淺談CEMS在天然氣加工行業(yè)固定污染源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

萬(wàn)征平 姚亮 胡科先(長(zhǎng)慶油田技術(shù)監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710021)

0 引言

伴隨著國(guó)家對(duì)大氣污染治理力度的加大，對(duì)生成霧霾的主要污染二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)的減排和監(jiān)測(cè)要求提高，固定污染源排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)的各加工行業(yè)系統(tǒng)中全面展開(kāi)。其對(duì)應(yīng)的工作就是各行業(yè)工礦企業(yè)需要在固定污染源排放口建立、使用CEMS。CEMS是英文Continuous Emission Monitoring System的縮寫，是對(duì)大氣污染源排放的氣態(tài)污染物和顆粒物進(jìn)行濃度、排放量的連續(xù)監(jiān)測(cè)并將信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鞴懿块T的裝置，被稱為“煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)”，或“煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”和“煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。

CEMS是在線分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種，其開(kāi)始應(yīng)用于火力發(fā)電加工行業(yè)，在天然氣加工行業(yè)加工過(guò)稱中的應(yīng)用近幾年全面展開(kāi)，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。尤其是一部分針對(duì)高含硫化氫天然氣進(jìn)行加工的凈化廠，其硫磺回收單元出來(lái)的尾氣經(jīng)灼燒后的氣質(zhì)組分復(fù)雜，且組分含量波動(dòng)大，需要有針對(duì)性的加以解決。

1 CEMS原理

CEMS取樣方法決定了其技術(shù)路線，按照取樣方法來(lái)分，可分3種：稀釋抽取法、直接抽取法、原位直接測(cè)量法。目前天然氣加工行業(yè)主要采用直接抽取法CEMS產(chǎn)品，整套儀器分為取樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、信號(hào)處理及傳輸系統(tǒng)。分析系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的不同又可以分為三類，分別為氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)、煙氣參數(shù)監(jiān)測(cè)、粉塵監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖1。

圖1 流程圖

1.1 氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)

主要監(jiān)測(cè)SO2、NOX，由帶過(guò)濾器和加熱器安裝在煙道上的取樣探頭抽取煙氣，通過(guò)不低于125℃伴熱管線經(jīng)預(yù)處理裝置取樣到分析儀表測(cè)量，測(cè)量信號(hào)交由上位機(jī)處理。

1.2 煙氣參數(shù)監(jiān)測(cè)

煙氣參數(shù)主要包括氧含量、流速、溫度等，這些參數(shù)由安裝于煙道上的儀器直接測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果以電流信號(hào)的方式傳送至上位機(jī)直接顯示。

1.3 粉塵監(jiān)測(cè)

安裝在煙道上，利用激光后散射原理，由收發(fā)單元、反射單元、控制單元、自動(dòng)清洗單元組成。收發(fā)單元和反射單元為系統(tǒng)主體測(cè)量部分。通過(guò)安裝在現(xiàn)場(chǎng)煙道的法蘭，利用精密的自校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，基于光透射原理產(chǎn)生反饋信號(hào)，在以電流信號(hào)的方式傳送至上位機(jī)直接顯示。

1.4 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PLC(程序控制器)，以模擬量輸傳輸。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)和煙氣監(jiān)測(cè)處理軟件組成。煙氣監(jiān)測(cè)參數(shù)經(jīng)信號(hào)處理傳輸后至PLC再經(jīng)軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、傳輸和打印等功能。

2 CEMS在天然氣加工行業(yè)應(yīng)用的環(huán)境

CEMS在天然氣加工行業(yè)最近幾年大面積應(yīng)用，所以需要針對(duì)性的分析其應(yīng)用中的工藝環(huán)境。天然氣加工中主要是脫水、脫硫、脫烴，上述工藝脫出的含有H2S、CO2、H2O的酸氣，經(jīng)不同技術(shù)類型的硫磺回收裝置回收單質(zhì)硫后的尾氣，由高溫焚燒爐灼燒后硫化物轉(zhuǎn)化SO2外排。雖然目前的硫磺回收技術(shù)可以做到很高的回收轉(zhuǎn)化率(我國(guó)目前的該類裝置的回收率基本設(shè)計(jì)值都在99%以上)，但因?yàn)樵咸烊粴庵辛蚝^高，需要處理的氣量又很大(目前我國(guó)新建單套的天然氣處理能力基本都是200萬(wàn)Nm3/d)，未完全回收的硫化物燃燒生產(chǎn)的SO2量普遍高于火電廠。某天然氣凈化廠硫磺回收裝置尾氣焚燒后的廢氣主要成分包括：O2(1.9%)、CO2(17.9%)、N2(21.1%)、SO2(0.1%)、H2O(58.2%)。除上述氣態(tài)組分外，煙氣中也含有一定的固態(tài)粉塵，如來(lái)不及灼燒的單質(zhì)硫因硫華析出成固態(tài)、積碳形成的碳黑顆粒、攜帶出的催化劑粉渣等等。可見(jiàn)與常見(jiàn)的非天然氣加工行業(yè)的煙氣比較，天然氣加工行業(yè)的煙氣作為CEMS的樣品氣有一定的行業(yè)特性。

2.1 高含水

樣品氣中含有大量水份，在20%～65%之間。這些水份是有多種原因進(jìn)入系統(tǒng)的。

其一是進(jìn)入前端的硫磺回收裝置的酸氣中含有一定量的烴類、攜帶一部分水份及未反應(yīng)的硫化氫，經(jīng)過(guò)焚燒爐后生成水份；其二是多數(shù)的硫磺回收工藝?yán)谜羝?qū)動(dòng)產(chǎn)生液態(tài)單質(zhì)硫，利用后的蒸汽作為廢氣進(jìn)入煙道；其三是硫磺回收裝置引入的空氣中所帶的水份。

2.2 酸性氣體含量高

含硫氣田天然氣加工后的尾氣中含硫量高于火電行業(yè)。天然氣加工中脫硫凈化后的酸氣含硫基本在1%以上，處理量又大，所以即使回收裝置有很高的回收率未回收完全的硫組分在焚燒后生成的SO2所占比例較火電行業(yè)為高。同時(shí)多數(shù)氣田的酸氣還含有大量的CO2，再加上攜帶的烴燃燒后生成的CO2疊加，導(dǎo)致煙氣中酸氣組分偏大。

2.3 固體顆粒易相態(tài)變化

固體顆粒物的組分中硫化物組分較高，相對(duì)組分復(fù)雜易受溫度變化影響。

2.4 高溫

因?yàn)榉贌隣t緊鄰煙道，所以煙道中煙溫很高，大部分在300℃上下。這對(duì)探槍及原位安裝設(shè)備的耐高溫性能，提出了更高要求。

3 CEMS應(yīng)用的問(wèn)題和解決意見(jiàn)

特殊的樣品氣條件對(duì)CEMS的應(yīng)用有了更高的要求和更有對(duì)針性的改進(jìn)。由于最開(kāi)始CEMS是基于火電行業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，有大范圍應(yīng)用在鍋爐廢氣的監(jiān)測(cè)上，因此在天然氣行業(yè)的應(yīng)用存在一定的適用性問(wèn)題，針對(duì)應(yīng)用中存在的問(wèn)題提出一些改進(jìn)意見(jiàn)。

3.1 運(yùn)行中堵塞、測(cè)量數(shù)值不合理波動(dòng)

整個(gè)氣路不同位置都可能發(fā)生堵塞，這主要是因?yàn)闃悠泛摺⒑蛭锊环€(wěn)定，在有組分、溫度、壓力變化時(shí)易析出凝聚。在保證CEMS良好維護(hù)的情況下，工況工藝的持續(xù)穩(wěn)定減少波動(dòng)，這個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的時(shí)候樣品各組分的相態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)堵塞的發(fā)生有明顯的抑制作用。當(dāng)工況的變化劇烈時(shí)，CEMS的相應(yīng)時(shí)效無(wú)法與工況的變化同步，導(dǎo)致結(jié)果失真。CEMS的量程選擇是固定的，工況的波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致樣品的測(cè)量濃度與量程不符。

所以CEMS對(duì)生產(chǎn)調(diào)度提高了要求，前端的生產(chǎn)設(shè)備、硫磺回收裝置和焚燒爐平穩(wěn)運(yùn)行，才能保證進(jìn)入CEMS的樣品氣質(zhì)穩(wěn)定。因此CEMS的良好運(yùn)行，需要前端的天然氣集輸、凈化和環(huán)保系統(tǒng)的平穩(wěn)減少波動(dòng)運(yùn)行。

3.2 測(cè)量不準(zhǔn)和儀表的非正常損壞

直接安裝在煙道上和分析小屋內(nèi)的儀表都是測(cè)量的高溫樣品，但若加大儀表的降溫又會(huì)造成樣品冷凝。長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下，儀表易測(cè)量不準(zhǔn)及損壞。用于測(cè)量SO2、NOX污染物的光譜儀是分析小屋的主要儀器，如長(zhǎng)期在高溫或低溫運(yùn)行其光譜能量衰減過(guò)大，容易造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。

建議進(jìn)一步優(yōu)化分體式設(shè)計(jì)，將整套設(shè)備分為高溫區(qū)和低溫區(qū)，將精密儀表安裝于低溫區(qū)，提高分析小屋的控溫能力，減少極寒和高溫等氣候變化對(duì)標(biāo)氣及氣路的影響，使分析小屋能保持恒溫22℃。

3.3 采樣系統(tǒng)反吹問(wèn)題及建議

采樣系統(tǒng)反吹問(wèn)題主要是反吹時(shí)間長(zhǎng)，反吹時(shí)SO2示值升高。反吹時(shí)間長(zhǎng)是因按照安裝標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)取樣管線需要交大長(zhǎng)度；反吹時(shí)SO2示值升高是因?yàn)榉创禃r(shí)氧氣含量，根據(jù)過(guò)氧折算公式折算的SO2就很高了。

建議是根據(jù)不同的取樣管線長(zhǎng)度配置不同的反吹壓力，但不能超過(guò)取樣管線的承壓。改進(jìn)CEMS系統(tǒng)軟件設(shè)置，使CEMS在反吹時(shí)可以屏蔽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或保持反吹前示值。

3.4 CEMS停機(jī)的問(wèn)題及建議

在天然氣凈化系統(tǒng)或硫磺回收系統(tǒng)故障或檢修停機(jī)后再開(kāi)機(jī)時(shí)，會(huì)無(wú)法正常運(yùn)行表現(xiàn)的問(wèn)題有：取樣氣路、測(cè)量氣路堵塞，光譜儀示值不準(zhǔn)，甚至儀表?yè)p壞。這是因CEMS關(guān)閉電源后取樣系統(tǒng)會(huì)有樣品擴(kuò)散到系統(tǒng)的各個(gè)部分冷凝析出，堵塞、腐蝕管路和儀表。

建議CEMS短時(shí)間故障時(shí)，取樣管線的伴熱不能關(guān)閉。長(zhǎng)期故障或停運(yùn)CEMS時(shí)需要排空采樣管線用儀表風(fēng)吹掃，然后隔離取樣管線或封堵進(jìn)口。

3.5 安全措施

天然氣加工行業(yè)的安全要求有行業(yè)的獨(dú)特性，需要對(duì)分析小屋的安全設(shè)施做適應(yīng)性改造。

建議增加H2S和空氣缺氧檢測(cè)及聲光報(bào)警系統(tǒng)，使其符合相關(guān)安全規(guī)范要求。為了分析小屋良好通風(fēng)，保溫性能又不下降，建議改進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)增加保溫措施。針對(duì)樣品氣酸氣性物質(zhì)較多，需要對(duì)CEMS的尾氣進(jìn)行處理(如堿液吸收)后再排放。

4 結(jié)語(yǔ)

CEMS在天然氣加工行業(yè)的應(yīng)用提高了天然氣加工行業(yè)對(duì)污染物排放的監(jiān)測(cè)，有力的促進(jìn)了天然氣加工行業(yè)的減排和環(huán)境保護(hù)工作。CEMS包括的儀表大部分為連續(xù)運(yùn)行、長(zhǎng)時(shí)間不間斷儀表，因此儀器在天然氣加工行業(yè)長(zhǎng)期運(yùn)行的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性問(wèn)題，取樣和樣品處理系統(tǒng)的伴熱保溫和精細(xì)過(guò)濾問(wèn)題、儀器后期運(yùn)行的維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題，分析后樣品的安全排放問(wèn)題等，需要進(jìn)一步探討研究。

建議相關(guān)部門制定針對(duì)天然氣加工行業(yè)的CEMS使用規(guī)范，制定符合行業(yè)實(shí)際情況的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。