（深能合和电力河源有限公司 广东河源）
摘要：随着我国燃煤电厂全面实施超低排放，火电厂原有的烟气在线监测系统（CEMS）须进行升级改造，以满足烟气中低浓度污染物测量要求。分析目前国内常见的几种CEMS测量技术，根据原有的CEMS系统的技术特点提出改造思路。
关键词：超低排放；CEMS；冷干直抽法；Nafion管技术
0 引言
根据国家发展改革委、环境保护部、国家能源局等三部委《关于印发<煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）>的通知》（发改能源[2014]2093号）文件要求，河源电厂在2015年底对#2机组锅炉燃烧器、脱硫和干式电除尘器进行升级改造，新增湿式电除尘器和管式换热器。#2机组完成烟气超净排放改造后排放的烟气优于天然气机组排放限值标准（基准氧含量6%）：二氧化硫（SO2）为35mg/Nm3、氮氧化物（以NO2计）为50mg/Nm3、粉尘（PM）为5mg/Nm3。相较投资上亿元的烟气超净排放主体工程，占比较小的烟气在线监测系统的升级改造尤为关键，烟气中低浓度污染物浓度测量的准确性直接反应了工程改造后的效果。
1.常规CEMS测量技术比较
1.1稀释抽取法
稀释抽取法采用探头稀释技术，在取样探头处用净化空气稀释烟气达100-250倍后送入分析仪进行测量。
烟气采用临界小孔精确控制稀释比，烟气经快速稀释后露点降低，可忽略烟气中水分对二氧化硫测量的影响。由于烟气进行高度稀释，要求后续测量的分析仪表具有较高的测量精度。
稀释抽取法对烟气压力较为敏感，在压力波动较为频繁的工况下，难以实现稀释比的精确控制，易引起误差，需通过修正解决。稀释采用的洁净空气也较为严格，避免水分和其他杂质对稀释造成偏差。测量粉尘含量较高的烟气，在探头滤芯逐渐失效的情况下，会缓慢堵塞临界小孔，也是造成测量误差的原因之一。
1.2热湿直抽法
烟气由射流泵抽取，经高温伴热管线直接送至分析仪进行测量。热湿法的CEMS系统能够直接测量高温烟气，采用了紫外光谱技术。
紫外光谱吸收技术，由于水分在紫外波段没有吸收，只要保证从取样探头到分析仪之间的管线全程高温伴热，控制烟温高于露点温度，既认为测量不受水分干扰。热湿直抽法系统简单，仪表采用的紫外差分吸收光谱测量技术成熟，也是国家环保部推荐的一种气态污染物浓度测量方法。
1.3冷干直抽法
冷干直抽法是目前燃煤电厂应用广泛、较为成熟的一类技术。分析仪采用非分散红外技术，也是国家环保部推荐的气态污染物测量方法之一。烟气由隔膜泵抽取，经采样探头过滤除尘，通过伴热管线送至冷凝器进行除湿，除水后的冷干烟气送至分析仪进行测量。非分散红外测量易受水分影响，在烟气进入分析仪前须对烟气进行除水处理。整个采样过程要保证取样探头及伴热管线温度大于120℃，制冷器制冷温度低于5℃的情况下，可认为二氧化硫的测量受水分影响较小，但实际在制冷除水的过程中仍然会有少量二氧化硫损失。
该测量法的CEMS系统组成较为复杂，故障率高。制冷器将烟气温度降低到室温，烟气中的二氧化硫易腐蚀仪表、污染气室。非分散红外技术，能实现单台仪表多组分气体测量，仪表构造简单，总体建设成本低。
2 烟气在线监测系统改造方向
2.1 烟气分析仪的精度
根据《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》（76-2007）要求，CEMS仪表的最大测量值通常设置为高于排放源最大排放浓度的1至2倍。由火电厂大气污染物排放标准（GB 13223-2011）规定现有火电机组烟气的排放标准（基准氧含量6%）：二氧化硫为200mg/Nm3、氮氧化物为100mg/Nm3、粉尘为30mg/Nm3，得知在烟气超净排放实施之前，国内燃煤电厂使用的分析仪均为大量程仪表（除稀释法），并不适应用于烟气超低排放改造后的烟气测量。
更换CEMS系统原有分析仪，选择符合国家76标准要求的、低量程的仪表，确保烟气测量的精度。
2.2 CEMS系统测量方式的选择
稀释抽取法、热湿直抽法及冷干直抽法三类CEMS系统，根据测量原理及抗水分干扰的能力分析，都适用于烟气超低排放改造后低污染物浓度的测量。然而这些分析方法的实施成本、稳定性和系统性能等方面都存在一定的限制。
稀释抽取法和热湿直抽法的建设成本较高。冷干直抽法应用于低浓度二氧化硫的测量，受水分干扰更加突出，通过冷凝除湿并不能从根本上完全去除水分的干扰。目前国内燃煤电厂80%以上使用冷干直抽法CEMS系统，从改造成本的角度考虑，若继续采用冷干直抽法将大大降低改造成本，解决水分干扰成为冷干直抽法获得超低排放应用的突破口。
2.3 冷干直抽法采用Nafion管技术
河源电厂烟气在线监测系统仍然采用冷干直抽法，在系统中加入了Nafion管技术进行物理除水。
2.3.1 Nafion管技术原理
Nafion管除水原理：Nafion是聚四氟乙烯（Teflon?）和全氟-3，6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物。Nafion管中气态水的迁移是以其对磺酸基的化学亲和力为基础的，而不是基于气体分子的大小来迁移的。由于磺酸基具有很高的亲水性，所以Nafion管壁吸收的水份，会从一个磺酸基向另一个磺酸基传递，直到最终到达另外一侧的管壁，而水份全部蒸发到干燥的反吹气中被带走。理论上经过Nafion管处理的烟气露点最低可达到-45℃，烟气实际露点温度取决于反吹气体的露点温度。反吹气体必须经过净化处理，净化后的气体质量直接影响Nafion管的使用寿命及除水效果。
2.3.2 Nafion管技术应用
通常烟气分析仪利用CEMS小室内的空气进行零点校正，由于空气露点与Nafion管处理后的烟气露点不同，会直接影响分析仪测量的准确性。校零使用的空气必须经过Nafion管处理后，才能消除因露点不同而产生的偏差。
Nafion管的安装使用有两种形式。其一、装设两套Nafion管。采样探头抽取的烟气和校零使用的空气均经过Nafion管处理。该方式投资成本较高，两套Nafion管同时增加两套反吹气净化装置，系统略微复杂，探头处增加的Nafion管可取代原CEMS系统中伴热管和冷凝器除水功能，提高了系统的可靠性。其二、在分析机柜内装设一套Nafion管，抽取的烟气和校零空气经过同一套Nafion管处理。该方法需保留伴热管线，因伴热管局部伴热不良也易造成低浓度二氧化硫测量偏低，但系统简单，故障率低，维护成本低。
由于Nafion管为物理除水，没有机械部件，Nafion管技术的应用简化了原冷干直抽法CEMS系统，杜绝了冷凝器、电磁阀、蠕动泵的酸腐蚀，防止分析仪气室污染，延长仪表使用寿命，极大的降低了设备维护成本及维护量。
3.改造后的对比
对改造后的烟气在线监测系统做投入和旁路Nafion管系统，观察对测量结果的影响。
3.1 准确性
#2机组CEMS系统改造后采用小量程分析仪，在相同煤质和负荷稳定的情况下，统计的数据如表1所示。SO21为投入Nafion管系统所得数据；SO22为旁路Nafion管系统所得数据。表1
两者相比较，CEMS系统测得二氧化硫含量低于20 mg/Nm3，偏差较为突出。根据冷干直抽法应用经验可知，在伴热管伴热不良或者冷凝除水效果不佳，在低负荷情况下CEMS会出现测不出二氧化硫含量的情况。
#2机组CEMS系统采用Nafion管技术解决了烟气中的水分对低浓度二氧化硫测量的影响，测量数据稳定，曲线较为平滑
4改造后的效果
4.1 比对监测
#2机组烟气超净排放技改工程完工后，由第三方公司于2016年4月6日和4月7日对烟气中污染物含量进行手动监测。根据第三方比对监测结果，#2机组超净排放改造后低浓度污染物的测量，满足现有环保要求。
燃煤电厂近年全面推进烟气超净排放技改工程，目前使用标准采用的是2007年的HJ/T75、HJ/T76标准，相关标准对烟气低浓度污染物的测量仍有细化的空间，随着火电厂超低排放技改工程的全面实施，相关细则的出台将对新技术、新要求的出现及应用起到科学化、规范化的作用。
4.2 超净排放技改工程项目监测
广东省环境监测中心对河源电厂#2机组烟气超低排放技改工程项目进行监测。河源电厂#2机组烟气超净排放技改工程实施后，实现了超低排放的目标，达到、甚至优于天然气机组排放标准。
5 小结
2015年12月2日国务院常务会议决定全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造，大幅降低发电煤耗和污染排放。随着全国火电厂烟气超低排放技改工程的全面实施，利用国内现存较多的冷干直抽法CEMS系统，应用Nafion管技术升级改造，以满足超低排放限值要求，降低改造成本，优化原CEMS系统，延长仪表使用寿命，是一项极具经济效益的改造方案。
烟气在线监测系统的改造是燃煤电厂超低排放技改工程中必不可少的一项内容，针对国内多种测量技术分析，确保测量准确，降低改造成本，选择适合原CEMS系统的优化改造方案，做出最优的选择。
参考文献：
[1] 徐文哲，《热湿法CEMS与传统直接抽取CEMS系统的比较》，《科技创新与应用》2013年第35期.
[2] 施捷，李鸣，《基于稀释法的烟气排放连续监测技术》，《仪表技术》2008年第9期.
[3] 孙友文，刘文清，《非分散多组分气体检测技术及其在CEMS中的应用》，《红外》第32卷，第5期。
[4] 蒋雄杰，李峰，《Nafion干燥器GASS处理系统在“超低排放”CEMS中的应用研究》，《分析仪器》2015年第3期
论文作者:徐庆国,吴来贵
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/20
标签：烟气论文; 测量论文; 系统论文; 技术论文; 超低论文; 电厂论文; 河源论文; 《电力设备》2016年第23期论文;