CEMS監測數據的影響因素及解決對策

文/李政

如何準確監測超低排放條件下煙氣中SO 2和NO濃度——針對日益嚴峻的大氣污染現狀，環保部門也出臺新的污染物排放標準，而北京市的標準更加嚴格，對現有的煙氣濃度監測技術提出了更高的要求，原有的煙氣監測技術已很難滿足超低排放條件下的測量。本文對實際使用過程中影響測量數據的水分、氣密性、干擾氣體等影響因素進行了原因分析，有針對性地制定了解決對策，并在實際中應用，取得了顯著的效果，提高了CEMS系統的可靠性和準確性。

CEMS是英文Continuous Emission Monitoring System的縮寫，即“煙氣排放連續監測系統”。它由氣態污染物監測子系統、顆粒物監測子系統、煙氣參數監測子系統和數據采集處理與通信子系統組成，承擔著設施安全穩定運行及滿足環保要求進行達標排放的在線連續監測任務。

目前國內在脫硫SO2/NO監測中應用最為廣泛、最為成熟的是非分散紅外吸收法。通過多年對CEMS系統的運維，發現系統氣密性及水分對CEMS系統影響極大，同時，CH4和NO2等干擾氣體也會影響監測系統數據的準確性。隨著石化和熱電行業超低排放的推廣實施，如何準確監測超低排放條件下煙氣中SO2和NO濃度的問題日益凸顯。對于CEMS系統的維護要求也越來越高，只有及時判斷出問題所在，才能迅速解決，本文通過多年來積累的案例對影響因素以及采取的解決對策進行探討。

水分對CEMS系統數據的影響

目前本公司在用的CEMS均運用冷-干直接抽取法，水分是影響CEMS檢測數據準確性的最大因素。通過對相關缺陷的統計，80%以上數據異常都是由于水分導致，其產生影響的主要方式為： CEMS在抽樣氣過程中，煙氣溫度降到一定值時，其中的蒸汽會凝結成水，而SO2能與水反應生成亞硫酸，如果取樣管線中有水，不但會影響測量的準確性，而且會嚴重影響儀表的使用壽命。

溫度不足導致數據異常

運用冷-干直接抽取法的CEMS系統，溫度控制非常重要，整個煙氣抽取管路都要保證溫度在120℃以上。冬季環境較冷時，溫度要保證在130℃以上，否則煙氣中水分就會冷凝，導致數據異常。

1.探頭加熱溫度不足。故障現象為催化煙氣吹掃后SO2參數突然降低，NOX和O2測量數據穩定。就地采樣探頭加熱溫度設置在理論值120℃，由于濕法脫硫煙氣濕度較大，煙氣中的SO2會不同程度地溶解在冷凝水中，調高探頭溫度到180℃，故障現象基本消失。說明原給定探頭加熱溫度在濕法脫硫中不足以克服煙氣的冷凝水，吹掃后冷凝水被吹掉，不再吸收SO2，導致參數變化。探頭溫度提高后，探頭部位無冷凝水形成。

2.采樣管電伴熱熱電阻故障。故障現象為原煙氣SO2瞬間增大一倍或幾倍，脫硫效率大幅波動。檢查測量管線伴熱電阻，發現其阻值偏低，應用熱成像儀檢查，發現一段管線溫度較低，伴熱不工作。由于采樣管線伴熱采取并聯方式，可能會出現某段管線熱阻故障的現象。更換采樣管后，故障現象消失，說明管線伴熱不良，煙氣冷凝水干擾測量參數的大幅波動。

預處理系統工作效果不佳

煙氣預處理機柜的除水設備是整個煙氣預處理的核心，除水效果不良，冷卻壓縮機工作性能差。若冷腔溫度超過5℃或低于1℃，高溫煙氣不能瞬間冷卻，煙氣攜帶水分進入過濾器，析出在玻璃壁內。

1.檢查蠕動泵泵管是否老化產生裂紋，蠕動泵轉速是否不均勻、平穩，是否有雜音，導致冷凝水無法從管路中不斷排出，隨煙氣流動。及時更新蠕動泵泵膜和泵管，確保冷凝器除水排水 暢通。

2.采用多級制冷措施，將以前的一級制冷更換為兩級，第一級降溫使樣氣從150℃降低至環境溫度，此時SO2溶解度較低，在第一級降溫后加裝疏水器排除冷凝水。

氣密性對CEMS系統數據的影響

空氣過剩系數簡介

由于各種鍋爐及其鍋爐形式、燃燒方式的不同，鍋爐過剩空氣系數也不同。為了統一尺度，對鍋爐排放的二氧化硫進行監管，國家環保部在制定標準時定義排放濃度的同時也定義了溫度273 K、大氣壓101 325 Pa、鍋爐煙氣過剩空氣系數等條件，折算到該條件下的排放濃度達到標準規定值即為“達標排放”，超過規定值即為“超標排放”。環保局的監測數據均按標準折算，以確定是否超標應予處罰，并按此計算排放總量。實測值與折算值得出的質量是一樣的。

過剩空氣系數是燃料燃燒時實際空氣需要量與理論空氣需要量之比值，用“α”表示。

α＝20.9%/(20.9%是O2實測值)

式中，20.9%為O2在環境空氣中的含量；

O2實測值為儀器測量煙道中的O2值。

排放濃度折算值＝實測值×（α實際值/α國標值）

在實際工作中，折算值對于運行指導意義更大，因為其被環保部門作為評價指標。而折算值變化最直接的原因就是氧含量的變化。在CEMS系統中，氧含量的異常變化一般都是由于系統氣密性所致，下面就對其展開討論。

管路堵塞導致異常

故障現象為樣氣流量低。在氣路完好的前提下，采樣管線堵塞和采樣泵工作不正常是主要原因，應對其進行檢查。

1.檢查疏水過濾器是否堵塞，疏水過濾器本身對于樣氣而言阻力較大。長時間運行后，由于灰塵以及水汽作用，阻力過大導致流量不能保證，可暫時將疏水過濾器去掉，確定其是否堵塞。

2.當采樣氣體流量降低時，應檢查調節針閥和取樣泵膜片，長時間運行后，由于氣體腐蝕以及結垢，會導致取樣泵內氣路堵塞，或者取樣泵膜片磨損。需要清洗或更換。

3.探頭過濾器堵塞。可采用壓縮空氣對其進行吹掃清洗（拆卸后由濾芯外側向內側吹掃）。如濾芯嚴重堵塞或裂縫及時更換。要求每3個月更換一次濾料。

管路漏氣導致數據異常

故障現象為SO2、NOX濃度偏低，O2濃度偏高或者不變。檢查氣密性：將旁路調節閥開到最大，堵住進氣管路，檢查機柜管路的氣密性，若流量接近零，說明機柜管路氣密性良好。反之表明機柜管路存在漏氣，逐一 排查。

出、入口O2測量值一般小于9%。比對二者差值，如果差別比較大（1%以上），則需要檢查采樣管路的氣密性，查看接頭是否存在漏氣，管路是否破損，采樣探頭電磁閥門是否漏氣。

檢查管路中是否有積水，管壁是否有水珠，尤其是冷凝器出、入口管段。檢查采樣管線是否有彎曲以及伴熱是否良好。懷疑管路中有水，可以采用99%的N2進行吹掃。

干擾氣體對CEMS系統數據的影響

目前公司在用的分散紅外吸收法的氣體分析儀，依據所測氣體對不同波長紅外線衰減程度不同的原理進行氣體濃度測量。檢測器為單光源、單氣室的單光路結構，將多檢測器串聯構成多組份分析器，實現多組份測量。但工程應用中背景氣體組分十分復雜，雖然每種氣體都有各自對應的吸收波長，但吸收峰也存在交叉重疊，多組份分析儀中各個組份之間可能存在干擾影響，如圖1所示。

圖1 煙氣中部分組分的主要光譜吸收波帶

煙氣中CH4 對SO2 的吸收波段干擾

在非分散紅外分析儀中，所謂干擾組分是指待測組分的特征吸收帶有交叉或重疊的其他組分。如圖2所示，可以看出SO2的紅外吸收區域基本上跟CH4重疊，特 別 是 在7.25～7.62 μm波段最為突出，所以，一旦在啟停爐或是燃燒控制不穩定時，也就是說在燃燒不充分時，會造成CH4大量逃逸，造成SO2監測數值 增高。

圖2 CH4的吸收光譜

1.因為鍋爐在開停爐等燃燒狀態不穩定時才會產生CH4，因此CH4作為干擾組分的濃度時不確定，可隨機變化地采用紫外或激光分析方法，避免光譜的重疊，杜絕CH4干擾。目前公司采用此種方法，效果較好。

2.在光路中加裝CH4濾波氣室，使CH4吸收波帶在進入測量氣室之前就被吸收掉，而只讓SO2吸收波帶的光通過；也可加裝窄帶干涉濾光片，其通過帶比SO2的吸收峰狹窄得多，紅外光中能通過干涉濾光片的只有SO2特征吸收波長8.0 μm，干擾組分CH4無法吸收這部分能量，故避開了干擾。

煙氣中NO2導致NO測量值偏低

分散紅外吸收法各組分波長見表1，分析儀無法對NO2進行監測。而實際生產中由于氧含量高，NO轉化為NO2，分析儀無法測量。應用定電位電解法進行比對過程中，手工監測比在線測量值高，數據測量精度下降，甚至造成數據造假的誤解。

表1 煙氣中部分氣體的特征吸收波長

在分析儀回路中增加NOX轉換器，將NO2轉換成NO，實現數據的正常監測。調整工藝操作，減少甚至避免NO2的生成。

結語

隨著各級環保要求越來越高，環保數據準確、可靠關系到企業的生存發展，對CEMS維護提出了更高的要求。通過對影響因素的分析，有針對性地實施解決對策，可以有效排除對監測數據產生干擾的因素，為企業依法合規運行提供有效證明。