淺談CEMS在天然氣加工行業固定污染源監測中的應用

萬征平 姚亮 胡科先(長慶油田技術監測中心，陜西 西安 710021)

0 引言

伴隨著國家對大氣污染治理力度的加大，對生成霧霾的主要污染二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)的減排和監測要求提高，固定污染源排放監測系統已經在我國的各加工行業系統中全面展開。其對應的工作就是各行業工礦企業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，是對大氣污染源排放的氣態污染物和顆粒物進行濃度、排放量的連續監測并將信息實時傳輸到主管部門的裝置，被稱為“煙氣自動監控系統”，或“煙氣排放連續監測系統”和“煙氣在線監測系統”。

CEMS是在線分析監測系統的一種，其開始應用于火力發電加工行業，在天然氣加工行業加工過稱中的應用近幾年全面展開，在應用中發現了一些問題。尤其是一部分針對高含硫化氫天然氣進行加工的凈化廠，其硫磺回收單元出來的尾氣經灼燒后的氣質組分復雜，且組分含量波動大，需要有針對性的加以解決。

1 CEMS原理

CEMS取樣方法決定了其技術路線，按照取樣方法來分，可分3種：稀釋抽取法、直接抽取法、原位直接測量法。目前天然氣加工行業主要采用直接抽取法CEMS產品，整套儀器分為取樣系統、預處理系統、分析系統、信號處理及傳輸系統。分析系統根據監測項目的不同又可以分為三類，分別為氣態污染物監測、煙氣參數監測、粉塵監測。整個系統的組成見圖1。

圖1 流程圖

1.1 氣態污染物監測

主要監測SO2、NOX，由帶過濾器和加熱器安裝在煙道上的取樣探頭抽取煙氣，通過不低于125℃伴熱管線經預處理裝置取樣到分析儀表測量，測量信號交由上位機處理。

1.2 煙氣參數監測

煙氣參數主要包括氧含量、流速、溫度等，這些參數由安裝于煙道上的儀器直接測量，測量的結果以電流信號的方式傳送至上位機直接顯示。

1.3 粉塵監測

安裝在煙道上，利用激光后散射原理，由收發單元、反射單元、控制單元、自動清洗單元組成。收發單元和反射單元為系統主體測量部分。通過安裝在現場煙道的法蘭，利用精密的自校準光學系統，基于光透射原理產生反饋信號，在以電流信號的方式傳送至上位機直接顯示。

1.4 數據采集處理系統

數據采集處理系統由數據采集和數據處理兩部分組成。數據采集系統采用PLC(程序控制器)，以模擬量輸傳輸。數據處理系統由上位計算機和煙氣監測處理軟件組成。煙氣監測參數經信號處理傳輸后至PLC再經軟件對這些數據進行處理后實現有效的數據存儲、統計、傳輸和打印等功能。

2 CEMS在天然氣加工行業應用的環境

CEMS在天然氣加工行業最近幾年大面積應用，所以需要針對性的分析其應用中的工藝環境。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，經不同技術類型的硫磺回收裝置回收單質硫后的尾氣，由高溫焚燒爐灼燒后硫化物轉化SO2外排。雖然目前的硫磺回收技術可以做到很高的回收轉化率(我國目前的該類裝置的回收率基本設計值都在99%以上)，但因為原料天然氣中硫含較高，需要處理的氣量又很大(目前我國新建單套的天然氣處理能力基本都是200萬Nm3/d)，未完全回收的硫化物燃燒生產的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%)。除上述氣態組分外，煙氣中也含有一定的固態粉塵，如來不及灼燒的單質硫因硫華析出成固態、積碳形成的碳黑顆粒、攜帶出的催化劑粉渣等等。可見與常見的非天然氣加工行業的煙氣比較，天然氣加工行業的煙氣作為CEMS的樣品氣有一定的行業特性。

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入系統的。

其一是進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的硫化氫，經過焚燒爐后生成水份；其二是多數的硫磺回收工藝利用蒸汽驅動產生液態單質硫，利用后的蒸汽作為廢氣進入煙道；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。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為高。同時多數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，導致煙氣中酸氣組分偏大。

2.3 固體顆粒易相態變化

固體顆粒物的組分中硫化物組分較高，相對組分復雜易受溫度變化影響。

2.4 高溫

因為焚燒爐緊鄰煙道，所以煙道中煙溫很高，大部分在300℃上下。這對探槍及原位安裝設備的耐高溫性能，提出了更高要求。

3 CEMS應用的問題和解決意見

特殊的樣品氣條件對CEMS的應用有了更高的要求和更有對針性的改進。由于最開始CEMS是基于火電行業進行設計開發的，有大范圍應用在鍋爐廢氣的監測上，因此在天然氣行業的應用存在一定的適用性問題，針對應用中存在的問題提出一些改進意見。

3.1 運行中堵塞、測量數值不合理波動

整個氣路不同位置都可能發生堵塞，這主要是因為樣品含水高、含硫物不穩定，在有組分、溫度、壓力變化時易析出凝聚。在保證CEMS良好維護的情況下，工況工藝的持續穩定減少波動，這個穩態運行的時候樣品各組分的相態相對穩定，對堵塞的發生有明顯的抑制作用。當工況的變化劇烈時，CEMS的相應時效無法與工況的變化同步，導致結果失真。CEMS的量程選擇是固定的，工況的波動也會導致樣品的測量濃度與量程不符。

所以CEMS對生產調度提高了要求，前端的生產設備、硫磺回收裝置和焚燒爐平穩運行，才能保證進入CEMS的樣品氣質穩定。因此CEMS的良好運行，需要前端的天然氣集輸、凈化和環保系統的平穩減少波動運行。

3.2 測量不準和儀表的非正常損壞

直接安裝在煙道上和分析小屋內的儀表都是測量的高溫樣品，但若加大儀表的降溫又會造成樣品冷凝。長期在高溫環境下，儀表易測量不準及損壞。用于測量SO2、NOX污染物的光譜儀是分析小屋的主要儀器，如長期在高溫或低溫運行其光譜能量衰減過大，容易造成測量數據不準。

建議進一步優化分體式設計，將整套設備分為高溫區和低溫區，將精密儀表安裝于低溫區，提高分析小屋的控溫能力，減少極寒和高溫等氣候變化對標氣及氣路的影響，使分析小屋能保持恒溫22℃。

3.3 采樣系統反吹問題及建議

采樣系統反吹問題主要是反吹時間長，反吹時SO2示值升高。反吹時間長是因按照安裝標準，整個取樣管線需要交大長度；反吹時SO2示值升高是因為反吹時氧氣含量，根據過氧折算公式折算的SO2就很高了。

建議是根據不同的取樣管線長度配置不同的反吹壓力，但不能超過取樣管線的承壓。改進CEMS系統軟件設置，使CEMS在反吹時可以屏蔽實時數據或保持反吹前示值。

3.4 CEMS停機的問題及建議

在天然氣凈化系統或硫磺回收系統故障或檢修停機后再開機時，會無法正常運行表現的問題有：取樣氣路、測量氣路堵塞，光譜儀示值不準，甚至儀表損壞。這是因CEMS關閉電源后取樣系統會有樣品擴散到系統的各個部分冷凝析出，堵塞、腐蝕管路和儀表。

建議CEMS短時間故障時，取樣管線的伴熱不能關閉。長期故障或停運CEMS時需要排空采樣管線用儀表風吹掃，然后隔離取樣管線或封堵進口。

3.5 安全措施

天然氣加工行業的安全要求有行業的獨特性，需要對分析小屋的安全設施做適應性改造。

建議增加H2S和空氣缺氧檢測及聲光報警系統，使其符合相關安全規范要求。為了分析小屋良好通風，保溫性能又不下降，建議改進通風系統增加保溫措施。針對樣品氣酸氣性物質較多，需要對CEMS的尾氣進行處理(如堿液吸收)后再排放。

4 結語

CEMS在天然氣加工行業的應用提高了天然氣加工行業對污染物排放的監測，有力的促進了天然氣加工行業的減排和環境保護工作。CEMS包括的儀表大部分為連續運行、長時間不間斷儀表，因此儀器在天然氣加工行業長期運行的準確性、穩定性、可靠性問題，取樣和樣品處理系統的伴熱保溫和精細過濾問題、儀器后期運行的維護保養問題，分析后樣品的安全排放問題等，需要進一步探討研究。

建議相關部門制定針對天然氣加工行業的CEMS使用規范，制定符合行業實際情況的相關標準。