锅炉超低排放在线监测技术研究
2020-05-09
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摘要:超低排放是指锅炉尾部经环保治理后，在6%含氧量情况下，相关气态污染物排放浓度实现:
NOx<50mg/m3、 S02<35mg/m3、 烟尘s10mg/m3。 许多燃煤锅炉经环保升级改造后，尾部烟气中相关气态
污染物已满足超低排放要求，但原有CEMS系统仍继续保留使用。为适应日趋严格的环保要求,近年来众多燃煤锅
炉积极开展环保升级改造,实现锅炉尾部烟气中烟尘、SO2、 NOx等 气态污染物”超低排放”。文章通过对比几种
应用于二氧化硫、氮氧化物和烟尘的典型监测技术，提出了适用于超低排放改造的烟气在线监测系统优化配置方
案
一、 火电厂烟气在线监测技术现状
1.非分散红外/紫外吸收法SO2和NOX监测技术
“十-五”和“十二五”期间，国内在脱硫和脱硝上应用最为广泛的是非分散红外吸收法监测技术，有少部分
紫外吸收技术。这类技术是基于朗伯比尔(Lambert- Beer)吸收定律的光谱吸收技术，其基本分析原理是:当光
通过待测气体时，气体分子会吸收特定波长的光,可通过测定光被介质吸收的辐射强度计算出气体浓度。
2.紫外荧光法SO2监测技术
紫外荧光法基于分子发光技术，在一定条件下, SO2气体分子吸收波长为190 ~ 230nm,紫外线能量成为激发
态分子,激发态的SO2分子不稳定，瞬间返回基态,发射出波长为330nm的特征荧光。在浓度较低时，特征荧光
的强度与SO2浓度成线性关系,即可通过检测荧光强度计算SO2浓度。
3.化学发光法NOX监测技术
化学发光法是在一定条件下，NO与过量的O3发生反应,产生激发态的NO2。激发态NO2返回基态时,铲
生波长为900nm的近红外荧光。在浓度较低情况下，NO与03充分反映发出的光强度与NO浓度成线性关系，即
通过检测化学发光强度计算NO浓度。
二、烟尘监测技术
1.光透射法烟尘监测技术
光透射法技术基于朗伯-比尔定律,即光穿过含尘烟气时透过率与烟尘浓度呈指数
下降关系。在实际应用中有单光程和双光程两种类型的仪器,光透射法的准确性受颗粒物粒径分布影响较大,灵
敏度不高,一般用于烟尘浓度高 (大于300mg/m3) 、烟道直径大且烟气湿度低的工况。
2.光散射法烟尘监测技术
光射在烟尘上时会被烟尘吸收和散射,散射光偏离光入射的路径,散射光强度与
烟尘粒径和入射光波长有关,光散射法就是采用测量散射光强度来监测烟尘浓度的。在实际应用中有前向散射、后
向散射和边向散射三种类型。该技术灵敏度高，能够测量低至0.1mg/m3的烟尘浓度, **量程可达到0 -5mg/m3,
适用于烟尘浓度低、烟道直径小的情况。但该技术同样容易受水汽影响，不适宜烟气湿度高的工况。
3.电荷法烟尘监测技术
所有烟尘颗粒均带有电荷,颗粒物接触或摩擦时将产生电荷交换,电荷法就是用电绝
缘传感探针测量探头和附近气流或直接与探头碰撞的颗粒物之间的电荷交换来测量烟尘浓度的。该技术除受烟尘粒
径变化、组分变化和烟气湿度影响外,还受烟气流速影响，主要用于布袋除尘的泄漏检测和报警等定性测量,少在
CEMS中应用。
4.β射线吸收法烟尘监测技术
射线具有一定穿透力， 当它穿过-定厚度的吸收物质时，其强度随吸收物质厚
度的增加逐渐减弱,通过测量穿过物质前后的射线强度，即可得出吸收物质的浓度。该技术基于抽取式测量方
式,不受烟尘粒径分布、折射系数、组分变化、烟气湿度等影响,可用于烟尘浓度低、烟气湿度大的工况。但抽取
式测量属于点测量,不适合烟气流速变化大、烟尘浓度分层的场所。
三、烟气预处理技术
需要对烟气进行除尘和除水处理。预处理装置的效果直接影响CMES的整体性能,通常以处理后的烟气露点作为重
要指标来判定预处理的性能。在实际应用中，"过滤 +冷凝”的预处理方式较为广泛。中烟气过滤除尘技术较为
成熟，常用的有金属滤芯、陶瓷烧结滤芯和膜式过滤器。烟气冷凝除水技术较为常用的有压缩机冷凝和半导体冷
凝，可将烟气露点干燥至5'C。新兴技术中有高分子膜式渗透除水技术,采用高分子聚合亲水材料,具有高选择性
除水性能,不改变烟气中SO2和NOX污染物因子成份，可将烟气露点干燥至- 5°C以下。
四、几种烟气在线监测技术的性能比较
国内火电厂烟气在线监测产品众多,本文结合各种产品
s, 对超低排放较为关注的量程、精度等重要指标参数进行对比。其中最小量程指的是最小物理量程，而非软件迁
移的量程。
1.SO2和NOX监测技术的比较
根据《固定污染源烟气(SO2、 NOX、 颗粒物)排放连续监测系统技术要求及检测方法》(HJ/T76) ，按超
低排放限值计算，SO2和NOX量程应不大于175mg/m3和250mg/m3。 非分散紫外吸收/差分法分析仪的最小量
程满足HI/T76标准要求,但CEMS系统的整体性能不但与分析仪本身性能有关,还受烟气预处理系统性能的影响。
2.烟尘监测技术的比较
在火电厂超低排放改造中，烟尘浓度一般要达到10mg/m3以下。 尤其以湿式除尘改造为主要技术路线的烟气
中水分含量较大,给烟尘的准确监测带来挑战。β射线法技术量程低，可达到低浓度烟尘监测的精度要求,但其成
套价格较高，且射线装置属于放射源，国家辐射管理部i ]对其销售、运输、使用过程、报废等都有严格的监管,
不便于应用推广，所以其在CEMS上应用也较少。在实际应用中-般是将烟气等速抽取, 经升温加热使水分雾化不
出现液滴，再通过光散射等低浓度测量方法进行测量;另-种是将烟气等速抽取,将加热干燥的空气与其按-纰
例混合稀释,从而降低烟气中的水分含量,再通过光散射等低浓度测量 方法进行测量,结合混合气体的稀释比计算
出烟尘浓度。这种方式采用低浓度测量原理，优化了烟气采样和预处理，有效解决目前超低排放改造中高湿低浓度
烟尘在线监测的问题，在湿式除尘后已有广泛应用。
3.烟气预处理技术的比较
厂实施超低排放改造后,烟气污染物浓度大幅降低,在线监测的适应性取决于系统的检出下限，而CEMS
的检出下限受分析仪本体和烟气预处理装置两部分制约。在实际应用的烟气预处理中，直接抽取+冷干法占70%,
均采用冷凝除水技术。该技术在冷凝过程中,冷凝水会吸收携带部分SO2和NOX,以致在超低浓度I况下的监测
数据严重失真甚至无检测数据，不能满足HI/T76标准的技术要求。水分含量越高对测量结果影响越大,中渗透
膜除水技术对SO2测量的影响远小于其他除水技术，其除水效果优于其他技术。此而知，在直抽法采用紫外吸
收/差分法分析仪时，应同时选用除水效果更好的烟气预处理技术，否则监测数据可能严重失真甚至检测不出数
据。在稀释法取样中，预处理侧重于对稀释气体的处理，通常配备专i ]的压缩空气净化装置或者发生装置,经精密
过滤和干燥，可将露点降至-40°C, 不需要加热采样管线。在CEMS中，稀释抽取法通常与紫外荧光和化学发光技
术配套使用。
五、结束语:
综上所述，超低排放改造实施后，进出口]烟气特性差异较大,烟气监测对CEMS的系统配置提出了更高、具
体的要求，建议在可研或技术规范书里明确各测点不同污染物对烟气取样方式、预处理、分析仪的测量原理、量
程、检出下限等主要参数和选型的具体要求。
NOx<50mg/m3、 S02<35mg/m3、 烟尘s10mg/m3。 许多燃煤锅炉经环保升级改造后，尾部烟气中相关气态
污染物已满足超低排放要求，但原有CEMS系统仍继续保留使用。为适应日趋严格的环保要求,近年来众多燃煤锅
炉积极开展环保升级改造,实现锅炉尾部烟气中烟尘、SO2、 NOx等 气态污染物”超低排放”。文章通过对比几种
应用于二氧化硫、氮氧化物和烟尘的典型监测技术，提出了适用于超低排放改造的烟气在线监测系统优化配置方
案
一、 火电厂烟气在线监测技术现状
1.非分散红外/紫外吸收法SO2和NOX监测技术
“十-五”和“十二五”期间，国内在脱硫和脱硝上应用最为广泛的是非分散红外吸收法监测技术，有少部分
紫外吸收技术。这类技术是基于朗伯比尔(Lambert- Beer)吸收定律的光谱吸收技术，其基本分析原理是:当光
通过待测气体时，气体分子会吸收特定波长的光,可通过测定光被介质吸收的辐射强度计算出气体浓度。
2.紫外荧光法SO2监测技术
紫外荧光法基于分子发光技术，在一定条件下, SO2气体分子吸收波长为190 ~ 230nm,紫外线能量成为激发
态分子,激发态的SO2分子不稳定，瞬间返回基态,发射出波长为330nm的特征荧光。在浓度较低时，特征荧光
的强度与SO2浓度成线性关系,即可通过检测荧光强度计算SO2浓度。
3.化学发光法NOX监测技术
化学发光法是在一定条件下，NO与过量的O3发生反应,产生激发态的NO2。激发态NO2返回基态时,铲
生波长为900nm的近红外荧光。在浓度较低情况下，NO与03充分反映发出的光强度与NO浓度成线性关系，即
通过检测化学发光强度计算NO浓度。
二、烟尘监测技术
1.光透射法烟尘监测技术
光透射法技术基于朗伯-比尔定律,即光穿过含尘烟气时透过率与烟尘浓度呈指数
下降关系。在实际应用中有单光程和双光程两种类型的仪器,光透射法的准确性受颗粒物粒径分布影响较大,灵
敏度不高,一般用于烟尘浓度高 (大于300mg/m3) 、烟道直径大且烟气湿度低的工况。
2.光散射法烟尘监测技术
光射在烟尘上时会被烟尘吸收和散射,散射光偏离光入射的路径,散射光强度与
烟尘粒径和入射光波长有关,光散射法就是采用测量散射光强度来监测烟尘浓度的。在实际应用中有前向散射、后
向散射和边向散射三种类型。该技术灵敏度高，能够测量低至0.1mg/m3的烟尘浓度, **量程可达到0 -5mg/m3,
适用于烟尘浓度低、烟道直径小的情况。但该技术同样容易受水汽影响，不适宜烟气湿度高的工况。
3.电荷法烟尘监测技术
所有烟尘颗粒均带有电荷,颗粒物接触或摩擦时将产生电荷交换,电荷法就是用电绝
缘传感探针测量探头和附近气流或直接与探头碰撞的颗粒物之间的电荷交换来测量烟尘浓度的。该技术除受烟尘粒
径变化、组分变化和烟气湿度影响外,还受烟气流速影响，主要用于布袋除尘的泄漏检测和报警等定性测量,少在
CEMS中应用。
4.β射线吸收法烟尘监测技术
射线具有一定穿透力， 当它穿过-定厚度的吸收物质时，其强度随吸收物质厚
度的增加逐渐减弱,通过测量穿过物质前后的射线强度，即可得出吸收物质的浓度。该技术基于抽取式测量方
式,不受烟尘粒径分布、折射系数、组分变化、烟气湿度等影响,可用于烟尘浓度低、烟气湿度大的工况。但抽取
式测量属于点测量,不适合烟气流速变化大、烟尘浓度分层的场所。
三、烟气预处理技术
需要对烟气进行除尘和除水处理。预处理装置的效果直接影响CMES的整体性能,通常以处理后的烟气露点作为重
要指标来判定预处理的性能。在实际应用中，"过滤 +冷凝”的预处理方式较为广泛。中烟气过滤除尘技术较为
成熟，常用的有金属滤芯、陶瓷烧结滤芯和膜式过滤器。烟气冷凝除水技术较为常用的有压缩机冷凝和半导体冷
凝，可将烟气露点干燥至5'C。新兴技术中有高分子膜式渗透除水技术,采用高分子聚合亲水材料,具有高选择性
除水性能,不改变烟气中SO2和NOX污染物因子成份，可将烟气露点干燥至- 5°C以下。
四、几种烟气在线监测技术的性能比较
国内火电厂烟气在线监测产品众多,本文结合各种产品
s, 对超低排放较为关注的量程、精度等重要指标参数进行对比。其中最小量程指的是最小物理量程，而非软件迁
移的量程。
1.SO2和NOX监测技术的比较
根据《固定污染源烟气(SO2、 NOX、 颗粒物)排放连续监测系统技术要求及检测方法》(HJ/T76) ，按超
低排放限值计算，SO2和NOX量程应不大于175mg/m3和250mg/m3。 非分散紫外吸收/差分法分析仪的最小量
程满足HI/T76标准要求,但CEMS系统的整体性能不但与分析仪本身性能有关,还受烟气预处理系统性能的影响。
2.烟尘监测技术的比较
在火电厂超低排放改造中，烟尘浓度一般要达到10mg/m3以下。 尤其以湿式除尘改造为主要技术路线的烟气
中水分含量较大,给烟尘的准确监测带来挑战。β射线法技术量程低，可达到低浓度烟尘监测的精度要求,但其成
套价格较高，且射线装置属于放射源，国家辐射管理部i ]对其销售、运输、使用过程、报废等都有严格的监管,
不便于应用推广，所以其在CEMS上应用也较少。在实际应用中-般是将烟气等速抽取, 经升温加热使水分雾化不
出现液滴，再通过光散射等低浓度测量方法进行测量;另-种是将烟气等速抽取,将加热干燥的空气与其按-纰
例混合稀释,从而降低烟气中的水分含量,再通过光散射等低浓度测量 方法进行测量,结合混合气体的稀释比计算
出烟尘浓度。这种方式采用低浓度测量原理，优化了烟气采样和预处理，有效解决目前超低排放改造中高湿低浓度
烟尘在线监测的问题，在湿式除尘后已有广泛应用。
3.烟气预处理技术的比较
厂实施超低排放改造后,烟气污染物浓度大幅降低,在线监测的适应性取决于系统的检出下限，而CEMS
的检出下限受分析仪本体和烟气预处理装置两部分制约。在实际应用的烟气预处理中，直接抽取+冷干法占70%,
均采用冷凝除水技术。该技术在冷凝过程中,冷凝水会吸收携带部分SO2和NOX,以致在超低浓度I况下的监测
数据严重失真甚至无检测数据，不能满足HI/T76标准的技术要求。水分含量越高对测量结果影响越大,中渗透
膜除水技术对SO2测量的影响远小于其他除水技术，其除水效果优于其他技术。此而知，在直抽法采用紫外吸
收/差分法分析仪时，应同时选用除水效果更好的烟气预处理技术，否则监测数据可能严重失真甚至检测不出数
据。在稀释法取样中，预处理侧重于对稀释气体的处理，通常配备专i ]的压缩空气净化装置或者发生装置,经精密
过滤和干燥，可将露点降至-40°C, 不需要加热采样管线。在CEMS中，稀释抽取法通常与紫外荧光和化学发光技
术配套使用。
五、结束语:
综上所述，超低排放改造实施后，进出口]烟气特性差异较大,烟气监测对CEMS的系统配置提出了更高、具
体的要求，建议在可研或技术规范书里明确各测点不同污染物对烟气取样方式、预处理、分析仪的测量原理、量
程、检出下限等主要参数和选型的具体要求。
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