氨法脫硫工藝CEMS問題分析與解決策略

朱秀梅

（中國石油天然氣股份有限公司 烏魯木齊石化分公司，烏魯木齊 830019）

CEMS即固定污染源排放連續監測系統，國內稱之為煙氣排放連續監測系統。CEMS用于監測外排煙囪中污染物的排放濃度。

1 煙氣排放連續監測系統組成

CEMS由顆粒物監測子系統、氣態污染物監測子系統、煙氣排放參數測量子系統、數據采集傳輸與處理子系統4部分組成，如圖1所示[1]。

2 氣態污染物監測子系統與煙氣參數監測子系統間的關系

氣態污染物排放限值以其折算值計，氣態污染物折算值計算需要引入煙氣參數監測子系統中的氧氣測量值，具體計算公式為：氣態污染物折算值=氣態污染物干值×（21—6）/（21—氧氣測量值）[2]。由以上計算公式可知，氧氣測量值升高，氣態污染物折算值勢必會增大，一旦氧氣測量值升高到空氣中氧含量（約20.6%）后，氣態污染物折算值將比實際測量的干值高出37.5倍，出現儀表指示超標的無效數據，造成在政府環保監測平臺上的氣態污染物數據顯示排放超標。

表1 CEMS主要分析方法、采樣及預處理方式統計表Table 1 Statistical table of main analysis methods, sampling and pretreatment methods of CEMS

3 CEMS分析及采樣預處理系統介紹

3.1 國內主要CEMS分析及采樣預處理系統介紹

目前，國內在用CEMS氣態污染物（二氧化硫、氮氧化物）主要的測量方法有：紫外差分吸收法、非分散紅外法、紫外熒光法/化學發光法，每種分析方法配套不同的采樣分析方式及預處理方式，具體統計分析見表1。

3.2 本公司熱電廠CEMS分析及采樣預處理系統

本公司熱電廠CEMS采用的是非分散紅外法測量氣態污染物、氧電池法測量煙氣中的氧含量，對應的采樣方式及預處理系統采用的是完全抽取式、冷—干法[3]。這種預處理系統是將工藝煙道內的煙氣通過幾十米長度不等的一體化采樣伴熱管線后抽取到分析站房內，進行除水、除塵、降溫處理后煙氣進入分析測量單元（U23），在U23內進行二氧化硫、氮氧化物、氧氣的監測[3]。具體預處理系統結構示意圖如圖2所示。

4 本公司熱電廠CEMS存在的主要問題及解決方案

4.1 熱電廠CEMS存在的主要問題及原因

4.1.1 氧含量頻繁異常

對2020年12月以前的熱電廠CEMS故障進行統計，發現故障后引起氣態污染物指示超標后果的，其中有80%是由于氧含量測量值升高造成的。因氧含量的測量值最終參與氣態污染物及顆粒物折算值的計算，所以一旦氧氣測量值高就會引起外排污染物折算值誤顯示超標。故氧含量頻繁異常是熱電廠CEMS存在的主要問題之一。

圖1 CEMS系統組成圖[1]Fig.1 CEMS System composition diagram[1]

圖2 預處理系統結構示意圖[3]Fig.2 Structure diagram of pretreatment system[3]

氧含量頻繁異常的原因：采樣預處理系統堵塞，系統憋壓，空氣倒吸入測量儀表內，導致氧含量測量升高。通過本文第2及第3部分的分析介紹可見，熱電廠氧氣測量是在煙氣小屋內的U23上完成的，氧氣到達測量部件的過程經過了復雜的采樣預處理系統。首先，煙氣通過幾十米的一體化集成采樣伴熱管線到達測量儀表，一體化集成采樣伴熱管線內有￠6和￠8兩根聚四氟乙烯采樣、標定管、一根伴熱帶，伴熱溫度大于120℃。采樣、標定管及伴熱帶外有保溫層及電纜膠皮層，采樣伴熱管線外徑40mm[3]。連續堵塞均出現在電廠3號爐脫硫出口，與4、5號爐脫硫出口進行對比分析，發現4、5號爐脫硫出口的采樣管線是在2018年夏季敷設的，而3號爐脫硫出口的采樣管線是在2018年11月敷設的，施工時環境溫度低，管線低溫下硬度比較大，低溫環境敷設容易造成一體化采樣伴熱管敷設過程中有折痕，煙氣中的硫酸銨容易在折痕處結晶聚集堵塞管線。

4.1.2 二氧化硫經常回零

二氧化硫經常回零的原因：基于非分散紅外法的分析儀表檢出下限值相對較高，在目前電廠污染物超低排放的環境下，污染物排放濃度比較低，低出了儀表的檢出限值，所以經常測不到氣態污染物數據；加之完全抽取式冷—干法對煙氣進行預處理，冷—干過程及煙氣中有液態冷凝水，二氧化硫極易溶于水，造成被測二氧化硫氣體溶于水或被硫酸銨吸附后損失，導致二氧化硫測量結果偏低或回零。

4.1.3 二氧化硫長時間回零后，突然升高甚至超標

二氧化硫長時間回零后，突然升高甚至超標的原因：熱電廠煙氣脫硫裝置采用的是濕式氨法脫硫（FGD）工藝，是基于堿性脫硫劑（NH3）與酸性SO2之間的化學反應，經過復雜的化學反應最終生成硫酸銨，硫酸銨會夾雜在煙氣中吸附煙氣中的二氧化硫，吸附的過程中就表現為二氧化硫測量值長時間回零的現象；吸附聚集到極限濃度后二氧化硫再次被釋放，釋放過程就表現為二氧化硫測量值突然升高甚至超標的現象。

4.2 相應問題短期的解決方案

4.2.1 針對采樣預處理系統堵塞，導致氧含量測量升高問題，采取的有效解決方案

1）由于硫酸銨易溶于水，所以為解決硫酸銨結晶堵塞儀表的采樣管線的有效手段是每周至少一次用除鹽水加壓后潤洗采樣管線一次，根據工況變化加大潤洗頻次。

2）將一體化采樣管伴熱管內￠6和￠8兩根聚四氟乙烯管線作用互換，將￠8管線用于采樣、￠6管線用于標定，通過增加采樣管線的內徑，增大流通能力，解決3號爐脫硫出口￠6采樣管線存在折痕堵塞問題。

3）敷設備用采樣管，當出現采樣管線不暢或者加熱失效后及時切換到備用管線，避免造成長時間環保數據異常。

4.2.2 針對二氧化硫經常回零和二氧化硫長時間回零后突然升高甚至超標問題，采取的有效方案

1）在煙氣被冷凝前，引入濃度為5%的磷酸來抑制SO2的溶解及被銨鹽吸附。

煙氣冷凝除水過程，SO2會在液態水中溶解，發生平衡反應為：SO2＋H2O<=>H++ HSO3-。若煙氣中存在NH3，則NH3在液態水中會變成NH4+和OH-，與H+反應，會增加SO2的溶解度。因此，對于常規的冷凝除水方法，SO2的損失非常大，但是若在冷凝器之前加入磷酸，則冷凝器中增加了大量的 H+，一方面可以抑制SO2的溶解，另一方面與溶液中的OH-反應吸收NH3。從這一原理出發，目前電廠的CEMS采用在冷凝器之前增加磷酸滴定，可以在一定程度上避免二氧化硫溶于水及被硫酸銨吸附、釋放過程造成的二氧化硫回零和回零后突然升高的問題。但要求維護人員及時了解根據工藝NH3逃逸的量，根據NH3逃逸量及時調整磷酸濃度及加入量。

2）硫酸銨易溶于水，每周至少一次用除鹽水加壓后潤洗采樣管線一次，避免硫酸銨結晶聚集吸附二氧化硫。

4.3 相應問題長期的技術改進策略

1）徹底解決采樣預處理系統堵塞、泄漏引起氧測量指示偏高，最終導致污染物排放折算值超標問題，長期的技術解決策略是改變氧氣測點位置。將目前的氧氣測量在CEMS預處理系統后，改到氧氣測量在CEMS預處理系統前，即將氧氣測量儀表安裝在煙道上，只將氧測量值的4mA～20mA信號傳輸到CEMS中進行顯示和參與計算。這樣氧檢測過程徹底拋開CEMS采樣及預處理環節，采樣預處理系統出現堵塞、泄漏等問題后不會影響到氧氣的測量值，徹底消除因采樣管線堵塞、泄漏引起的氧含量升高，最終造成的顆粒物及氣態污染物折算值超標。此方案需要給地方環保部門備案，地方環保部門同意后方可現場實施改造工作。建議儀表生產廠商考慮在設備出廠時將氧氣測量放在煙囪上，進行原位測量，并完成系統的環保認證工作。

2）針對電廠氨法脫硫這種特殊的工況，徹底解決二氧化硫經常回零和二氧化硫長時間回零后突然升高問題，長期的技術解決策略是重新對測量儀表進行選型。否則，即使加大維護頻次，一旦工況變化，隨時都有預處理堵塞引起環保數據異常的風險；同時，由于測量原理及氨法脫硫工況煙氣中水、硫酸銨吸附二氧化硫等問題存在，在目前超低排放實際污染物濃度比較低的情況下，二氧化硫測量長時間回零問題始終無法避免。

5 結論

超低排放煙氣中污染物監測的相對適合方法是紫外熒光法/化學發光法配合稀釋抽取的取樣方式測量。紫外熒光法/化學發光監測精度極高，檢出下限可達ppb級，可以解決超低排放工況下非分散紅外法檢測下限高，長時間測不到二氧化硫問題；此外，這種方法的線性范圍非常廣，應用中意味著可以有多重量程和很大的量程比，同時，這種方法是用潔凈的儀表風對煙氣進行稀釋處理后進行測量的，可以有效避免煙氣中夾帶的水汽、煙塵、氣溶膠等物質堵塞預處理系統，相對適用于超低排放的工況，但是如果煙氣中顆粒物含量較高，要慎重選擇，防止顆粒物堵塞稀釋采樣探頭。