣預(yù)處理中，直接抽取+冷干法占70%，均采用冷凝除水技術(shù)。該技術(shù)在冷凝過程中，冷凝水會(huì)吸收攜帶部分SO2和NOX，以致在超低濃度工況下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真甚至無檢測(cè)數(shù)據(jù)，不能滿足HI/T76標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。表4為不同水分含量下不同預(yù)處理方式對(duì)SO2測(cè)量影響的實(shí)驗(yàn)對(duì)比表。

注：標(biāo)氣SO2濃度500ppm，樣氣溫度120℃，測(cè)量數(shù)值單位ppm。

從表4可看出，水分含量越高對(duì)測(cè)量結(jié)果影響越大，其中滲透膜除水技術(shù)對(duì)SO2測(cè)量的影響遠(yuǎn)小于其它除水技術(shù)，其除水效果優(yōu)于其他技術(shù)。也可由此而知，在直抽法采用紫外吸收/差分法分析儀時(shí)，應(yīng)同時(shí)選用除水效果更好的煙氣預(yù)處理技術(shù)，否則監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能嚴(yán)重失真甚至檢測(cè)不出數(shù)據(jù)。

在稀釋法取樣中，預(yù)處理側(cè)重于對(duì)稀釋氣體的處理，通常配備專門的壓縮空氣凈化裝置或者發(fā)生裝置，經(jīng)精密過濾和干燥，可將露點(diǎn)降至-40℃，不需要加熱采樣管線[4]。在CEMS中，稀釋抽取法通常與紫外熒光和化學(xué)發(fā)光技術(shù)配套使用。

4 結(jié)論與建議

(1)超低排放改造實(shí)施后，進(jìn)出口煙氣特性差異較大，煙氣監(jiān)測(cè)對(duì)CEMS的系統(tǒng)配置提出了更高、更具體的要求，建議在可研或技術(shù)規(guī)范書里明確各測(cè)點(diǎn)不同污染物對(duì)煙氣取樣方式、預(yù)處理、分析儀的測(cè)量原理、量程、檢出下限等主要參數(shù)和選型的具體要求。

(2)在超低排放改造中，脫硫脫硝入口CEMS仍可采用常規(guī)的預(yù)處理裝置和非分散紅外技術(shù)測(cè)量SO2和NOX濃度，除塵器前可采用光透射法測(cè)量煙塵濃度。

(3)在脫硫脫硝出口特別是濕式除塵后，SO2和NOX的測(cè)量?jī)?yōu)先采用紫外熒光法和化學(xué)發(fā)光法技術(shù);若采用直抽法非分散紫外吸收/差分法分析儀時(shí)，應(yīng)同時(shí)配備除水性能更優(yōu)越的膜滲透煙氣預(yù)處理技術(shù)。

(4)在脫硫出口特別是濕式除塵后，優(yōu)先采用抽取高溫光散射法測(cè)量煙塵濃度。