摘要：燃煤电厂在大力推广“超低排放”的同时，对CEMS气态污染物监测系统中低量程SO2和NOx在低温、高湿度烟气条件下的监测提出了极为苛刻的要求。如何整改或升级现有的冷干直抽法CEMS，并使其适用于“超低排放”限值，是一个非常大的挑战，极具经济和社会效益。在采用了低量程的分析仪后，如何解决预处理系统中“除湿”这个核心问题上，Nafion干燥管凭借其独特的气态膜除湿、保留目标气态的特点，为冷干直抽法CEMS拓宽了一条原位预处理的路径。而以Nafion管为核心的GASS样气预处理系统，则集絮凝过滤、除酸雾、Nafion管干燥和在线酸性气体露点监测为一体，可彻底解决冷干直抽法CEMS中冷凝水析出和低量程SO2溶于冷凝水的问题，是一种创新的冷干直取法CEMS样气预处理技术。通过在国电内蒙古东胜热电有限公司1、2号机“超低排放”CEMS的应用，证明GASS预处理系统非常适合在燃煤电厂“超低排放”CEMS中的应用。
关键词：GASS预处理系统，冷干直抽法，CEMS，燃煤电厂，超低排放，Nafion干燥管
一、背景
“雾霾”是近三年中国使用频率非常高的词汇，促进了环保理念在民众中的觉醒与普及。同时，国家对大气污染治理日趋严格。众所周知，化石燃料的燃烧是雾霾的主要来源，而占全国每年40亿吨煤炭一半的燃煤电厂，则是减排的严控对象。
2011年，国家推出了《火电厂大气污染物排放标准 GB13223-2011》替代2003标准；2014年9月，发改委、环保部和能源局公布了发改能源(2014)2093号文，制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》，提出了燃煤机组“超低排放”的要求和时间表。计划要求：
“新建燃煤发电机组（含在建和项目已纳入国家火电建设规划的机组）应同步建设先进高效脱硫、脱硝和除尘设施，不得设置烟气旁路通道。东部地区（辽宁、北京、天津、河北、山东、上海、江苏、浙江、福建、广东、海南等11省市）新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值（即在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/Nm3），中部地区（黑龙江、吉林、山西、安徽、湖北、湖南、河南、江西等8省）新建机组原则上接近或达到燃气轮机组排放限值，鼓励西部地区新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值。支持同步开展大气污染物联合协同脱除，减少三氧化硫、汞、砷等污染物排放。”
下表1为历年来燃煤电厂大气污染物排放限值的变化及对比。
表1 燃煤电厂大气污染物排放限值对比
表1中，燃机排放限值就是在2014年至2020年燃煤电厂所需要达到的“超低排放”限值目标，减排任务异常艰巨。
随着“超低排放”限值的实施，对环保设施稳定运行的要求越来越高；同样做为连续监测烟气排放的CEMS系统，其测量的准确性、可靠性、真实性和稳定性也被提到更高的层面上来。目前普遍采用的高量程的烟气连续监测系统难以支撑“超低排放”监测数据的准确性，尤其是监测SO2和NOx的气态污染物监测子系统。
本文仅针对在“超低排放”限值条件下，对CEMS中的气态污染物监测子系统进行了讨论和研究，尤其是对一种创新的冷干直抽法原位预处理系统－GASS 6900，进行了详细的应用研究。
二、“超低排放”CEMS中气态污染物监测的挑战
CEMS中的气态污染物监测子系统主要在线监测气态污染物SO2和NOx，是CEMS系统的核心。根据《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》(76-2007)3.8条的要求：根据实际需要设置CEMS的最大测量值，通常设置为排放源最大浓度的1至2倍，因此基本上“超低排放”SO2和NOx分析仪的量程都在0～100mg/Nm3范围内(稀释取样法分析仪除外)。根据CEMS取样方法的不同，目前可以适用于“超低排放”CEMS的取样方法及分析仪器可按下表2分类：
从表2可知，稀释抽取法、冷干直抽法及热湿直抽法CEMS都适用于“超低排放”低量程的在线检测。但是从系统稳定性、成本、系统普及性等方面考虑，在解决低量程分析仪表的前提下，采用现存的冷干直抽法CEMS还是最优的选择。因为在燃煤电厂现存的CEMS，超过90%均为冷干直抽法CEMS。如何利用现存的冷干直抽法CEMS，通过改造而适用于“超低排放”的在线检测，是一个非常值得研究的课题，具有非常大的经济和社会效益。
表2 国内常用CEMS气态污染物监测子系统技术分类
以上不同的采样方法在烟气处理、防止冷凝方法上均有较大差异，这对低浓度SO2的准确测量有非常明显的影响。在高湿度烟气采样时，采样管线中出现冷凝水且SO2浓度较低时影响就更加明显了。一般来说，样气处理越复杂，采样路径越长，响应时间越长，则对低浓度SO2测试结果的准确性影响越大。
2.1 冷干直抽法CEMS
典型的冷干直接抽取法取样和预处理部分包括取样探头、取样伴热管线、过滤、除湿系统和取样泵等部分，其目的是给分析仪器提供连续的洁净(除尘)、干燥(除湿)、常温样气，确保分析仪长期连续稳定、准确可靠、低维护地协调运行，并延长其使用寿命。
冷干直抽法CEMS除湿系统的主要作用是将烟气中的水蒸气去除，目前采用最常见的是冷却除湿法。冷却除湿法要求快速将水蒸气冷凝，以防止烟气和冷凝水接触(但其机理决定了冷凝水和SO2必然的接触)。为避免冷凝水结冰，其冷凝温度大多控制在3～5℃，通常采用的冷却除湿法为电子制冷和压缩机制冷。
冷干直抽法CEMS预处理系统的最重要目的就是除湿。烟气在冷凝时会产生冷凝水(一般火电厂烟气的水含量为8～15%)。但如果伴热管线加热效果下降、管线截取、敷设不规范，会导致冷凝水析出；或冷凝器制冷效果不理想，样气中的水份没有被分离而析出；或冷却仪的冷凝水蠕动泵管老化，使得冷凝水不能及时排出而被样气携带进入后续管道或仪器；再者在低温情况下(冷凝器中)，SO2的溶解度升高，低量程的SO2会溶解入冷凝水而导致分析数据变小，或者为零。
下面就是传统冷干直抽法CEMS在火电厂“超低排放”中所面临的主要问题，其核心还是如何除湿以避免冷凝水析出的问题：
2.1.1 高湿度、低浓度SO2监测
目前冷干直抽法CEMS的分析仪普遍采用红外吸收光谱法，存在水份(或者说水汽)对SO2测量的干扰问题， 尤其是低量程情况下，分析仪灵敏度降低，水分子干扰的影响误差增大，给红外法测量低浓度SO2带来困难。但烟气SO2含量达到50mg/Nm3，或35 mg/Nm3以下时，烟气中的水汽会对低量程红外分析仪的测试精度造成极大的影响，但对DOAS分析仪的检测精度影响就比较小。
因此，如采用低量程红外分析仪检测低量程的SO2，必须尽量去除烟气中的水汽，避免水汽对SO2检测精度的影响；而对于DOAS分析仪，则必须有效去除水汽，避免冷凝水在气室中的冷凝，导致气室内壁酸液腐蚀的发生。
参考文献:
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论文作者:姚俊艳
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：烟气论文; 量程论文; 超低论文; 气态论文; 污染物论文; 分析仪论文; 燃煤论文; 《电力设备》2019年第6期论文;