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烟气在线监测系统应用及常见问题

1 引言

我国环保部门曾经在十五计划中明确指出,要将加强污染源的在线检测工作作为未来几年工作的重中之重,同时号召全国一线城市中区域污染负荷高达60%以上的工业企业必须安装水质和烟气在线检测设备,在全国范围内实现污染源科学化、网络化管理。近几年,环境污染问题变得越来越严重,国家对环境监测的建设投入逐渐加大,同时环境自动监测技术也日益成熟,烟气在线监测系统在全国得到了越来越广泛的应用。烟气在线监测系统获取的连续、大量、完整的基础数据,为政府和决策部门提供了及时、全面的烟气排放信息。

2 烟气在线监测系统概述

烟气在线监测系统也称为烟气自动监测系统、烟气排放连续监测系统,是对向大气中排放颗粒物或者气态污染物等污染源的浓度和排放总量进行连续检测的高科技设备,同时将系统实时检测到的各种信息及时传输给有关部门,便于上级领导对整个地区的环境污染情况有宏观的了解。烟气在线监测系统主要由以下几个部分组成:烟气参数监测子系统、颗粒物监测子系统、数据采集处理与通讯子系统以及气态污染物监测子系统等组成,下面分别对这几个系统作简单的讲解。

首先,烟气参数监测子系统是用来对烟气的含氧量、流速以及温度等指标进行准确的测量,并根据测量值,计算烟气的排放总量和浓度,估算烟气等污染源对大气可能造成的危害。

其次,颗粒物监测子系统主要是对烟尘等颗粒物进行准确的监测。

再次,数据采集处理与通讯子系统是由计算机系统和数据采集器两个部分组成,这个系统在正常运行的过程中,可以对参数进行实时采集,同时还可以根据各个污染源排放量和浓度值所对应的折算浓度、湿基以及干基等,生成污染源在不同时间的排放数量,此外,这个系统还可以及时补偿丢失的数据,将其及时传送到主机中。

最后,气态污染物监测子系统相对于其他监测系统而言,监测对象的种类比较多,但是主要监测的污染物是氮氧化物、二氧化硫等气态污染源。

3 烟气在线监测系统应用现状

3.1 国外烟气在线监测系统的应用现状

国外的燃煤电站和化工厂等化工企业从五六十年代开始,就已经开始在烟囱上安置CEMS系统来完成污染物排放源的在线监测任务。国外生产CEMS的厂家主要集中在英国、美国、德国和日本,使用的标准为美国的EPA标准,这一标准是美国环境保护署于1971年制定的,全称为“新能源执行标准”(New Source Performance Standard)。标准中规定了CEMS采样点位置必须设置在烟囱1/3高度处,由于此高度烟道气均匀性和稳定性好,方便监测到真实的、有代表性的数据,同时此处设有作业平台,方便安装和日常维护。由于EPA标准中要求采样探头必须安装在烟囱上,这就导致下管路较长,因此美国大部分的烟气排放连续监测系统(CEMS)都是以稀释采样法为主,而日本和德国生产的烟气排放连续监测系统(CEMS)多为直接抽取法。在美国制定的和烟气在线监测系统有关的规章制度中,根据污染源的不同种类制定了针对性、科学的监测计划,并采取电子审核、现场屯核等措施,来达到提高烟气在线监测系统监测质量的目的。

3.2 国内烟气在线监测系统的应用现状

通过调查研究,我国的能源结构中,煤炭的数量高达75%左右,而在煤炭中,含硫量也比较高,达到5%左右。在火电厂中,主要的燃料就是天然气、石油、煤炭等通过燃烧可以产生电能的物质,是烟气污染物的主要排放源头之一。近几年,环境问题凸显,各地雾霾天气出现频率越来越高,工业的迅速发展对环境造成了严重影响,同时人们的日常生活和身体健康也遭受着威胁。这就要求火电技术必须不断提高,政府不断加强对各种污染物排放源的检测和管理,火电厂才能更适应和谐社会的要求。

从70年代开始,我国首先在冶金系统方面引进国外烟气排放连续监测系统,也是在这个时期,我国开始逐渐认识到传统的污染物监测方法已经不能满足我国发展的需要,迫切需要一种比手工采样更方便、更快捷的方法,来对烟气中的污染物进行准确、科学的监测。80年代后,我国电力行业也引进了烟气排放连续监测系统(CEMS),如上海石洞口二厂、浙江北企、山东石横等。1986年广东从日本引进了首台火电厂烟气连续监测系统。由于我国引进机组配置的烟气测量平台没有设计专用电梯,且装置在数十米高烟囱上的CEMS缺少日常维护,大部分CEMS运行状况不佳,没有达到应有的使用效果。据调查资料显示:在调查的36家火电厂中,安装全套的CEMS装置的有23家,正常运营的仅有6家,占总投运数的26.1%,另有1/3间断运行,1/3根本无法运行。

20世纪后期,我国也跟上时代发展的脚步,开始加大对烟气在线监测系统的研究力度,尝试生产烟气在线监测系统。与此同时,我国开始制定和颁布和烟气在线监测系统有关的规章制度、法律法规等,如《火电厂大气污染物排放标准》《火电厂大气污染物排放标准》等。在此背景下,国内涌现出上海发电设备成套设计研究院、中绿环保技术有限公司、南京国电环保设备有限公司等一批具有烟气在线监测系统研制和生产能力的机构、企业,投入了大量的人力、物力和财力,对烟气在线监测系统进行长期的研究和生产尝试,不断生产出全新的烟气在线监测系统,并且获得了自主知识产权,这在很大程度上推动了烟气在线监测系统在我国的生产和推广应用。

到20世纪末时,以差分吸收光谱方法、紫外荧光法、吸收法以及电位电解法等可以有效测量烟气中污染物的高科技仪器不断被研发成功,并在一定程度上实现了仪器的产业化。目前,我国虽然在CEMS的使用细节上与欧美国家存在一定的差距,但是CEMS分析技术并不比发达国家落后。但是在使用烟气在线监测系统对烟气中的有害物质进行检测时,仍然还存在一些严重的问题,尤其是在人机交互界面方面,我国的技术仍然不够完善,依赖国外进口仪器的情况比较严重。我国环保部门曾经在2008年颁布了《污染源自动监控设施运行管理办法》等法律文件,在这些文件中,极大的完善了烟气在线监测系统管理和运行方面的要求。2010年初,国内安装的烟气在线监测系统已经达到上万套,一线城市的政府部门正在大力号召企业应用烟气在线监测系统,90%的国控重点污染源正式安装了烟气在线监测系统。同时以上海市为例,我国开始在国内一线发达城市创办烟气在线监测系统试点工程,以试点的过程和结果为基础,上海市在2007年开始全面推进烟气在线监测系统的推广和应用。2009年初,我国为了更好的监控火电厂等国控重点污染源的有害烟气排放情况,尝试在烟囱旁边正式安装烟气在线监测系统,尽量避免有害物质从烟囱向大气中排放。据不完全统计,到2014年年底,仅上海市,就已经正式安装了500套左右的烟气在线监测系统,其中,75%的烟气在线监测设备运行效果较好,日常数据的审核工作也在顺利开展。

4 烟气在线监测系统存在的问题及解决方法

4.1 采样管路发现液态水

如果系统采样管路中出现了超过固定数量的液态水,系统中的湿度报警装置就会自动报警,与此同时,采样泵的工作也会停止,虽然造成的影响较大,但是在烟气在线监测系统中安装湿度报警器很有必要。因为如果不安装湿度报警器,就很难发现系统采样管路中是否存在数量过多的液态水,一段时间之后,采样泵就不能正常开机,无法工作,气体分析仪等其他部件也会逐渐被腐蚀,在很大程度上影响了烟气在线监测系统工作的科学性和准确性,所以安装湿度报警器具有非常重要的意义。

4.2 取样管路吹扫时数据无法保持

在烟气在线监测系统中,二氧化硫的含量也参与到脱硫系统的自动调节工作中,所以当烟气在线监测系统中取样管路吹扫时,系统检测到的数据就会出现很大的变化,从而影响到脱硫系统的自动调节。如果使用半干法进行脱硫工作,脱硫率仍然会在取样管路吹扫时发生较大的变化,并且,由于脱硫塔中喷入的消石灰量是以烟气中二氧化硫含量的计算结果为基础,所以在烟气在线监测系统取样管路进行吹扫时,由于二氧化硫含量计算结果不准确,所以消石灰量也不正确,这就在很大程度上影响到实际的脱硫率。在实际工作过程中,如果要想得到准确的脱硫率,就要在烟气在线监测系统取样管路吹扫之前,就退出消石灰的给定自动。但是由于烟气在线监测系统的取样管路吹扫频率为每两个小时一次,所以需要退出消石灰给定自动操作会比较频繁,为了有效解决这个问题,可以在烟气在线监测系统取样管路吹扫时,将吹扫指令交给可编程逻辑控制器发出,同时在集中控制室的分散控制系统中引入该指令,使分散控制逻辑中回路,从而达到数据自保持的目的。

4.3 伴热控制回路不合理

一般情况下,脱硫主要有两种方法:湿法脱硫和干法脱硫。其中,湿法脱硫是在烟囱和引风机之间正式安装一个脱硫塔,以喷淋的形式在脱硫塔中加入石灰石浆液,而干法脱硫是在除尘装置含有烟气之前,就在烟气中加入石灰、石粉,从而达到脱硫的效果。这两种方法都会造成脱硫之后,水分较多且烟气温度非常低,从而导致烟气取样管路发生结露,造成测量值不准确。此外,半干法进行脱硫时,由于烟尘的含量较大,遇到水分之后就很容易导致取样管路发生堵塞,所以这几种方法都不可取,目前,为了解决这些问题,达到较好的脱硫效果,可以采取取样管路增加伴热的方法。伴热主要有电伴热管、电拌热带伴热以及蒸汽伴热等三种方式。由于烟气在线监测系统中,烟气取样管的伴热主要使用电伴热管持续加热的方法,所以要对温度进行合理的控制,将120摄氏度作为是否启动伴热的关键因素,但是为了维持120摄氏度,就会使温度一直在120摄氏度周围发生较大的变化,使固态继电器需要频繁的操作,导致固态继电器容易发生损坏,从而造成严重的后果。后果主要分为两种情况:其一,由于烟气中的结露水汽、取样管路不能加热以及固态继电器无法闭合等原因导致管路被腐蚀、测量结果不准确等,甚至造成管路堵塞的情况。其二,取样管路持续加热以及固态继电器无法断开导致伴热烧坏。如果出现了这两种情况,就必须重新更换取样管路,给企业带来了严重的经济损失。所以必须对烟气取样管的伴热控制回路进行优化改造,将120摄氏度单点控制改为两点控制:当温度高于120摄氏度时,停止加热;当温度在100摄氏度以下时,开始加热。

4.4 采样系统堵塞

烟气在线监测系统中的采样系统主要包括三级精密过滤器、冷凝器、伴热管线、二级精密过滤器以及采样探头等组成部分,一旦采样系统发生堵塞,就会导致采样的流量比较低,后果比较严重。有关部门在发现采样系统堵塞时,首先要确定堵塞的具体部位,可采用以下方法:由于伴热管线和采样探头通常都是在烟囱或者烟道等距离地面较高的地方,检查不方便,所以可以先对分析机柜内部的三级精密过滤器、二级精密过滤器以及冷凝器等进行仔细的检查。但是要求对机柜内部检查的人员具有较高的专业素质,必须要熟悉采样系统,确保排查结果准确。

4.5 气体分析仪发生故障

通常情况下,气体分析仪发生故障主要分为两种情况:量程和零点的频繁变动导致线性误差较大、气体室受到污染。首先,量程和零点的频繁变动导致线性误差较大,主要原因在于烟气在线监测系统仪表的供应商有很多,不同的供应商在设计气体分析仪时会具有不同的特点,所以要想准确判断故障发生的位置和原因比较困难。所以在排查时,要先确定气体分析仪显示面板是否提示故障报警,根据报警信息来确定故障发生的位置。同时由于气体分析仪设计原理主要是光学测量原理,所以还要对光源进行检查,确定是否因其老化而引起的故障,但是要严格按照仪器说明书检查,如果检查结果表明光源过弱或者过强,就要及时更换光源。排除这些原因之后,还要对检测器进行检查,确定其是否正常工作,但要注意检测器的检查比较困难,要求检测人员的业务素质较好,所以必要时可以联系生产厂家进行仔细的检查。其次,气体室是否收到污染直接会影响到光学镜面是否可以正常使用,如果预处理系统存在先天缺陷或者无法正常工作而导致灰尘、水汽进入气体室,就会严重影响测量结果的科学性和准确性,要解决这个问题,首先要用干净的水对气体室进行全面的清洗,然后使用压缩空气进行吹干。

4.6 冷凝器发生故障

由于气体冷凝器是烟气在线监测系统中预处理系统的核心部件,种类比较多,但是无论是电子冷凝器还是压缩机式冷凝器,企业在选择时,考虑的重点因素就是冷凝器的使用质量。一般情况下,冷凝器故障的发生原因主要有两种情况:其一,由于使用时间过长,导致冷凝器发生堵塞,在处理时,可取出冷凝罐,进行仔细的清洗。其二,由于冷凝器的温度没有达到事先规定的温度,从而发生故障,这种情况通常是由于温控装置和电源装置运行错误而导致。

5 结束语

国家在十年内将投入2万个亿对环境进行监控治理,其中用于分析监测装备不少于l0%,目前已经开始的烟囱烟气排放监控治理试点工作将在全国全面发展。并且随着中国经济的飞速发展和人们环保意识的增强,能源短缺和由于工业发展带来的生态环境的破坏成为了亟待解决的矛盾,受到社会各界的普遍关注。为解决这一矛盾,政府提出了“节能减排”的方针措施。烟气在线监测系统提供了监测烟气中污染物的简便、有效的方法,在烟气节能减排中是不可缺少的环保设备。希望在今后的发展中,烟气在线监测系统将拥有更有广阔的发展空间。


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