1引言

自《煤電(dian)節能(neng)減排(pai)升級與改(gai)(gai)造行(xing)動計劃(2014-2020年)》(發(fa)(fa)改(gai)(gai)能(neng)源[2014]2093號)發(fa)(fa)布后，國(guo)家出臺了一系列文件、措施和鼓勵性政(zheng)策支(zhi)持(chi)火電(dian)廠(chang)實施超低排(pai)放(fang)(fang)改(gai)(gai)造，并(bing)在東部地(di)區進行(xing)了試點。經過(guo)試點后，“十三(san)五”期間將在全國(guo)范圍內實施火電(dian)廠(chang)超低排(pai)放(fang)(fang)改(gai)(gai)造，改(gai)(gai)造后煙氣排(pai)放(fang)(fang)限值執行(xing)標準(zhun)為煙塵(chen)10mg/m3、二氧(yang)化(hua)硫35 mg/m3、氮氧(yang)化(hua)物50 mg/m3。

火電廠實施超低排放改(gai)造(zao)后，煙(yan)氣(qi)污染物(wu)濃(nong)度大幅降(jiang)低，煙(yan)氣(qi)水分含量增大，煙(yan)氣(qi)特(te)性發生了(le)(le)較大改(gai)變，對(dui)(dui)污染物(wu)在線監(jian)測(ce)的(de)(de)精確性提(ti)出(chu)了(le)(le)更高要求。因此，在現階段總(zong)結超低排放試點電廠煙(yan)氣(qi)在線監(jian)測(ce)系統()的(de)(de)運行情(qing)況，分析對(dui)(dui)比各種煙(yan)氣(qi)監(jian)測(ce)技術的(de)(de)性能特(te)點，對(dui)(dui)于“十三五”火電廠超低排放改(gai)造(zao)中CEMS的(de)(de)選型(xing)具有(you)積極作(zuo)用。

2 火電廠煙氣在(zai)線(xian)監測技術現狀

2.1 非分散紅外/紫外吸收(shou)法SO2和NOX監測技(ji)術

“十(shi)一五”和“十(shi)二五”期間，國內在脫硫(liu)和脫硝上應(ying)用最為廣泛的是(shi)非分散紅外(wai)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)法(fa)監測技(ji)術，有少部分紫外(wai)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)技(ji)術。這類技(ji)術是(shi)基于朗伯(bo)-比爾(er)(Lambert-Beer)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)定(ding)律的光(guang)譜吸(xi)(xi)收(shou)(shou)技(ji)術，其基本(ben)分析(xi)原(yuan)理是(shi)：當光(guang)通過待(dai)測氣體(ti)時(shi)，氣體(ti)分子會吸(xi)(xi)收(shou)(shou)特(te)定(ding)波長的光(guang)，可通過測定(ding)光(guang)被介質吸(xi)(xi)收(shou)(shou)的輻射強度計算(suan)出氣體(ti)濃度。即：

式中(zhong)：I—光被介質吸收后的輻射強度;

I0—光通(tong)過介質(zhi)前(qian)的輻射強度;

K—待分析組分對輻射(she)波段的吸收系數;

C—待分析組分的(de)氣體(ti)濃度;

L—氣室長度(du)(du)(待測氣體層的厚度(du)(du))。

2.2 紫外熒光法(fa)SO2監測(ce)技術

紫(zi)外(wai)熒光(guang)法基于分(fen)子發(fa)(fa)光(guang)技術，在(zai)一(yi)定條件(jian)下(xia)，SO2氣(qi)體分(fen)子吸收波(bo)(bo)長為(wei)190～230nm紫(zi)外(wai)線能量(liang)成為(wei)激(ji)發(fa)(fa)態分(fen)子，激(ji)發(fa)(fa)態的SO2分(fen)子不穩定，瞬間(jian)返回基態，發(fa)(fa)射出(chu)波(bo)(bo)長為(wei)330 nm的特(te)征熒光(guang)。在(zai)濃度(du)(du)(du)較低時(shi)，特(te)征熒光(guang)的強(qiang)度(du)(du)(du)與(yu)SO2濃度(du)(du)(du)成線性關系(xi)，即可(ke)通過檢測熒光(guang)強(qiang)度(du)(du)(du)計(ji)算SO2濃度(du)(du)(du)。

2.3 化學發光法(fa)NOX監測技術

化(hua)學發(fa)(fa)光法是在一(yi)定條(tiao)件下，NO與過量的O3發(fa)(fa)生(sheng)反應，產生(sheng)激發(fa)(fa)態的NO2。激發(fa)(fa)態NO2返(fan)回(hui)基態時，會產生(sheng)波長為900nm的近紅外熒光。在濃度(du)(du)(du)較低情況(kuang)下，NO與O3充分反應發(fa)(fa)出的光強度(du)(du)(du)與NO濃度(du)(du)(du)成線性關系，即(ji)可通過檢測化(hua)學發(fa)(fa)光強度(du)(du)(du)計算NO濃度(du)(du)(du)。

2.4 煙(yan)塵監(jian)測技術

2.4.1 光透(tou)射(she)法(fa)煙塵監測技術

光(guang)(guang)(guang)透(tou)(tou)射法技(ji)術(shu)基于(yu)朗伯-比爾定律，即(ji)光(guang)(guang)(guang)穿過含塵煙氣(qi)時透(tou)(tou)過率與煙塵濃度(du)呈指(zhi)數(shu)下降關系。在(zai)實際應(ying)用中有單(dan)光(guang)(guang)(guang)程和雙光(guang)(guang)(guang)程兩種類型的儀(yi)器，光(guang)(guang)(guang)透(tou)(tou)射法的準確性受(shou)顆粒(li)物粒(li)徑分布影響較大(da)，且靈敏度(du)不(bu)高(gao)，一(yi)般用于(yu)煙塵濃度(du)高(gao)(大(da)于(yu)300mg/m3)、煙道直徑大(da)且煙氣(qi)濕度(du)低的工況。

2.4.2 光散射法(fa)煙塵(chen)監測技(ji)術

光(guang)(guang)(guang)照射(she)(she)在(zai)(zai)煙(yan)(yan)塵(chen)(chen)上(shang)時會被煙(yan)(yan)塵(chen)(chen)吸(xi)收和散(san)射(she)(she)，散(san)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)偏離光(guang)(guang)(guang)入射(she)(she)的路徑(jing)(jing)，散(san)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)強度與煙(yan)(yan)塵(chen)(chen)粒徑(jing)(jing)和入射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)波長有關，光(guang)(guang)(guang)散(san)射(she)(she)法就是采用(yong)測量散(san)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)強度來監測煙(yan)(yan)塵(chen)(chen)濃度的。在(zai)(zai)實(shi)際應用(yong)中(zhong)有前(qian)向(xiang)散(san)射(she)(she)、后向(xiang)散(san)射(she)(she)和邊向(xiang)散(san)射(she)(she)三(san)種類型。該(gai)(gai)技術(shu)靈敏度高，能(neng)夠測量低(di)至0.1mg/m3的煙(yan)(yan)塵(chen)(chen)濃度，最低(di)量程(cheng)可(ke)達到0-5mg/m3，適用(yong)于(yu)煙(yan)(yan)塵(chen)(chen)濃度低(di)、煙(yan)(yan)道直徑(jing)(jing)小(xiao)的情況。但該(gai)(gai)技術(shu)同(tong)樣容易受水汽影響，不適宜煙(yan)(yan)氣濕度高的工況。

2.4.3電荷法煙塵監(jian)測技術

所有(you)(you)煙塵(chen)(chen)顆(ke)(ke)粒(li)均帶有(you)(you)電(dian)荷(he)，顆(ke)(ke)粒(li)物接觸或(huo)(huo)摩擦(ca)時將產生電(dian)荷(he)交換，電(dian)荷(he)法就是用(yong)電(dian)絕緣傳感探(tan)針測(ce)量(liang)探(tan)頭和(he)附近氣(qi)流或(huo)(huo)直接與探(tan)頭碰撞(zhuang)的顆(ke)(ke)粒(li)物之(zhi)間的電(dian)荷(he)交換來測(ce)量(liang)煙塵(chen)(chen)濃度的。該技術除受煙塵(chen)(chen)粒(li)徑變化、組分變化和(he)煙氣(qi)濕度影(ying)響外，還受煙氣(qi)流速影(ying)響，主要用(yong)于布(bu)袋除塵(chen)(chen)的泄漏檢測(ce)和(he)報警等定(ding)性測(ce)量(liang)，少在CEMS中應(ying)用(yong)[1]。

2.4.4 β射線吸(xi)收(shou)法煙塵(chen)監測技術

β射線(xian)具(ju)有一(yi)定穿(chuan)透(tou)力(li)，當它穿(chuan)過(guo)一(yi)定厚度(du)(du)的(de)(de)吸收物質時(shi)，其強度(du)(du)隨吸收物質厚度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)加逐漸減弱(ruo)，通過(guo)測量穿(chuan)過(guo)物質前后的(de)(de)β射線(xian)強度(du)(du)，即可得(de)出吸收物質的(de)(de)濃度(du)(du)。

式中：I—通過吸收物質后的射線強度;

I0—未通過(guo)吸收物質的射線(xian)強度(du);

μ—待測吸(xi)收物質對射(she)線的質量吸(xi)收系數;

x—待測(ce)吸收(shou)物質(zhi)的質(zhi)量(liang)濃度。

該技術基于(yu)抽(chou)取式(shi)測(ce)量方式(shi)，不受煙塵粒(li)徑(jing)分布、折(zhe)射系數、組分變化、煙氣(qi)濕度(du)(du)等影(ying)響，可(ke)用于(yu)煙塵濃(nong)度(du)(du)低、煙氣(qi)濕度(du)(du)大的(de)工(gong)況。但抽(chou)取式(shi)測(ce)量屬(shu)于(yu)點測(ce)量，不適合煙氣(qi)流速變化大、煙塵濃(nong)度(du)(du)分層的(de)場所。

2.5 煙(yan)氣預處理技術

基于非分散紅外/紫(zi)外吸收法(fa)技術的(de)(de)CEMS系統多數(shu)采用直抽法(fa)取樣，為防止(zhi)系統堵塞和水(shui)分對測量的(de)(de)干擾，需要對煙(yan)氣進(jin)行除塵和除水(shui)處理(li)(li)(li)。預(yu)(yu)處理(li)(li)(li)裝置的(de)(de)效果直接(jie)影響CMES的(de)(de)整體性能，通常以(yi)處理(li)(li)(li)后(hou)的(de)(de)煙(yan)氣露點(dian)作為重要指標來判(pan)定預(yu)(yu)處理(li)(li)(li)的(de)(de)性能。

在實際應用(yong)中，“過濾(lv)(lv)(lv)+冷凝”的預(yu)處(chu)理方式(shi)(shi)較(jiao)為廣泛。其中煙氣(qi)(qi)過濾(lv)(lv)(lv)除塵技術較(jiao)為成熟，常用(yong)的有金(jin)屬濾(lv)(lv)(lv)芯(xin)、陶瓷燒(shao)結濾(lv)(lv)(lv)芯(xin)和膜(mo)式(shi)(shi)過濾(lv)(lv)(lv)器。在采樣探頭處(chu)初步過濾(lv)(lv)(lv)，樣氣(qi)(qi)進分析儀前(qian)深(shen)度過濾(lv)(lv)(lv)，至少過濾(lv)(lv)(lv)掉0.5-1μg粒(li)徑以上(shang)的顆粒(li)物(wu)。

煙(yan)氣(qi)冷(leng)凝除(chu)(chu)水(shui)技術(shu)較為常用的有壓縮機冷(leng)凝和半導(dao)體(ti)冷(leng)凝，可將煙(yan)氣(qi)露(lu)(lu)點干燥至5℃。新興(xing)技術(shu)中有高分子膜式滲透除(chu)(chu)水(shui)技術(shu)，采用高分子聚合親水(shui)材(cai)料(liao)，具有高選擇(ze)性除(chu)(chu)水(shui)性能，不改(gai)變(bian)煙(yan)氣(qi)中SO2和NOX污染物因子成份，可將煙(yan)氣(qi)露(lu)(lu)點干燥至-5℃以下[2]。

3 幾種煙氣(qi)在線監(jian)測(ce)技(ji)術的性能(neng)比較

國內火電廠煙氣在線監(jian)測產(chan)品(pin)眾多(duo)，本(ben)文(wen)結合各種產(chan)品(pin)的(de)運行情況(kuang)，參考了擁有(you)該種技(ji)術(shu)典型品(pin)牌產(chan)品(pin)的(de)說明(ming)書(shu)，對(dui)超低排放較為關注的(de)量(liang)程(cheng)、精度等重(zhong)要指(zhi)標參數進(jin)行對(dui)比(bi)。其中最小(xiao)(xiao)量(liang)程(cheng)指(zhi)的(de)是最小(xiao)(xiao)物理(li)量(liang)程(cheng)，而非軟(ruan)件遷移(yi)的(de)量(liang)程(cheng)。

3.1 SO2和NOX監(jian)測技術的比較

幾(ji)種主要SO2測量技術的(de)簡單參數對比表見表1。

幾種主要NOX測(ce)量技(ji)術的簡單參數對比表見表2。

根據(ju)《固(gu)定污染源(yuan)煙(yan)氣(SO2、NOX、顆粒物)排放連續監測系統技術(shu)要(yao)求及檢測方法》(HJ/T76)，按超(chao)低(di)排放限(xian)值(zhi)計算(suan)，SO2和NOX量(liang)程(cheng)應(ying)不(bu)大(da)于(yu)175mg/m3和250mg/m3[3]。 從表1和表2可以看(kan)出，傳統非分散紅外吸收(shou)法分析儀SO2和NOX的(de)最小量(liang)程(cheng)分別為286mg/m3和308mg/m3，不(bu)能滿足超(chao)低(di)排放污染物在線監測的(de)要(yao)求。

非分散紫外吸收/差分法分析(xi)儀(yi)的最小量(liang)程滿足HI/T76標準要求，但(dan)CEMS系統的整(zheng)體性能不但(dan)與分析(xi)儀(yi)本身性能有關，還受煙氣預處(chu)理系統性能的影響。預處(chu)理部分的比較將在(zai)后文專題(ti)論述(shu)。

從表1和(he)表2還(huan)可看出，紫外熒光(guang)(guang)法(fa)和(he)化學(xue)(xue)發光(guang)(guang)法(fa)測SO2和(he)NOX的最小量程可達到0.1mg/m3，檢出下限極低。紫外熒光(guang)(guang)法(fa)和(he)化學(xue)(xue)發光(guang)(guang)法(fa)是分(fen)子發光(guang)(guang)氣體分(fen)析技(ji)術，屬(shu)于ppb級的氣體分(fen)析技(ji)術。該(gai)(gai)種(zhong)技(ji)術以分(fen)子發光(guang)(guang)作為(wei)檢測手(shou)段，具有靈敏度高、選擇性好、試樣(yang)量少、操作簡便等優點，已在生物醫學(xue)(xue)、藥學(xue)(xue)以及(ji)環境科(ke)學(xue)(xue)等方面廣泛(fan)應用(yong)，也是EPA(美(mei)國環境保護署(shu))認證(zheng)中明確推薦的SO2和(he)NOX濃度監測技(ji)術。該(gai)(gai)技(ji)術采用(yong)抽取稀釋(shi)法(fa)(常(chang)用(yong)稀釋(shi)比為(wei)100:1)對煙(yan)(yan)(yan)氣進行(xing)預處理(li)，避免了煙(yan)(yan)(yan)氣水(shui)分(fen)、煙(yan)(yan)(yan)塵對測量的影(ying)響，在超低排放煙(yan)(yan)(yan)氣監測上具有較好的適應性。

3.2 煙塵(chen)監測技術的比較

幾種主要煙塵測量技術(shu)的簡單(dan)對比表見(jian)表3。

在(zai)火(huo)電(dian)廠超低(di)排放改造中(zhong)，煙(yan)(yan)(yan)塵濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)一般要達(da)到(dao)10mg/m3以下。尤其(qi)以濕式除塵改造為主要技術路線(xian)的煙(yan)(yan)(yan)氣(qi)(qi)中(zhong)水(shui)分(fen)含(han)量(liang)較(jiao)大，給(gei)煙(yan)(yan)(yan)塵的準確監測(ce)(ce)(ce)帶來挑戰。在(zai)實際應(ying)用中(zhong)一般是將煙(yan)(yan)(yan)氣(qi)(qi)等(deng)(deng)速抽取(qu)，經升溫(wen)加熱(re)使水(shui)分(fen)霧化不(bu)出(chu)現(xian)液滴，再通(tong)過光散(san)射等(deng)(deng)低(di)濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)測(ce)(ce)(ce)量(liang)方法(fa)進行測(ce)(ce)(ce)量(liang);另一種是將煙(yan)(yan)(yan)氣(qi)(qi)等(deng)(deng)速抽取(qu)，將加熱(re)干燥的空氣(qi)(qi)與其(qi)按一定比(bi)例混合(he)稀釋(shi)，從而降低(di)煙(yan)(yan)(yan)氣(qi)(qi)中(zhong)的水(shui)分(fen)含(han)量(liang)，再通(tong)過光散(san)射等(deng)(deng)低(di)濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)測(ce)(ce)(ce)量(liang)方法(fa)進行測(ce)(ce)(ce)量(liang)，結合(he)混合(he)氣(qi)(qi)體的稀釋(shi)比(bi)計算(suan)出(chu)煙(yan)(yan)(yan)塵濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)。這(zhe)種方式采用低(di)濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)測(ce)(ce)(ce)量(liang)原理，優(you)化了煙(yan)(yan)(yan)氣(qi)(qi)采樣和預(yu)處理，有效解(jie)決目前超低(di)排放改造中(zhong)高濕低(di)濃(nong)(nong)度(du)(du)(du)煙(yan)(yan)(yan)塵在(zai)線(xian)監測(ce)(ce)(ce)的問題，在(zai)濕式除塵后已有廣泛應(ying)用。

3.3 煙氣預處理技術(shu)的比(bi)較(jiao)

火(huo)電廠實(shi)施(shi)超低(di)放改造后，煙(yan)氣污染(ran)物濃度大幅降低(di)，在(zai)(zai)線監(jian)測(ce)的(de)(de)適(shi)應性取決于系統的(de)(de)檢(jian)出(chu)下(xia)(xia)限，而CEMS的(de)(de)檢(jian)出(chu)下(xia)(xia)限受分(fen)析儀本體(ti)和(he)煙(yan)氣預處理裝置兩部分(fen)制約。在(zai)(zai)實(shi)際應用的(de)(de)煙(yan)氣預處理中(zhong)，直接抽取+冷干法占70%，均采用冷凝(ning)除水技(ji)術。該技(ji)術在(zai)(zai)冷凝(ning)過程中(zhong)，冷凝(ning)水會吸收(shou)攜(xie)帶部分(fen)SO2和(he)NOX，以(yi)致(zhi)在(zai)(zai)超低(di)濃度工況下(xia)(xia)的(de)(de)監(jian)測(ce)數(shu)據(ju)嚴重失真甚至無檢(jian)測(ce)數(shu)據(ju)，不能(neng)滿(man)足HI/T76標(biao)準的(de)(de)技(ji)術要(yao)求(qiu)。表(biao)(biao)4為(wei)不同(tong)水分(fen)含量(liang)下(xia)(xia)不同(tong)預處理方式對(dui)SO2測(ce)量(liang)影響的(de)(de)實(shi)驗對(dui)比表(biao)(biao)。

注：標氣SO2濃度500ppm，樣(yang)氣溫(wen)度120℃，測量數值單(dan)位ppm。

從表4可看出，水(shui)分含量越高對(dui)(dui)測(ce)量結(jie)果影(ying)響(xiang)越大，其(qi)中(zhong)滲透膜除(chu)(chu)水(shui)技術對(dui)(dui)SO2測(ce)量的影(ying)響(xiang)遠小于其(qi)它(ta)除(chu)(chu)水(shui)技術，其(qi)除(chu)(chu)水(shui)效果優(you)于其(qi)他技術。也可由此而知，在(zai)直抽法采用紫(zi)外(wai)吸收/差分法分析儀時，應同時選用除(chu)(chu)水(shui)效果更好的煙氣預處理技術，否則監測(ce)數(shu)據(ju)可能嚴(yan)重失(shi)真甚至檢測(ce)不出數(shu)據(ju)。

在(zai)稀釋法(fa)(fa)取(qu)樣中，預處(chu)理側重于對稀釋氣體的處(chu)理，通(tong)(tong)常配備專門的壓縮(suo)空(kong)氣凈化裝置(zhi)或者發生裝置(zhi)，經精密過濾和干(gan)燥，可將露點(dian)降(jiang)至(zhi)-40℃，不需要(yao)加熱采樣管(guan)線[4]。在(zai)CEMS中，稀釋抽取(qu)法(fa)(fa)通(tong)(tong)常與紫外熒光(guang)和化學發光(guang)技術配套使用。

4 結論與建議

(1)超(chao)低排放改造實施后，進出口煙(yan)氣特性(xing)差異較大，煙(yan)氣監(jian)測對CEMS的(de)系統配置(zhi)提(ti)出了更高、更具體(ti)的(de)要求，建議在(zai)可研或技(ji)術規范(fan)書里明確(que)各測點不同污染物對煙(yan)氣取樣方(fang)式、預處理(li)、分析儀的(de)測量(liang)原理(li)、量(liang)程、檢出下限等主(zhu)要參數和選型的(de)具體(ti)要求。

(2)在超低排放(fang)改造中，脫硫脫硝入口(kou)CEMS仍(reng)可采用常規的預處(chu)理裝(zhuang)置和非分散紅外技術測量SO2和NOX濃度，除(chu)塵器前可采用光(guang)透射法測量煙塵濃度。

(3)在脫硫脫硝出口(kou)特別(bie)是濕(shi)式除塵后，SO2和NOX的測(ce)量優先采用(yong)紫外(wai)熒光(guang)法和化學發光(guang)法技(ji)術(shu);若(ruo)采用(yong)直抽法非分散(san)紫外(wai)吸(xi)收/差分法分析儀時(shi)，應同(tong)時(shi)配備除水性能更優越的膜(mo)滲透煙氣預處理技(ji)術(shu)。

(4)在(zai)脫(tuo)硫出(chu)口(kou)特別是濕式(shi)除塵后，優(you)先采用抽(chou)取高溫光(guang)散(san)射法測量煙(yan)塵濃度。