1、浅析热电厂烟气排放连续监测系统的应用浅析热电厂烟气排放连续监测系统的应用傅云热电公司热电三车间摘要：本文通过介绍热电公司热电三车间212MW机组所采用的烟气连续监测系统(Continuous Emission Monitoring System)即CEMS系统 ，结合十八大以来国家对环境保护方面相关政策要求，论述CEMS系统的主要技术特点与电厂应用。关键词：CEMS烟气连续监测系统；环境保护；燃煤电厂；应用1、前言 电力是国民经济发展的重要能源，火力发电是我国和世界上许多国家生产电能的主要方法。我国火力发电占总发电量的80%左右，而煤炭作为燃料的火电机组占到95%左右。一方面作为国民经济的重要
2、支柱产业，支撑我国的经济总量迅速发展。另一方面大量燃煤机组的使用造成了严重的环境污染。预计到2020年，我国的火电厂排放的二氧化硫、烟尘颗粒物、氮氧化物将对达到2100万吨、500万吨和1000万吨以上。而且这些数字还将持续增长，影响范围逐步扩大。如果火电厂排放的大气污染物不能得到有效控制，将直接影响国民的生命安全与社会的可持续发展。为了控制环境的进一步恶化与实现工业与环境的和谐健康发展，在十八大报告中15次提及生态文明并建议国家关注环保领域。报告指出建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，必须树立尊重自然、顺应自然、保护自
3、然的生态文明理念，把生态文明建设放在突出地位，融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。2014年4月24日“史上最严环保法”正式出台。新修订的火电厂大气污染物排放标准规定：火力发电锅炉必须安装符合HJ/T75要求的烟气连续监测仪器；烟气连续监测排放装置经省级以上人民政府环境保护行政主管部门验收合格后，在有效期内其监测数据有有效数据。”因此CEMS已经成为环境管理、环境监测、排污收费、污染物治理及实施污染物排放总量控制的科学可靠的依据及必要的技术手段。2、车间情况简介 三厂区热源项目(即热电三车间）为2010年金川集团有限公司三厂区重点项
4、目。车间现规模为212MW 供热机组+2160t/h 煤粉炉。电厂厂址位于甘肃省金昌市金川公司三厂区规划用地范围内。系统采用电收尘-布袋除尘投加石灰脱硫方式。烟囱高180米。本文重点以聚光科技提供的CEMS-2000S系统为主要论述参考，车间现有两套聚光科技提供的CEMS-2000S系统。2套CEMS安装在烟道(锅炉与电除尘器之间）2套单独粉尘仪安装在预除入口，监测下列烟气参数：烟尘、SO2、O2、NOx、流量、湿度、温度、压力。测量出的浓度参数通过数据处理后能换算成以mg/Nm3为单位的输出。3、CEMS的技术分类烟气连续监测系统按取样方式的不同通常可分为三类：采样式烟气连续监测系统、在线式
5、烟气连续监测系统、遥感监测系统。3.1 采样式CEMS 采样式CEMS系统，从烟道中抽取样气送至远处进行调节和分析，分为直接采样法和稀释采样法。一套采样式烟气连续监测系统可带多套采样探头。直接采样法是经过过滤器去除烟尘，抽取烟气，由保温管或通过电加热式保温，保持烟气不结露，输至干燥装置除湿，把烟气温度冷却到5-40，然后送至分析装置、分析污染物气体浓度。这些过程中要用到阀、泵、冷却装置、加热管以及输送和调节气体所需的许多部件，对这些部件必须经常进行维护、保养、排除故障，定期更换探头的过滤器，防止管路漏气等等。在早期，这些问题的出现曾使用户感到气馁。如今这些问题得到较好的解决，直接抽取监测系统在
6、日本和我国都有应用。稀释采样法是通过空压机把洁净的零气送至稀释器，瞬间稀释并降低高浓度的烟气露点和温度，然后再分析其中污染物的浓度。同样要过滤烟气中的颗粒物，由于通常采取1:100的大比例稀释，抽烟气量少，探头过滤器的使用时间大大延长；烟气经稀释后温度达到正常运行允许的范围，而无须冷却。稀释抽取法的优点是能长距离的输送气体，实现远距离监测，维护、保养工作量小。此方法在美国应用十分广泛。3.2 在线式CEMS在线式CEMS系统又称横跨烟道烟气连续监测系统或现场监测系统，不抽取烟气，而是直接测量烟道中的烟气成分。分为两类：“点”和“线”系统14。“点”监测系统，由电化学或光电传感器组成，传感器安装
7、在探头的端部，插入烟道，测量离传感器仅几厘米范围内烟气中污染物的浓度。“线”监测系统，是使光通过烟气，利用烟气中被测污染物对光的吸收，进行测量。该系统又分单光束和双光束两种。单光束是由烟道一侧的发射装置发射光，通过烟道后被烟道另一侧的接收器接受。双光束是发射的光被烟道另一侧的反射镜反射回来，发射器同时又是接受器，它检测返回的光强。3.3 遥感监测系统遥感技术在自然灾害预报、气象、农业、勘探、生态环境监测等领域得到了广泛应用。在美国，遥感技术也应用于污染源排放物监测。遥感技术仅仅是向烟道发射光或感知烟道排放“热”分子的光辐射就能检测排放污染物的浓度。美国EPA已经制定了用激光测量烟气不透明度的参
8、比方法，但是由于既没有制定用遥感监测系统测量气体浓度的参比方法，也没有标准化的规范操作程序，因而遥感监测系统发展缓慢。4、CEMS系统的构成CEMS系统由气态污染物（SO2、O2、NOx，等）监测子系统、烟尘（颗粒物）监测子系统、烟气参数（流速、温度、压力、湿度）监测子系统以及数据采集与处理子系统构成。烟气连续监测系统的流程图如图1-2所示。一般来说，CEMS包括以下部分：图1-1 CEMS的结构组成图1-2 CEMS系统的流程图(1)气体采样系统：包括采样探头、探头控制器、管线及电缆等。(2)气体分析仪器SO2、NOx、CO2、CO等。(3)激光测尘仪。(4)流量计。(5)测氧系统（也可通过
9、测量CO2换算成过剩空气系数）。(6)稀释空气系统：包括空气净化装置、除水器、缓冲罐等。(7)校准系统：包括零气系统和各种标准气体SO2、NOx、O2气体钢瓶。(8)数据采集处理系统：包括计算机、打印机、数据采集处理和控制软件等。(9)仪器控制柜及其它必须的部件和材料。4.1 气态污染物监测子系统 气态污染物监测子系统采用稀释采样法，主要监测SO2、NOx等气体的浓度。图1-3为本系统采样状态的流程简图。图1-3 系统采样状态的流程简图4.1.1 SO2的连续监测方法SO2的连续监测方法主要有红外吸收法(NDIR法)、紫外吸收法(UV法)和紫外荧光法三种。(1) 红外吸收法：通过测量SO2对7
10、.3 m附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气中SO2的浓度。该方法抗水分、CO 、CO2的干扰能力较弱。(2) 紫外吸收法：通过SO2在280320nm附近的紫外光吸收原理进行测定。仪器维修容易，不易受气流量、水蒸汽、CO2的影响。(3) 紫外荧光法：通过一定波长的紫外光（214nm）照射到含有SO2的气样上，激发SO2产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的SO2浓度。紫外荧光法受芳香烃和水蒸汽的干扰，适用于芳香烃和水蒸汽干扰可以忽略或消除的场合，较适用于稀释采样法。本论文中对SO2的连续监测采用紫外吸收法。4.1.2 NOx的连续监测方法NOx的连续监测方法有红外吸收法、紫外吸收
11、法、脉冲荧光法和化学发光法四种。(1) 红外吸收法：通过测量NO对5.3 m附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气中NO浓度。NO2是通过还原转换器转换成NO再测量。抗水份、CO、 CO2、 SO2及有机物的干扰能力较弱。(2) 紫外吸收法：通过NO在195230nm附近或NO2在350450nm附近的紫外光吸收原理进行测定。仪器维修容易，不易受气流量、水蒸汽、CO2的影响。 (3) 脉冲荧光法：采用脉冲紫外光照射到含有NOx的气样上，激发NOx产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的NOx浓度。受芳香烃和水蒸汽的干扰，较适用于稀释采样法。(4) 化学发光法：测量NOx是NO和O2反应
12、产生激发态的NO2，激发态的NO2转为常态的NO2时，伴随着光子的发射，产生化学发光，测量发光强度即NO浓度。适用于共存的二氧化碳干扰可以忽略或消除的场合。本论文中对NOx的连续监测采用紫外吸收法。4.2 采样预处理系统 采样预处理系统由温度传感器、高温测量室、射流泵、氧化锆测量模块等器件组成。 CEMS2000S系统预处理的流程如图1-4所示。烟气经过高温采样探头和伴热管到达气体测量池（高温气体室），测量池放在加热盒中，这样就保证了采样过程中烟气处于高温状态，因此没有冷凝水析出，SO2、NOx等水溶性气体也就不会有损失，并且保证了设备没有酸性溶液的腐蚀和测量结果的准确性。通过前面板的温控表，
13、可以根据工况将采样探头，伴热管和加热盒设置在不同的温度。整个测量完成后，烟气通过排空管路排空。整个预处理采样通过高性能射流泵实现，射流泵无运动部件，可靠性高。 采样探头 伴热管线 仪表风 排空 调零标定标定 光纤图1-4 CEMS-2000S系统采样流程4.3 气体分析仪 气体分析仪主要由光源、光谱仪、接口板、和液晶显示模块等组成。主要实现SO2、O2、NOx、CO2、CO、O2浓度的测量和显示以及通讯功能。气体分析仪标定就是通过标准浓度的标气来校正仪器的偏差。本系统中有三种标定，即零点标定、量程1标定和量程2标定。如图1-5所示，零点标定是通入零气(本系统中用的是仪用空气)对SO2、NOx、
14、CO和O2的零点进行标定。量程1标定是通入标气(二氧化硫和氮氧化物的混和气)对分析仪进行定标，二氧化硫和氮氧化物的量程由其标气中的浓度决定，而一氧化碳和氧气在量程1标定时为0。量程1标定的系统流程图如图1-6所示。量程2标定是通入标气(一氧化碳和氧气的混和气)对分析仪进行定标，而一氧化碳和氧气的量程由其标气的浓度决定，同样二氧化硫和氮氧化物在量程2标定时为0。量程2标定的系统流程图如图1-7所示。图1-5 CEMS零点标定系统流程图1-6 CEMS量程1标定系统流程图图1-7 CEMS量程2标定系统流程图4.4烟气参数监测子系统为了计算标准状况下的烟气体积，需要测量烟道内的压力和温度；为计算总
15、的排放量，需要测量烟气的流量；因要换算为标准状态下的干基气体还必须测量烟气的湿度。烟气排放参数的连续监测项目主要包括烟气温度、烟气流量和压力、烟气含氧量。4.4.1 烟气温度的监测烟气温度的监测方法有铂电极法和红外线测温仪两种：(1) 铂电极法是将一根铂丝和另一根金属导线（冷端）连成一闭路，当两连接点处于不同的温度环境时，使热电耦金属端温度保持恒定，铂电极产生的热电势大小，便能反映烟气温度。(2)红外线测温仪的原理是当物体温度大于绝对零度时，物体因热运动发射红外线，红外辐射能量的大小取决于烟气温度。4.4.2 烟气流量和压力的监测烟气流量和压力的监测方法有热电耦流速计、超声波流量计、压差传感法
16、三种。(1) 热电偶流速计：烟气流过热电耦时，会带走热电耦的热量，带走热电耦的热量既与气流流速成比例，也与热电耦的电阻阻值变化成比例，通过测量热电耦的电阻阻值变化可求得烟气流量。(2) 超声波流量计：烟气气流流过已知距离的两个测点时，会产生能量落差，利用相关技术连续测量在两个测量点间产生能量落差的传输时间，由两点间的距离和时间可求得烟气流量。(3) 压差传感法：利用压力传感器、皮托管等测出烟气的动压和静压，动压和静压与被测烟气流量呈一定比例关系，从而可以计算烟气流量。4.4.3 含氧量的监测CEMS系统在计算排放物成份的真实含量时,为了防止用空气稀释烟道气，必须测量氧气(O2)的含量。对烟气含
17、氧量的监测方法有磁气式测氧法和氧化锆法两种：磁气式测氧法基于氧的顺磁性原理，即氧分子在磁界被磁化时产生吸引力的原理，在不考虑体积磁化大的气体（如NO、NO2）影响或可排除此影响的情况下可使用此法。氧化锆法利用极限电流的氧化锆传感器实时对气体中的氧进行分析，当氧化锆被加热时，由于氧离子在氧化锆晶体结构中的迁移作用，使氧化锆体变成导电体，气体中氧浓度的不同使这种迁移作用产生的电流不同。4.5 数据采集与处理子系统 数据采集与处理子系统由集线箱、上位机、监测软件、企业DCS联网单元、数据远传单元等构成。 集线箱安装在户外的平台上，平台上所有的设备均有集线箱进行供电，同时集线箱接受所有设备的输出信号，
18、通过内部的处理单元转换为工业现场经常使用的RS485协议传输到上位机。通过安装在上位机上的在线监控软件监控查询所有的测量信息和仪表工作状态信息。上位机软件可以同时生成国家环保部门要求的数据通过数据远传单元(GPRS、Internet等）传送到环保行政主管部门，上位机也可以连接到DCS联网单元与企业内部的DCS联网。5、车间技术要求5.1 设备名称 烟气排放连续自动监测系统（简称CEMS）。5.2 安装位置及监测项目 烟道上两套(锅炉与电除尘器之间，监测项目：烟尘、SO2、O2、NOx、流量、湿度、温度、压力）。5.3 安装数量 二套分析仪器及系统CEMS-2000s,独立激光粉尘仪2套。5.4
19、 设计参数 烟气SO2：3000/100mg/Nm3 烟气NOx：3000/500mg/Nm3 烟气烟尘：20000/50mg/Nm3 空预器出口烟气流量：346618Nm3/h 烟气湿度：10% 烟气温度（空预器出口）：约140 烟囱入口烟气压力：1000-1200Pa5.5 仪表的输出单位 SO2、NOX、烟尘浓度单位必须具有“mg/Nm3”和“PPM” 烟气含氧量、湿度以“%”计。5.7 CEMS分析仪器应有的基本功能： (1)量程自动切换 (2)全程伴热，无需制冷除水装置 (3)仪器异常报警 (4)电源故障、系统故障、系统状态信号输出 (5)数据存储和处理 (6)定时自动校准(包括零度
20、和跨度校准) (7)能在线手动和自动标定 (8)自动反吹 (9)符合国际标准的数值信号通讯接口5.8 规范及标准 GB30951996 大气环境质量标准 GB13223-2003 火电厂大气污染物排放标准 HJ/T75-2007 火电厂烟气排放连续监测技术规范 HJ/T76-2007 固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法 CJ/T1182002 城市生活垃圾焚烧炉技术规范 GB16297-1996 大气污染物综合排放标准 GB/T16157-1996 固体污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法 GB9078-1996 工业炉窑大气污染物综合排放标准 GB 3095-1996 环境空气质量标准 GB12519-1990 分析仪器通用技术条件5、结语 本论文充分论述烟气连续监测系统在热电厂中的应用情况，结合现场实际，介绍了热电厂中广泛使用的烟气取样装置、气样预处理系统、气态测量以及污染物计量装置等关键部分。并简要总结了热电三车间选用CEMS系统时提出的技术要求。车间选用由聚光科技提供的CEMS-2000S系统符合现场实际要求，为车间环保工作的正常开展提供有力的保证。同时CEMS系统普遍存在维护难度大，测量数据不精确等问题，在将来的生产运行中还需要完善维护制度，优化系统配置，为燃煤电厂进一步实现达标排放创造条件。
