定電位電解法測定鍋爐煙氣的要點

馮麗芳，陳文斌，王遠

（1.陜西云筑檢測技術有限公司，陜西 西安 710077；2.國檢控股集團陜西京誠檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著國家工業的發展和人民生活水平的提高，鍋爐在生產生活中的作用日益顯著，同時鍋爐燃燒過程中的污染問題也逐漸被人們關注，特別是早期以煤為燃料的鍋爐，存在燃燒效率不高、能耗大、污染嚴重等問題。在意識到這一系列的問題后，國家出臺了一系列規劃、行動計劃、部門規范等文件，鼓勵生產生活中鍋爐進行技術改造，包括技術提升、燃料轉型等，同時也明確了使用鍋爐產生煙氣中的各項污染因子的監測。根據生態環境部2014 年發布的鍋爐大氣污染物排放標準，鍋爐燃燒使用的燃料不同，燃燒過程中煙氣產生的污染物也會有差異。對于燃煤、燃油和燃氣鍋爐，顆粒物、二氧化硫、氧化氮等都屬于污染因子，同時燃煤鍋爐應增加污染因子汞及其化合物。目前，國家發布的鍋爐煙氣SO2和NOx的監測方法有紫外吸收法、紅外吸收法、化學發光法、分光光度法、酸堿滴定法、定電位電解法等方法。本文主要說明鍋爐現場監測指標SO2和NOx的定電位電解法監測時的注意事項。

1 鍋爐的定義

利用燃料（包括煤、油、氣等）燃燒釋放的熱能或其他熱能加熱熱水或其他介質，用來生產規定溫度、壓力和品質的蒸汽、熱水的設備，是一種能量轉換設備。鍋爐的基本組成為汽鍋和爐子。爐子主要用于燃料的燃燒，汽鍋則作為加熱熱水或其他介質的容器。

2 定電位電解法的測定原理

鍋爐煙氣經過除塵和脫水，進入煙塵（氣） 測試儀的傳感器發生電化學反應。在一定的條件下，傳感器輸出的電流大小與煙氣污染因子的濃度成正比，儀器通過測量傳感器的電流可計算出煙氣污染因子的瞬時濃度；同時，可根據檢測到的煙氣排放參數（流速、含濕量、煙溫等）計算煙氣的排放量。

注：傳感器由電解槽、電解液和三種電極組成，三種電極為敏感電極、參比電極和對電極。

3 測定過程中的干擾與消除

3.1 SO2 的干擾以及消除

煙氣中的水分和SO3對SO2監測的干擾詳見標準HJ 57—2017 5.1。

CO 對SO2監測的干擾最為顯著，測定煙氣時須同時測定CO 的濃度。煙氣中CO 超過某一濃度值，可能會導致SO2的監測結果偏離。如圖1 和圖2 所示。其中圖1 為鍋爐未充分燃燒導致CO 偏高的狀態，圖2為鍋爐燃料充分燃燒的狀態。

圖1 有CO 干擾

圖2 無CO 干擾

一般情況下，CO 的干擾濃度由設備廠家在設備出廠時提供，如圖3 的YQ3000-D 煙塵（氣） 測試儀的CO 干擾試驗報告。從中可以看出，CO 濃度大于4 000 μmol/mol 時，該設備不能進行SO2的監測。

圖3 YQ3000-D 煙塵（氣）測試儀的CO 干擾試驗報告

圖1 的SO2的濃度達到754 mg/m3，正常無煙煤的SO2濃度都不會如此高，燃氣鍋爐的SO2濃度更是以未檢出（檢出限3 mg/m3）居多。分析圖1 的監測數據，含氧量偏小（1.2%），SO2異常大，CO 很高（5 976 mg/m3）。究其原因，可判斷為鍋爐未充分燃燒造成。定電位電解法中，CO 對SO2為正干擾狀態，SO2濃度偏高由CO偏高造成。此時，不宜進行現場采樣工作，應將取樣管立即從煙道取出，放置在空氣中清洗管路及傳感器，同時核實工況，要求企業將鍋爐運行負荷調至正常狀態再進行監測。工況的核實可參考本文5.3。

圖2 為企業鍋爐調整后的數據，此時的含氧量3.9%，SO2未檢出（檢出限3 mg/m3），CO 未檢出（檢出限3 mg/m3），NOx結果53 mg/m3。監測結果正常。

3.2 NOx 的干擾以及消除

測定煙氣時，煙氣中顆粒物和水分對NOx監測的干擾詳見標準HJ 693—2014 5。

4 儀器技術指標要求

4.1 儀器

YQ3000-D 煙塵（氣） 測試儀（生產廠家：青島明華電子儀器有限公司）及配件。

4.2 標準對于儀器的性能要求

標準對于儀器的性能要求如表1 所示。

表1 標準對于儀器的性能要求

5 煙氣SO2 和NOx 的監測過程

5.1 儀器標定

采樣前應對煙塵（氣）測試儀的煙塵和煙氣部分進行核查或標定。煙氣視檢測因子而定，分別用對應標氣對傳感器進行核查，要求示值誤差不大于±5%。否則，需按照標準值與儀器示值，重新計算新倍率（新倍率=標準值/儀器示值×原倍率），對儀器進行標定，標定后切記需要再次通入不同濃度的標氣，進行多點核查，示值要求同上，直至不同濃度的標氣示值誤差都滿足要求為止。煙氣流量可用電子流量計或皂膜流量計進行核查，標準對于流量誤差未做要求，一般小于5%。

5.2 現場監測條件核查

現場監測前，應及時對現場監測條件進行核實。如：開孔位置是否選在垂直管道，是否滿足上3 下6的要求；孔口的內徑是否滿足標準對于氣態污染物監測的要求；監測平臺是否安全，且能夠滿足監測人員操作的需求。具體的可參考標準HJ/T 397—2007 5。

監測時，采樣管前端置于采樣點后，應將采樣孔密封，不能出現漏氣現象。

5.3 工況核查

現場采樣前，首先要對鍋爐運行工況進行核查，標準HJ 373—2007 5.3 中，對于工況核查給出了幾種方法，包括風量核定法、SO2排放量核定法、NOx排放量核定法、煙塵量核定法、燃煤量核定法、熱工儀表核定法。在此，介紹一種快速核查現場工況的方法-耗氣量法。

耗氣量法：舊制熱值單位為大卡（kcal），現在用焦耳（J）。

60×104kcal=1 t/h=7 MW。

0.7 MW 的熱水鍋爐=1 t/h 的蒸汽鍋爐。

700 kW×3 600 s=2 520 000 kJ，目前市面天然氣的發熱中位值為：8 400 kcal。

8 400 kcal=8 400×4.186 8=35 145.6 kJ/m3。

流量：2 520 000÷35 145.6=71.7 m3/h。

根據以上計算公式可知，0.7 MW 的熱水鍋爐和1 t/h 的蒸汽鍋爐一小時的耗氣量約為71.7m3（100%負荷）。

以上耗氣量計算為根據天然氣發熱中位值計算得出，該方法可在現場進行快速核查工況，節省時間成本。目前所有的燃氣鍋爐均配有工況表，也就是天然氣流量計，根據鍋爐實時的耗氣量與基準耗氣量進行比較，可得出當前鍋爐的運行負荷，進而判斷鍋爐是否處于正常燃燒狀態。

5.4 監測數據選用

SO2和NOx監測時，儀器應設置為按照分鐘保存數據，同時監測結果取5～15 min 平均值作為一次的監測結果。

鍋爐大氣污染物排放標準對于鍋爐煙氣SO2和NOx的濃度限值一般以折算濃度確定。因此，監測結果應根據鍋爐的燃料類型選擇不同的基準含氧量進行折算，選用折算濃度與排放限值進行比較，并給出合格與否的結論。

注：基準氧含量（O2/%）：煤9；油和氣：3.5。

6 質量控制要求

（1） 人員持證上崗。（2） 場所環境滿足監測要求。（3） 儀器設備：①定期送檢檢定/校準，結果滿足使用要求；②對設備傳感器進行維護并定期更換；③監測前后對設備進行氣密性檢查；④監測前后對設備的示值誤差和系統偏差進行檢查；⑤每月一次對設備的零點漂移和量程漂移進行檢查。

7 采樣過程中的異常情況及處理

7.1 監測時遇到高濕排氣筒，監測數據異常小

監測時遇到高濕排氣筒，監測數據異常小，甚至有時候NOx低于檢出限（3 mg/m3）。

首先，看到NOx監測結果低于檢出限（3 mg/m3）時，應意識到這是異常數據。這種情況應特別注意工況（流速，含濕量，煙溫，采樣嘴等）的監測。排煙溫度較高時，NOx會受到一定的影響，同時溫度超出煙槍的耐高溫度，煙槍也會損壞。同時，水汽進入傳感器，也會導致設備傳感器失效。此時，需要在采樣前連接煙氣預處理器，嚴格按照標準要求進行加熱同時采樣。

7.2 含氧量較高

含氧量較高（大于10%），NOx結果很小。

根據5.3 選擇合適的方式進行工況核查，若鍋爐運行負荷滿足監測要求，可判斷此種含氧量較高為鍋爐給風偏大導致。正常情況每燃燒1 m3的天然氣需要10～14 m3的空氣，（高海拔地區空氣的需要量會適當增大，主要根據空氣的含氧量進行計算）。給風量較大，除所需正常燃燒后，其余的氧氣則通過排氣筒直排，導致監測過程中含氧量較大，多余氧量則會稀釋污染物的濃度，導致污染物濃度降低。因此，在含氧量較高時，應特別關注給風量。

7.3 含氧量偏大

含氧量偏大，CO 偏大，SO2偏大，NOx偏小。

此時，CO 濃度未達到干擾最大值，但較正常情況偏大（>150 mg/m3），這種情況屬于非正常燃燒，可通過核查運行工況進行驗證并處理。驗證方式：增大運行工況。若遇到鍋爐壓力到達設定值或者回水溫度到達設定溫度，則無法繼續監測，此時，蒸汽鍋爐可通過泄壓，熱水鍋爐可通過排掉熱水方式處理后繼續監測，但會增加企業的運行成本。根據目前鍋爐檢測的經驗以及不同工況下的CO 濃度得出，CO 的濃度在150 mg/m3以下為正常狀態。

7.4 風量異常大

風量異常大，含氧量為21%，其他數據全部為零。

首先確保儀器使用前的核查無誤，另外排查企業的排風管道，是否存在人為增風情況，管道旁路是否存在鼓風機等。這種情況相對來說較少，但由于此種方式屬于人為稀釋污染物濃度，應引起足夠的重視。現場監測中可能會存在各種異常情況，對于現場監測人員來說，要具備發現異常情況的能力，更應具備解決問題的能力。這樣，得到的數據才能經得起檢查和推敲。

8 結語

鍋爐使用過程中產生的煙氣也對大氣環境造成了一定的污染。因此，應通過監測了解鍋爐運行產生煙氣的具體污染情況。作為監測人員，如何獲取準確的監測數據是最主要的任務。對于監測人員，除了掌握豐富的理論知識，具備熟練的設備操作能力，同時應具有較強的現場應變能力和問題處理能力，在保證人員安全和監測數據質量的同時，降低生產成本，提高生產效率。