火电厂CEMS烟气连续监测系统

火力发电厂是排放SO2的主要排放源。20世纪70年代一些发达国家就开始对烟气排放的二氧化硫、氮氧化物进行监测。烟尘分析对于电厂烟气排放也是火电厂一个主要指标。烟气连续监测系统(简称CEMS)是为烟气排放污染物连续监测而专门设计的在线监测系统。下面以西克麦哈克(北京)仪器有限公司的SMC-9021成套在线烟气分析仪为例介绍一下CEMS在火电厂的应用。

1　系统构成

该系统由SO2/O2/NOX分析仪、烟尘仪、流量计、压力变送器、湿度/湿度计及数据处理单元(DAS)组成(见图1)。

1　气态污染物监测系统

气态污染物监测系统有3种技术方法:直接抽取法、稀释取样法和现场安装型。

1.1　直接测量取样法是把分析部件直接安装在烟道上,结构简单,无须管线,采用差分吸收法测量,即将一束光直接照射在烟道气体中,利用分子的吸收光谱测量若干波长上的吸收,根据这些波长上分子吸收系数的差来确定吸收分子的含量。由于采用多个波长来确定一种分子的浓度,所以具有较强的抗干扰性。其主要缺点是仪器工作环境恶劣,维修不便,仪器光源使用寿命较短,维护成本较高,同时差分吸收无法实现在线校准,测量精度低,难以长期连续工作。

1.2　稀释取样法是将除尘后的取样烟气用大量的干燥纯净空气按一定比例稀释(100～250倍)后,使样气的露点温度远低于室温(一般达到-30℃以下),再送至微量分析仪进行分析,分析结果乘以稀释比,得到检测值。稀释法通过采用临界孔技术保证稀释比。所谓临界孔指:当临界孔两端的压力比达到0.53以上时,流体经过临界孔的流速被限制在声速,因此流体流过临界孔的流量是恒定值。很容易保证稀释气的压力恒定,即稀释气的流速亦是一个恒定值,所以样气的稀释比是一个恒定值。

稀释法的主要优点是:

①样气经大比例稀释后降低了烟气露点,传输管道不会出现结露和堵管现象,防止了烟气中的水汽凝结造成溶解性污染物的成分损失;

②杜绝了由于酸性凝结水腐蚀管道引起的故障,提高了系统的运行可靠性;

③烟气抽取量小(典型值50mL/min),延长了过滤器使用寿命,仪器维护量小;

④不需要烟气预处理装置,简化了操作环节;

⑤适用于各种场合。

稀释法的主要缺点是:

①样气中未除去水分,为湿法测量,结果需修正;

②需用微量分析仪,精度要求高,降低灵敏度,误差增大;

③需要空气净化装置,提高了成本,增大了维护量;

④系统价格较高。

1.3直接抽取法(加热管线法)是通过加热管对抽取的已除尘的烟气进行保温,保持烟气不结露,经细除尘干燥装置冷凝除湿预处理装置后再送至分析仪。直接抽取法由于存在脱水过程,对烟气中浓度较低且易溶于水的HCl、NH3、H3S等成分无法测量,因此不能用于垃圾焚烧发电厂的烟气监测中。若将高温高湿的烟气送入仪器中进行分析,则对分析仪的要求很高,整套系统价格昂贵,多应用于多成分、低浓度、易溶于水的气态污染物测量。直接抽取法适用于烟气除尘效果好的场合,主要优点是:

①样气中去除了水分,为干气测量;

②用常量分析仪监测,精度可靠;

③无需稀释气,维修费用低;

④一台气体分析仪可进行多种污染物监测,成本低;

⑤系统价格适中。

直接抽取法的主要缺点是:

①需要电(或汽)伴热;

②需要采样泵和预处理装置。

对于电厂的脱硫系统过程控制和环境监测,高温处理的直接抽取法是最适合的方法。这种方法的优点是维护方便、校准简单、测量准确。SMC-9021就是这种测量方式。SMC系统采用高温取样,高温输气和快速制冷脱水的方法,保证测量结果的准确性。高温取样探头包括进入烟囱/烟道中的取样管和在烟囱/烟道外的取样过滤器及其恒温控制器。但取样探头的取样管直径较小故长时间连续运行后易发生硫化物结晶、石膏、粉尘等的堵塞现象故需定期反吹和疏通,见采样探头示意图。

图2采样探头示意图

从烟囱/烟道中通过取样探头抽出的样气通过加热取样管线到达气体分析系统。取样管线为自限热加热管线和聚四氟乙烯取样管及反吹管集成的复合管线,利用加热材料的居里点进行控温。取样管线是电伴热的。

系统的预处理包括压缩机制冷器、采样泵、取样/校准/反吹电磁阀组、蠕动泵、耐精过滤器和流量控制器等。压缩机制冷器起到降温效果,SMC-9021采用两级制冷,第一级将温度从140℃降至室温,随后经过泵输入到第二级制冷器把温度降到4℃±011℃。双级除湿,温控精度高,双级除湿效率也较好,整个过程的时间小于5s。因此,把SO2的损失控制在最小。使用双级蠕动泵排冷凝水,将冷凝水收集在储液罐中,储液罐需定期排掉冷凝水。

系统的SO2/O2/NOX分析仪为德国SICKS710多组分气体分析仪,其中SO2、NOX、选用UONR多组分红外分析仪进行分析;NO2通过转换炉变成NO,由NO分析器测出NOX;O2气选用OXOR-P磁力机械式氧气分析器进行分析。该分析仪检出下限为10mg/m3,零点漂移&le;&plusmn;1%最小量程/周,全幅漂移&le;&plusmn;1%满量程/周,响应时间:<5s,线性度:&le;&plusmn;2%,具有自动校准功能(校准周期可设定),校准周期一般规定为1周。

系统还配备温度报警、压力报警和湿度报警。对高温取样的状态、取样过滤器的堵塞和冷凝情况进行监控,与取样泵连锁,保证系统取样的准确和仪器工作的可靠性。

2　烟尘测定仪

CEMS包括在线烟尘监测仪。在线烟尘监测仪用得最多的是光学方法。其原理分浊度法测量和激光散射法测量两种。浊度法(透射法,对穿法)是指光通过含有烟尘的烟气时,光强因烟尘的吸收和散射作用而减弱,通过测定光束通过烟气前后的光强比值来定量烟尘浓度。浊度法的主要优点是:技术成熟,结果可靠,价格适中,目前国内使用数量较多。浊度法的主要缺点是:需双端安装,进行光路对中,安装及维护稍有不便,发射端及接收端都需要洁净空气保护。FW300设计中对光路采用两种方案,大烟囱采用单光路单光程,小烟囱采用单光路双光程,使量程和精度得到了兼顾。同时在软件设计中引入了消光值差的概念,使灵敏度又提高了10倍。即0mg/m3～100mg/m3的测量范围的灵敏度提高到0mg/m3～10mg/m3。FW300配备了具有无故障连续工作的特点的2BH13型鼓风机,与清洗连接部件一起使烟气减少对仪器的污染。

3　气体流速仪

气体流速测量有3种方法:热差法、压差法和超声波方法。

3.1　热差法是指烟气通过热传感器时,带走的热量与烟气流速和热传感器的电阻阻值变化成比例,通过测量热传感器的电阻阻值变化可求得烟气流速,热传感法适宜于便携式测量。

3.2　压差法利用压差传感器、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速成一定的比例关系,从而可定量烟气流速。皮托管差压法为常用方法,但皮托管差压法使用在测量带有大量石膏浆液颗粒的烟气时容易发生取样管堵塞,需加强反吹和疏通。

3.3　超声波法通过超声波顺着烟气流向和逆着烟气流向通过已知距离的两个点时,其传输时间不同,连续测定传输时间差可实现烟气流速的连续监测。采用超声波方法进行气体流速测量效果最好。FLOWSIC100UHASSTi超声波型流量计。测量过程为非接触式,具有较高的测量精度,并可以进行烟气的温度测量。两套超声波的发射器/接收器成直线安装在烟道中,与烟气流向成一定的夹角a,声波的传输时间随气体的流向变化:在与气流方向相同的方向上,传播时间Tv被缩短;在与气流方向相反方向上,传播时间Tr被延长。声波的传输时间随气体的流向变化;气体流速计算公式为:

设烟道横截面积为A,烟气体积流量为:

Q=3600&times;Vm&times;A

其中:Vm&mdash;&mdash;测定烟道断面的烟气平均流速;

L&mdash;&mdash;超声波在烟道中的传播路径;

a&mdash;&mdash;烟道中心线与超声波的传播路径的夹角;

Tv&mdash;&mdash;声波顺气流方向在烟道中的传播时间;

Tr&mdash;&mdash;声波逆气流方向在烟道中的传播时间。

FLOWSIC100UHASSTi超声波型流量计是通过测量超声波在烟气中顺流和逆流行进的时间差来计算烟气流速,与环境温度、压力及气体的具体成分没有关系,测量精度高。而且,测量所得是烟道横截面的平均流速,代表性很强。超声波发送器用钛制造,探头用SS316制造,耐腐蚀性很好。系统不需要进行反吹,操作简单。

4　湿度测量

湿度测量采用的是一种高温应用的湿度传感器HMP235,该系列湿度连续监测仪采用电容型传感器,湿度变化引起电容解质介电常数的变化,因而使电容量发生变化,通过测量电容就可以测量湿度。芬兰VAISALA公司生产的HMP235A型高温电容法湿度计,有温度校准,精度高,但考虑到电厂的工况稳定,烟气含水量变化不大,采用短时测量取平均值输入做湿度校准计算。这样可以防止湿度计的意外损坏,延长仪器使用寿命。其外形图如下:

图3湿度仪外形

5　数据采集系统

系统采用SMC-900型数据采集系统。该采集系统是以数据采集/控制仪为基础建立的,它是以工控机为主体设计的,具有强大的硬件和软件功能。软件主要功能有:使用含氧量计算折算浓度、使用湿度计算干气浓度、使用温度,压力计算标态浓度、计算总排放量、形成实时报表、自动生成日报表,月报表,年报表、记录故障事件、故障报警:声,光、缺失数据的处理、记录校准报告、通过数据通讯终端向上位机传送数据和报表,数据处理和表格形式符合HJ/T76-2001的规定。对气体分析系统的反吹,校准进行控制。对探头堵塞,加热输气管温度,气体湿度进行连锁控制。显示CEMS的流程图,帮助运行维护人员了解系统运行情形。形成趋势图,棒图、实现无线通信等。