多點取樣方式在垃圾焚燒原煙氣污染物測量中的應用

喬海飛，裴友峰，史海超

（光大環(huán)保能源（衢州）有限公司，浙江 衢州 324000）

隨著中國城市化進程的加快，城市垃圾產量不斷增加，垃圾焚燒已經成為未來一段時間我國垃圾處理的主要發(fā)展方向，隨著國內各大環(huán)保集團大力興建垃圾焚燒電廠，各種各樣的問題也隨之凸顯.

針對不同的工藝處理流程、處理手段，設備精細化運行成為垃圾焚燒電廠運營的關鍵所在。隨著國家對環(huán)境保護的日益重視，在整個煙氣處理工藝流程中，在不同位置安裝煙氣監(jiān)測設備成為控制環(huán)保指標的一種手段，對于原煙氣的監(jiān)測就是其中的一種方式，但是由于原煙氣組分及安裝位置的特殊性，對CEMS采樣系統(tǒng)的優(yōu)化改造也成為正確監(jiān)測原煙氣濃度的必要方法。

1 原煙氣在線監(jiān)測設備現(xiàn)狀

1.1 設備安裝位置及現(xiàn)狀

光大環(huán)保能源（衢州）有限公司采用傅里葉紅外變換原理對垃圾焚燒爐省煤器出口原煙氣進行實時在線監(jiān)測，取樣系統(tǒng)設備安裝位置位于焚燒爐省煤器出口處，整套煙氣在線分析系統(tǒng)包括：分析儀機柜系統(tǒng)，采樣系統(tǒng)，預處理系統(tǒng)，加熱管線，數(shù)據(jù)采集記錄，工控機、壓縮空氣系統(tǒng)、氧量測量裝置等。

系統(tǒng)設計在省煤器出口管道安裝高溫加熱采樣探頭，通過全程加熱管線將原煙氣抽取到位于14米平臺的分析儀機柜系統(tǒng)中進行分析測量，并將數(shù)據(jù)同時傳輸至DCS系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測SO2，NOx、N2O、NO、NO2、CO、CO2、O2、HCL、HF、NH3、H2O等煙氣污染物濃度，系統(tǒng)采樣裝置采用180 ℃高溫加熱方法，保證所有和樣氣接觸的部件及相應設備不受腐蝕。抽取式高溫型傅立葉在線紅外分析儀，通過伴熱管線將煙氣直接送入高溫型的分析儀中進行測量。采樣管線從采樣探頭連接至分析儀，為連續(xù)長度的全加熱管線，加熱管線具有自動溫度控制功能。所有安裝在煙道/煙囪內的設備均具備有效的防腐、防塵措施。采樣管線、探頭、過濾器充分考慮垃圾焚燒工程工藝煙氣特點，具有高防堵能力[1]。

整套系統(tǒng)采用無任何運動部件的射流取樣技術，無移動部件。系統(tǒng)配置儀配備空氣吹掃系統(tǒng)，能防止光學鏡頭、采樣探頭被污染，系統(tǒng)分析可用手動或自動方法進行校準。加熱爐與加熱采樣探頭直接連接，無冷凝點。高溫煙氣經過加熱粉塵過濾模塊的0.3微米粉塵過濾器，進一步濾除煙氣中的細微粉塵，確保清潔的樣氣傳輸至分析儀。加熱粉塵過濾模塊直接與加熱采樣管線連接，內置零氣和標氣注入口，便于整體系統(tǒng)的標定和檢驗。由耐腐蝕材料制成的電磁閥控制采樣探頭和皮托管定期反吹，通過干觸點信號控制反吹和零氣/標氣注入，也能夠以干觸點信號向分析儀控制機柜傳輸溫度控制報警信號等。采樣探頭、加熱采樣線或加熱粉塵過濾模塊溫度低于或超出設定值范圍，設備將自動切換為反吹模式。

1.2 改造前存在的問題

系統(tǒng)改造前焚燒爐省煤器出口原煙氣污染物監(jiān)測采用單點取樣測量方式，但由于省煤器后原煙氣通往反應塔的煙道較短，且取樣口前存在煙道縮徑，取樣口下游存在90°拐角煙道，導致煙道氣流存在渦流、紊流現(xiàn)象，使得同一監(jiān)測斷面流速場分布不均勻，單點取樣測量方式難以保證所測煙氣組分值代表斷面真實濃度。經數(shù)月設備運行維護發(fā)現(xiàn)，省煤器出口CEMS分析儀測量系統(tǒng)存在如下問題。

（1）因為采樣點位于布袋除塵器之前，所以此位置煙塵含量高，造成采樣探頭使用一段時間后堵塞嚴重，導致分析儀系統(tǒng)抽取真空度降低，進而產生報警，影響正常的測量分析。（2）取樣系統(tǒng)堵塞后無法通過正常的反吹進行疏通，因粉塵濃度高且煙氣中含有一定水分，堵塞后無法通過高壓空氣進行疏通。（3）維護周期短且維護困難，需每周開展探頭維護工作，造成運維人員工作量增大，且此位置煙氣溫度高，環(huán)境溫度高，在正常生產狀態(tài)下，拆除探頭進行維護的難度增大，每次拆除探頭維護工作需持續(xù)2～4小時。（4）因煙道氣流存在渦流、紊流現(xiàn)象，使得同一監(jiān)測斷面流速場分布不均勻，系統(tǒng)取樣點位于原煙氣煙道側面，所測煙氣經與SCR入口監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)省煤器出口CEMS設備測量結果偏低，此處取樣點所測煙氣濃度無法準確反映原煙氣中的實時污染物濃度。

基于以上原因，需要對采樣系統(tǒng)中的采樣探頭安裝位置、安裝方式、結構及相關控制系統(tǒng)進行改造。通過參考手工網(wǎng)格多點采樣，在同一煙道斷面上布置多點網(wǎng)格流速在線取樣測量系統(tǒng)，并通過手工比對進行驗證。比對結果表明：采用多點網(wǎng)格取樣系統(tǒng)所得斷面平均濃度能夠符合運行監(jiān)控和環(huán)保監(jiān)測精度要求，能夠提高測量的準確性。

2 采樣系統(tǒng)優(yōu)化及優(yōu)化方案

2.1 采樣系統(tǒng)的優(yōu)化

系統(tǒng)存在的問題均是因采樣系統(tǒng)設計不合理導致出現(xiàn)無法正確測量的問題，系統(tǒng)的優(yōu)化主要針對采樣系統(tǒng)的改造。根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)有情況及存在問題，工作人員計劃從以下幾個方面對采樣系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

（1）增大過濾器表面積，增強其過濾粉塵的能力，以延長設備使用時間，減少取樣系統(tǒng)管路堵塞情況的發(fā)生。（2）采樣探頭外部增加陶瓷保護套管，減少因煙氣粉塵沖刷帶來的探頭機械磨損，延長探頭使用壽命。（3）縮短取樣系統(tǒng)壓縮空氣吹掃時間，增加吹掃周期及頻次，采用壓縮空氣脈沖方式吹掃，提高吹掃效率及提升系統(tǒng)吹掃效果。（4）取樣系統(tǒng)改造為多點取樣并送至高溫混勻桶混勻后測量的方式，各取樣探頭進行取樣后在混勻桶匯集，混合均勻后再送入傅里葉紅外檢測單元進行測量，提高待測煙氣的代表性，同時三個取樣探頭可保障系統(tǒng)取樣的冗余性，單一探頭故障不會影響系統(tǒng)的正常運行。

2.2 采樣系統(tǒng)的優(yōu)化改造方案

2.2.1 增大過濾器表面積

因原煙氣成分復雜且煙氣未經布袋除塵器脫離粉塵，故煙氣中粉塵濃度較高，所以需提高過濾器的過濾精度及材質要求，改造后的采樣探頭采用雙級過濾，前端使用1微米過濾精度的316L不銹鋼過濾器，后端使用碳化硅材質的非金屬過濾器，且兩種過濾器尺寸增加，增大了其與煙氣接觸的表面積，以提高粉塵過濾能力，同時延長過濾器的使用壽命。具體結構如圖1。

圖1 改造后的過濾器

過濾器的表面積增大可提高采樣探頭抗粉塵的能力，同時改進了過濾器的材質，使得過濾器熱效應和抗化學腐蝕能力增強，可有效延長探頭的使用周期，減少耗材的日常更換量。

2.2.2 采樣探頭外部增加陶瓷保護套管

因原煙氣粉塵濃度高，煙氣流速快，且粉塵具有刮削效應，316L不銹鋼在此環(huán)境下長期使用，會導致金屬結構遭到破壞，增大探頭損壞或者斷裂的概率，所以在探頭外部增加陶瓷護套，可以有效保護探頭的金屬結構且延長探頭的使用壽命。采樣探頭整體采用耐腐蝕性能優(yōu)異的316L材料制成，加熱原件采用具有防水特性的柔性金屬加熱材料，在潮濕的煙氣環(huán)境中具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和安全性。探頭前端配備防塵罩，煙氣經過第一級1微米不銹鋼燒結粉塵過濾器進入第二級煙氣預處理箱，可以有效濾除煙氣中的絕大多數(shù)粉塵，結合定期高壓自動反吹功能，維護量低。探頭工作時加熱溫度為180 ℃，高于煙氣中各氣體組分的冷點，無冷凝損失。采用PID方式控制加熱溫度，具有良好的溫度穩(wěn)定性[2]。

2.2.3 優(yōu)化吹掃方式

位于煙囪的煙氣實時在線監(jiān)測設備一般采用空氣吹掃，吹掃周期為2～3小時，每次吹掃持續(xù)1分鐘，因煙囪內的凈煙氣經過布袋除塵器后粉塵濃度已經達到國家環(huán)保法規(guī)要求的最低限制，所以這種吹掃方式甚至不吹掃都不會造成探頭的過快堵塞，但因原煙氣監(jiān)測設備位于布袋除塵器之前，煙塵濃度可以達到5 g/m3甚至更高，所以常規(guī)的吹掃方式和吹掃壓力無法發(fā)揮有效的吹掃功能，此處優(yōu)化增加吹掃控制小板，通過此電路板可以設置吹掃的周期及吹掃持續(xù)時間。電路板通過發(fā)出脈沖控制信號控制吹掃電磁閥進行脈沖開閉，可以使吹掃空氣壓力不停地產生突變，同時在探頭端增加緩沖罐，使吹掃空氣壓力可以瞬間達到最大，大大提升吹掃的效果[3]。

2.2.4 改造多點取樣系統(tǒng)

按照《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ 75-2017）[4]中7.1.2.2對采樣點位置的要求，測定位置應避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。對于圓形煙道，顆粒物CEMS和流速CMS，應設置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向≥4倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向≥2倍煙道直徑處；氣態(tài)污染物CEMS，應設置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向≥2倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向≥0.5倍煙道直徑處，當無法找到滿足7.1.2.2的采樣位置時，應盡可能選擇在氣流穩(wěn)定的斷面安裝CEMS采樣或分析探頭，并采取相應措施保證監(jiān)測斷面煙氣分布相對均勻，斷面無紊流。省煤器出口采樣管道走向不均勻，且安裝平臺位置不一定能完全滿足上述要求，所以在只有一根采樣探頭的情況下，往往會因為紊流的存在，造成煙氣流動不規(guī)律，使得測量結果與實際偏差較大，且趨勢無規(guī)律，跳動嚴重。通過增加采樣點的方式，同時使用高溫采樣泵按照相同流量抽取煙氣，最后在混勻罐中混勻后進行測量，可以在很大程度上提高煙氣測量的準確性。

改造后的取樣系統(tǒng)由以下幾部分組成：采樣探頭、加熱爐、高溫采樣泵、混勻罐、壓力傳感器、取樣管線等，加熱爐與加熱采樣探頭直接連接，無冷凝點。高溫煙氣經過加熱粉塵過濾模塊的0.3微米粉塵過濾器，進一步濾除煙氣中的細微粉塵，確保將清潔的樣氣傳輸至分析儀。加熱粉塵過濾模塊直接與加熱采樣管線連接，內置零氣/標氣注入口，便于整體系統(tǒng)的標定和檢驗。由耐腐蝕材料制成的電磁閥控制采樣探頭和皮托管定期反吹，通過干觸點信號控制反吹和零氣/標氣注入，也能夠以干觸點信號向分析儀控制機柜傳輸溫度控制報警信號等。采樣探頭、加熱采樣線或加熱粉塵過濾模塊溫度低于或超出設定值范圍，設備將自動切換為反吹模式。其中采樣探頭共三個，分別安裝在省煤器管道的三個位置，如圖2所示。

圖2 改造后取樣點布置圖

煙氣通過加熱管線連接進入混勻采樣箱，通過加熱采樣泵驅動方式，將煙氣經全程加熱的取樣管路抽取到混勻罐中。取樣管路由自由彎曲的熱導體與聚四氟乙烯管均勻纏繞起來，再通過鍍鎳銅線編織的外殼起到絕緣作用。這樣的熱導體編織物起到對導體的保護作用，保證了至軟管編織物上的最佳熱傳輸效果。外側的機械防護殼由編織的外套或者可彎曲的褶皺外套組成。管線的兩端都配有專門的硅膠帽，這種硅膠帽耐高溫，可以在移動時對管線起到保護作用。管線帶有一個內置的溫度傳感器。

加熱采樣泵、混勻罐與煙氣接觸的部分均進行180 ℃加熱處理，確保進入的煙氣無冷點，不會造成管道腐蝕。混勻箱中每路采樣設有壓力傳感器，通過PLC監(jiān)控三路壓力數(shù)值，確保管路沒有堵塞，如圖3。

圖3 混勻裝置示意圖

系統(tǒng)機柜中的PLC系統(tǒng)可以監(jiān)測混勻裝置加熱溫度、混勻罐壓力，控制每路采樣泵的啟停；分別對每路采樣系統(tǒng)進行單獨維護，而不影響其他采樣設備工作，控制每路系統(tǒng)單獨反吹。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可存儲海量歷史數(shù)據(jù)，全中文數(shù)據(jù)采集和報告軟件，可顯示存儲干基或濕基測量數(shù)據(jù)；設定并存儲標準狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)；自動計算煙氣排放總量及煙氣監(jiān)測日報、周報、月報、年報等；可顯示實時數(shù)據(jù)趨勢曲線；具備完全的遠程仿真控制功能；具有基于Internet或局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)布功能；系統(tǒng)能進行數(shù)據(jù)運算、統(tǒng)計、存貯、事件分類處理、數(shù)據(jù)合理性檢查和刪除指定記錄等功能，具有良好的可靠性、可維修性、可擴性。

除系統(tǒng)軟件、應用軟件外，還配置有線故障診斷和殺毒軟件等。系統(tǒng)具有多級安全認證功能（設置密碼進入），硬件能存貯不低于3年的監(jiān)測小時平均值、監(jiān)測系統(tǒng)相關工況等參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠按日期和時間段的選擇追憶各監(jiān)測點的歷史趨勢，并能檢索、打印或在屏幕上顯示出來。屏幕具有漢字顯示的功能，并能顯示圖形、表格、曲線、條形圖或棒狀圖等；畫面能顯示過程變量的實時數(shù)據(jù)和設備運行狀態(tài)；能自動或根據(jù)指令生成運行參數(shù)報告、數(shù)據(jù)報告、掉電記錄報告和操作記錄報告等；能自動生成有關監(jiān)測數(shù)據(jù)及排放量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的報表，并可打印輸出；具有顯示、打印、聲音超限報警（異常報警）和事故報警信號功能。

儀器具有對缺失數(shù)據(jù)進行處理的功能。預留與當?shù)丨h(huán)保監(jiān)測部門進行數(shù)據(jù)通訊的接口，根據(jù)項目所在地環(huán)保局提供的傳輸協(xié)議編制程序、配置接口，發(fā)送數(shù)據(jù)到項目所在地環(huán)保局指定的接收設備或網(wǎng)絡。所有監(jiān)測實時數(shù)據(jù)和報警信號可接入DCS中，同時可將實時數(shù)據(jù)接入LED大屏進行實時顯示，支持Modbus通訊協(xié)議進行通訊。提供給招標方的信號，每個測量值都有4～20 mA的隔離信號輸出，可接受開關量輸入信號，實現(xiàn)遠程投（樣氣采樣）切（零氣采樣），以便在工藝條件不佳時保護本系統(tǒng)，切換方式為人工切換。儀器送出報警信號的同時，可接受遠程信號投切本系統(tǒng)有關部件，以便工藝條件不佳時保護本系統(tǒng)。HF、HCl、CO、CO2、SO2、H2O、NOx、O2等組分值的信號輸出均換算成壓力為101325 Pa、溫度為273.15 K、氧含量為11%標準條件的干煙氣值。

3 結語

光大環(huán)保能源（衢州）有限公司省煤器出口CEMS實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的采樣系統(tǒng)改造完成后，至今未發(fā)生探頭堵塞的情況，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，基本消除了之前數(shù)據(jù)跳動、變化幅度劇烈的問題，設備維護量明顯減少，取得了較好的改造效果。