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实例剖析CEMS设备在“近零排放”下如何选型与应用

  CEMS设备选型决定了投产以后的运行质量。在“近零排放”的背景下,通过比较烟气分析仪,采样系统,烟气粉尘的测量方法及特点,神华国华电力对CEMS设备的选型提出了自己的看法,并为CEMS系统的设计和应用提供了借鉴。
 
实例剖析CEMS设备在“近零排放”下如何选型与应用_湖北锐意自控
 
  神华国华寿电一期工程项目依托“黄大”铁路,通过“上大压小”方式建设2×1000MW国产超超临界燃煤发电机组,同步建设烟气脱硫、脱销装置。以“农业文明”、“工业文明”、“生态文明”为目标,落实“高品质绿色发电计划”要求,将率先建成国内首台百万“近零排放”的燃煤机组,树立绿色环保生态文明的品牌,目前正在建设阶段。
 
  一、概述
 
  1、国华电力“近零排放”的理念
 
  通过采用锅炉低碳燃烧器,低温省煤器,高效静电除尘,高效脱硫,湿式电除尘等环保技术,使燃煤电厂达到天然气排放标准。即烟尘排放浓度5mg/Nm³,SO2设计排放浓度35mg/Nm³,NOx设计排放浓度50mg/Nm³。目前国华舟山电厂是国内首台实现“近零排放”投入商业运行的机组。
 
  2、国华寿电公司的环保设计
 
  脱硫工艺采用湿式石灰石—石膏法,一炉一塔方式,不设GGH装置、不设置增压风机,不设置烟气旁路,脱硫系统与机组同步运行,利用引风机克服脱硫烟气阻力,按燃用设计煤种时脱硫效率不小于98%进行设计,烟尘排放浓度3.56mg/Nm³,SO2设计排放浓度33.31mg/Nm³,NOx设计排放浓度45mg/Nm³。
 
  随着火电厂大气污染物排放新标准的实施,排放标准的严格“红线”,对环保设施的稳定运行要求越来越高;同样作为连续监测烟气排放的CEMS系统,其测量的准确性、可靠性、真实性也被提到更高的层面上来。烟气排放连续监测系统是由颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、数据采集、传输与处理子系统等组成。
 
  由于CEMS的核心技术门槛较高,目前国内经过国家认证检测合格的厂家一般都是产品集成商,走的是“大件引进,系统国内集成”的模式。选择合适的CEMS设备,必须根据不同系统的不同适应情况进行比较,在“近零排放”的背景下探讨CEMS设备的选型显得优为重要。
 
  二、CEMS设备选型分析
 
  (一)量程的要求
 
  根据近零排放和设计要求,脱硫出口烟气粉尘、SO2、NOx排放量非常低。为了保证测量准确、可靠,低浓度测量最重要的是低量程的设置。
 
  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)3.8条要求:根据实际需要设置CEMS的最大测量值,通常设置为高于排放源最大浓度的1至2倍。
 
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表1.污染物排放指标比较
 
  根据上表比较确定脱硫出口污染物测量量程如下:
 
  粉尘:0-15mg/Nm³,0-50mg/Nm³(双量程切换)
 
  SO2:0~100,0~1000mg/m³(双量程切换)
 
  NOx:0~100,0~1000mg/m³(双量程切换)
 
  注意:实现双量程自动切换,保证仪表在环保设施正常工况和非正常工况下测量准确。
 
  (二)气态污染物监测系统
 
  1、烟气分析仪
 
  烟气分析仪主要测量气态污染物SO2、NOx,是CEMS系统的核心,也是设备选型的主要对象。
 
  烟气测量原理:红外光谱吸收、紫外光谱吸收、紫外荧光分析、化学分析、紫外差分吸收光谱。
 
  烟气分析仪:非分散红外分析仪,非分散紫外分析仪,紫外荧光分析仪,化学发光NOx监测仪。
 
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表2.四种烟气分析仪对比
 
  根据上表对比可以看出紫外荧光法吸收的光谱最小,适合测量低浓度,符合“近零排放”的设计要求,但由于其是单组份测量,必须再配置化学发光法测量NOx的分析仪。非分散紫外法吸收的光谱也比较小,且可同时测量多种组分,相对于紫外荧光吸收法较适用于“近零排放”的监测需求。非分散红外法吸收的光谱最大,可以测量高浓度,而且能同时测量多种组份,适用范围广,目前应用也比较多。
 
  2、烟气采样系统
 
  烟气采样系统决定了分析仪测量的准确性。烟气采样系统的采样方法有:完全抽取法、稀释抽取法、直接测量法
 
  完全抽取又分为热湿法和冷干法。
 
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表3.稀释法和直接抽取冷干法比较
 
  (三)颗粒物监测系统
 
  1、测量烟气颗粒物的方法:
 
  (1)浊度法:传统浊度法:单光程、双光程;动态浊度法
 
  (2)光散射法:前散射;边散射;ƒ后散射
 
  (3)电荷法:直流电荷转移法;交流电荷转移法;动态电荷法
 
  (4)抽取法:湿气体粉尘浓度监测;β射线法衰减法
 
  2、技术比较
 
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表4.几种颗粒物监测技术对比
 
  3、分析
 
  (1)动态浊度法和光散射法其测量原理决定了还是以光源为主,这就意味着必须维护光源的清洁保证发光率。由于湿度对其影响很大,保证光源必须连续吹扫,吹扫源有两个:压缩空气和吹扫风机。压缩空气有两个来源:电厂的仪用压缩空气和配置专用的空气压缩机。由于吹扫光源对压缩空气的质量要求很高,必须配置除水除油净化装置。吹扫风机也需要定期检查更换滤网保持空气清洁。
 
  (2)抽取式测量法是针对湿式烟尘的设备,不受湿度影响,测量也比较准确,由于新设备价格昂贵,维护大。
 
  4、结论
 
  从测量低浓度、在线校验、湿度影响、吹扫等几个方面比较,在“近零排放”背景下,从技术的角度(抽取式价格昂贵)优先选择的顺序为抽取式测量法、光后散射法、动态浊度法。
 
  三、CEMS实际应用分析
 
  1、CEMS系统在实际应用过程中,其气态污染物测试量程应设置为多量程或双量程形式,其中低量程范围应控制在1.5~2.0倍相应污染物排放限值区间,高量程范围应控制在1.5~2.0倍原烟气区间。污染源处于正常排放状态下,则使用低量程进行测量,当污染物超出低量程区间上限值时,自动切换至高量程继续测量。
 
  2、就CEMS系统选型而言,具有多种选择,包括离散式单组份分析仪、多组份分析仪以及模块化多组分分析仪等。综合CEMS系统成本等参考因素,现阶段我国火电厂以多组份分析仪为主,其优点在于故障修复简便,当系统发生故障时,维修人员仅需对单台分析仪进行处理,从而避免了很多不必要的维修操作,同时有效降低了设备维修成本。缺点是,如分析仪出现故障,则同时终止所有组分的分析,进而造成整套系统的瘫痪问题。
 
  3、就烟尘测量而言,现阶段以抽取法为主,即从排放的烟气中直接抽取相应量的气尘浓度进行测量。抽取法测量信号的强弱程度与排放烟气中粉尘的实际浓度有着紧密的联系,其中散射光信号实际强度与烟尘浓度呈正比例关系,由此可完成对烟道中粉尘浓度的计算。
 
  4、烟尘测量采样点通常安设于烟道变径处,部分采样点选择安装在烟道拐弯处,实际流量测量精准度较低。相关环保部标准规范中规定:针对一般性的烟气流量(流速)测量精准度不足问题,应根据相应的技术规范对采样点位进行调整,如调整条件不符合相关要求或不具备,则应更换矩阵式流速仪等科技设备。
 
  5、目前我国部分火电厂经过改造,已经使用矩阵式流量计对烟气流量进行测量。矩阵式流量计以类孔板原理为基础进行测量,一般情况下,在烟道上直接安装测量装置,烟气流量测量探头设置于烟道内部,具体要求设置于相距烟道顶部及底部500mm区域范围内。
 
  6、当烟道内有烟气流动时,迎风面对应的取压管压力相对较高,即为动压,而背风侧对应的取压管因不受气流冲击影响,其内部压力较小,即为静压,在动压和静压共同作用下产生差压。差压的实际大小直接受烟气流速影响,流速越快则压差值越大,反之则越小。
 
  7、通过压差值与流速间的函数关系,即可在确定压差值的基础上,准确地计算烟气流量。实际测量过程中,由于烟道截面面积相对较大,而烟道管道长度相对较短,因此,通常会设置多个测量点,以保障测量的准确性。
 
  8、CEMS系统应设置有就地CEMS小屋,其面积应大于3*3m2,高度应高于3m,内部应安装有相应的采暖设备和通风设备,室内湿度应低于60%,温度应控制在10~30℃区间内。同时应做好相应的接地工作,接地电缆应选用线径大于4.0mm2的独芯电缆,且禁止与避雷接地线共用。
 
  严格的排放标准,“近零排放”的目标都对新建电厂CEMS系统提出更高的要求。由于CEMS设备选型决定了投产以后的运行质量,深入比较和分析CEMS测量技术对于设计、选型和应用仍然具有较大的借鉴意义。因此,相关部门应全面加强燃煤电厂烟气排放监测管理力度,通过科学、合理的CEMS系统选型及应用,不断提高系统测量精度,以不断促进我国环保事业良心的可持续化发展。
 
(来源:工业过程气体监测技术)
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