鍋爐超低排放煙氣在線監(jiān)測技術(shù)探討

宋玲玲

(陽煤集團(tuán)平定化工有限責(zé)任公司，山西 平定 045200)

引 言

現(xiàn)階段，我國的工業(yè)發(fā)展迅速，逐步成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的中流砥柱，與建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)并列為基礎(chǔ)行業(yè)。隨著工業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煙氣的排放量逐年增長，對周邊的生態(tài)環(huán)境造成較為嚴(yán)重的影響，如土地污染、水質(zhì)污染以及空氣污染等。

隨著工業(yè)發(fā)展規(guī)模的迅速擴(kuò)張，煙氣排放量逐年增長，空氣環(huán)境污染問題嚴(yán)重，引起社會(huì)各界的廣泛重視。近些年來，政府陸續(xù)出臺了以《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃》為首的一系列相關(guān)文件，以此表現(xiàn)對火電廠實(shí)施超低排放改造的大力支持與推廣，并已經(jīng)在我國東部地區(qū)試行。

經(jīng)過試點(diǎn)后，創(chuàng)新發(fā)展期間全國范圍內(nèi)將實(shí)施火電廠超低排放改造。改造后的火電廠將執(zhí)行煙塵10 mg/m3、二氧化硫35 mg/m3、氮氧化物50 mg/m3的煙氣排放限值標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過改造后的火電廠在生產(chǎn)過程中，煙氣污染物的濃度大幅降低，增大了排除煙氣中的水分含量，煙氣特性也隨之發(fā)生了很大變化。基于綠色發(fā)展理念，當(dāng)前對火電廠污染物排放在線監(jiān)測的精確性提出了較高的性能要求。由此可見，超低排放試點(diǎn)電廠煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)勢在必行，且必須明確其性能特點(diǎn)[1]。

1 火電廠煙氣在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 非分散紅外/紫外吸收法SO2和NOx監(jiān)測技術(shù)

非分散紅外吸收法監(jiān)測技術(shù)是我國開展“十一五”及“十二五”期間最常見的在線監(jiān)測手段，尤其是在脫硫及脫硝等方面，其中含有部分紫外吸收技術(shù)。非分散紅外吸收法監(jiān)測技術(shù)以朗伯-比爾吸收定律的光譜吸收技術(shù)為基礎(chǔ)，當(dāng)光通過待測氣體時(shí)，氣體分子會(huì)吸收特定波長的光，可通過測定光被介質(zhì)吸收的輻射強(qiáng)度計(jì)算出氣體濃度(I=I0e-KCL)。

1.2 紫外熒光法SO2監(jiān)測技術(shù)

紫外熒光法的技術(shù)基礎(chǔ)是分子發(fā)光技術(shù)，在部分情況下，SO2氣體分子吸收波長基本保持在190 nm～230 nm,紫外線能量呈激發(fā)態(tài)分子，激發(fā)態(tài)下的SO2分子并不穩(wěn)定，受到任意刺激的情況可瞬間返回基態(tài)，正常激態(tài)下的SO2分子可發(fā)射波長為330 nm的特征熒光。當(dāng)SO2分子的濃度較低時(shí)，所產(chǎn)生的特征熒光強(qiáng)度與SO2分子濃度呈線性關(guān)系。

1.3 化學(xué)發(fā)光法NOX監(jiān)測技術(shù)

NOX監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)就是化學(xué)發(fā)光法，它是通過特殊條件實(shí)現(xiàn)NO與過量O3的化學(xué)反應(yīng)，促使兩者合成激發(fā)態(tài)的NO2。前文提到，激發(fā)態(tài)下的SO2分子較易受到外界刺激，從而返回基態(tài)，NO2分子與SO2同理。當(dāng)激發(fā)態(tài)的NO2分子瞬間返回基態(tài)的情況下，會(huì)制造波長900 nm的近紅外熒光。當(dāng)煙氣濃度較低時(shí)，NO與O3的化合反應(yīng)能夠保持光強(qiáng)度與NO濃度的數(shù)據(jù)平衡，從而達(dá)到線性關(guān)系，有助于計(jì)算氣體NO的濃度。通常情況下，我們會(huì)采用NO+O3→NO2+O2以及NO2→NO2+hγ計(jì)算NO的濃度。

1.4 煙塵監(jiān)測技術(shù)

隨著煙塵監(jiān)測技術(shù)不斷的更新?lián)Q代，煙塵監(jiān)測技術(shù)也分為多種形式，主要包括光透射法煙塵監(jiān)測技術(shù)、光散射法煙塵監(jiān)測技術(shù)、電荷法煙塵監(jiān)測技術(shù)以及β射線吸收法煙塵監(jiān)測技術(shù)等。

光透射法煙塵監(jiān)測技術(shù)。同非分散紅外吸收法監(jiān)測技術(shù)一樣，光透射法煙塵監(jiān)測技術(shù)也是將朗伯-比爾的吸收定律作為基礎(chǔ)理論。光通過含塵煙氣的過程時(shí)，其透過率與煙塵濃度逐漸形成下降關(guān)系，兩者相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示隨之降低。在實(shí)際應(yīng)用該定律的過程中，研發(fā)出單光程與雙光程兩種儀器，為透過率與煙塵濃度關(guān)系研究提供了設(shè)備保障。

如果采用光透射法驗(yàn)證透過率與煙塵濃度的關(guān)系，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)時(shí)刻注意顆粒物粒徑分布狀態(tài)，否則將無法保證光透射法結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于顆粒物粒徑分布狀態(tài)對光透射法的影響較大，導(dǎo)致光透射法的靈敏度不高。基于此，光透射法僅適用于煙塵濃度高、煙道直徑大且煙氣濕度低等狀況。

光散射法煙塵檢測技術(shù)從原理上講，當(dāng)光線照射在煙塵上時(shí)會(huì)被煙塵吸收與散射處理，散射光的入光路徑將結(jié)合煙塵濃度而發(fā)生改變，散射光的強(qiáng)度與煙塵粒徑和入射光波長具有較大的關(guān)聯(lián)性。從本質(zhì)上講，光散射法就是通過測量散射光的強(qiáng)度來監(jiān)測煙塵濃度，在光散射法的實(shí)際運(yùn)用過程中，將光的散射逐漸分化成前向散射、后向散射以及邊向散射三種類型。

由于光散射技術(shù)的靈敏度遠(yuǎn)超非分散紅外吸收法監(jiān)測技術(shù)以及光透射法煙塵監(jiān)測技術(shù)，因此該項(xiàng)技術(shù)的測量質(zhì)量濃度范圍從0.1 mg/m3分布至5 mg/m3，適用范圍較廣，所有煙塵濃度低、煙道直徑小等情況均可使用光散射技術(shù)。雖然該技術(shù)的計(jì)算精度及靈敏度高于其他兩種在線監(jiān)測技術(shù)，且適用范圍相對較廣，但是同樣受到水汽的影響，不適合煙氣濕度高的情況。

1.5 煙氣預(yù)處理技術(shù)

現(xiàn)階段，國內(nèi)多數(shù)的CEMS系統(tǒng)以非分散紅外/紫外吸收法技術(shù)作為基礎(chǔ)，通過直抽法進(jìn)行煙塵取樣，其真實(shí)目的主要是為了防止系統(tǒng)堵塞和水汽對測量的干擾，基于此，在計(jì)算相應(yīng)數(shù)值之前，需要執(zhí)行煙氣預(yù)處理，具體就是對煙氣進(jìn)行除塵與干燥處理。預(yù)處理裝置的處理效果將直接影響CMES系統(tǒng)的整體性能，通常以處理后的煙氣露點(diǎn)作為主要參考數(shù)值，以此判斷預(yù)處理的性能。

在實(shí)際開展煙氣預(yù)處理工作的過程中，最常見的預(yù)處理方式就是“過濾+冷凝”。在多種預(yù)處理手段中，煙氣過濾除塵技術(shù)相對成熟，且預(yù)后工作完善，實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)的過程中較為常用的零部件包括金屬濾芯、陶瓷燒結(jié)濾芯以及膜式過濾器等。通常情況下，采樣探頭處應(yīng)進(jìn)行初步過濾，煙氣樣本在進(jìn)入分析儀之前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行深度過濾，且深度過濾后煙氣的顆粒物的粒徑必須達(dá)到0.5 μg～1 μg[2]。

2 幾種煙氣在線監(jiān)測技術(shù)的性能比較

截止目前，國內(nèi)最常見的煙氣在線監(jiān)測技術(shù)為非分散紅外吸收法、非分散紫外吸收差分法以及化學(xué)發(fā)光法三種類型。結(jié)合實(shí)際效果分析，非分散紅外吸收法的最小量程為0 mg/m3～308 mg/m3，非分散紫外吸收法的最小量程為0 mg/m3～100 mg/m3，而化學(xué)發(fā)光法的最小量程為0 mg/m3～0.1 mg/m3。從實(shí)際的檢出下限來看，非分散紅外吸收法的檢出下限為≤1.5 mg/m3，非分散紫外吸收法的檢出下限為≤1.05 mg/m3，而化學(xué)發(fā)光法的檢出下限為0.33×10-3。

非分散紅外吸收法適用于高煙塵、低濕度、高濃度的場所，非分散紫外差分法則適用于高煙塵、低濕度以及中濃度的情況，而化學(xué)發(fā)光法則適用于中低煙塵、高濕度以及低濃度的實(shí)驗(yàn)場所。結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析，傳統(tǒng)的非分散紅外吸收法分析儀中，SO2分子以及NOx分子的最小量程分別為286 mg/m3和308 mg/m3，無法滿足當(dāng)前社會(huì)對火電廠超低排放污染物的在線監(jiān)測需求[3]。另一方面，紫外熒光法與化學(xué)發(fā)光法中，對SO2分子以及NOx分子的最小量程的檢出下限極低，自身具備靈敏度高、選擇型號、試樣量少以及操作簡單等優(yōu)勢，廣泛分布于生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

3 結(jié)語

綜上所述，國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤┏团欧鸥脑齑胧﹦菰诒匦校以趯?shí)施改造后，進(jìn)出口的煙氣特性差異相對較大。在環(huán)境污染問題及綠色發(fā)展理念的影響下，煙氣監(jiān)測對CEMS系統(tǒng)的配置提出了更高更具體的技術(shù)要求。