蔺能力

摘 要：华电常州戚墅堰电厂是长三角重要的燃气发电厂，电厂余热锅炉根据环保要求，锅炉烟气排放需要监测SO2、NOx、氧气、含水量及烟尘等污染物的含量，由于燃气轮机会根据用电量的峰谷启停机组，在启停炉期间，会有未完全燃烧的CH4进入锅炉，导致CEMS系统出现测量数据异常，经过检查分析发现该CEMS系统和分析仪在燃气电厂中应用时，存在部分不足。根据燃气电厂的特点，以及现有CEMS系统的基础上，本文对预处理系统和分析仪的不足之处提出了改进方案，并阐述了如何对系统进行改造，使的改进后的CEMS系统及分析仪可以在燃气电厂正常使用，提高了烟气测量的准确性，并推动了燃气电厂应用CEMS系统的改进。

关键词：燃气电厂;CEMS系统;系统改进

引言

华电常州戚墅堰电厂是长三角重要的纯燃气机组电厂，燃机装机量2170MW，F级2×475MW燃机二期扩建工程组余热锅炉脱硝项目由杭锅集团承建，采用了尿素为还原剂的方式。该套烟气出口根据环保要求，需要监测SO2、NOx、O2、湿度、温压流等烟气参数，并上传环保平台。由于余热锅炉烟气中含水量高，过量的尿素会在烟气中形成大量气溶胶颗粒，并且具有较强的腐蚀性，所以对CEMS系统提出了较高的要求。CEMS安装完成后，静态调试和动态调试都满足用户要求，并通过了环保部门的验收。

但是在CEMS系统移交给用户后，收到用户的使用情况反馈，用户通过实验室取样分析，认为在线CEMS系统测量SO2数据偏低，并出现了多次SO2测量值异常偏高的情况，但是通过标气验证分析系统，发现分析系统运行正常，没有偏差。通过比对工艺装置生产周期和CEMS系统SO2测量值出现的时间，找到了SO2测量值异常的原因。进一步对CEMS系统、分析仪和排放烟气进行检查、分析化验，找到了CEMS系统测量SO2测量值偏低的原因。而后，提出了改进方法并实施，解决了CEMS系统数据异常的问题。

1 余热锅炉采用的CEMS系统简介

余热锅炉中使用的是江苏方天电力技术有限公司提供的FT-91型烟气排放连续监测系统，分析仪采用了ABB的AO2020红外分析仪。烟气排放连续监测系统主要由烟气取样系统、预处理系统和在线气体分析仪三部分共同组成。气态污染物（SO2、NOx）和烟气参数的氧含量共用一套烟气预处理系统，使系统在保证检测准确度的前提下得以简化。整套预处理分析系统采用冷干法原理，即将高温烟气通过预处理系统过滤除尘，冷凝除水后，再通过红外分析仪测量得到SO2和NOx的浓度。

烟气取样系统由样品抽取、样品传输两部分共同组成，烟气取样部分包含取样探杆和带有过滤器的高温取样探头，样品传输部分由PTFE材质的管线组成，取样探头和伴热管缆都加热到120℃，这样可以保证烟气在传输过程中不会在取样管缆中被吸附，高温伴热能够防止烟气由于露点温度的变化导致损失。烟气经过探头的陶瓷滤芯过滤后，再经过伴热管缆进入预处理系统，烟气被预处理系统中的真空隔膜泵从探头抽取至预处理系统，而预处理系统负责除水除尘，烟气除水是通过压缩机制冷的冷凝器进行冷凝脱水，冷凝器可以将烟气露点温度降至3℃，该套分析系统采用了两级冷凝的方式，一级冷凝器作用是将烟气迅速冷却，并去除烟气中大量水分，二级冷凝器将烟气露点温度保持在3℃，并起到保护作用，冷凝水通过冷腔下方的蠕动泵排出。

经过预处理系统处理后的烟气，通过真空隔膜泵输送到分析仪中检测，该套CEMS系统采用了ABB公司的AO2020-Uras26红外分析仪，这款分析仪基于非色散红外（NDIR）的测量原理测量SO2和NOx的浓度，分析仪内装有电化学氧电池，用来测量烟气中O2的浓度。AO2020-Uras26红外分析仪采用了双气室结构，被测组分的零点非常稳定，检测部件采用了薄膜微音检测器，保证了分析仪测量的灵敏度。此外，红外分析仪内部有恒温部件和压力检测模块，这些部件可以辅助分析仪在超低量程的情况下，测量的准确性和稳定性。

2 CEMS系统在使用中出现的问题

该套CEMS系统安装的余热锅炉是配套在F级燃气机组中，使用天然气作为燃料。由于天然气中硫含量很少，当机组正常运行的过程时，烟气中SO2含量为20mg/m3左右，NOx含量为50mg/m3左右，但是该套系统投运以后，出现了SO2数据失准的情况，主要可以分为两种情况，CEMS系统检测的SO2浓度低于环保机构比对检测的SO2浓度。CEMS系统测量SO2出现測量值跳变的情况，浓度突然升高，超过环保允许范围。当CEMS系统出现数据异常后，相应的维护工程师对分析系统和分析仪进行检查，发现CEMS系统预处理运行正常，分析仪使用标准气检验，发现示值准确。

进一步对工艺工况进行了解，将CEMS系统示值异常情况和工艺启停炉时间做比对，找到了烟气中SO2组分浓度降低以及SO2组分浓度跳变的原因，

1） 机组正常运行中，烟气中SO2浓度低于10mg/m3，低于第三方检测数据：

余热锅炉烟气含水量在18%左右，露点温度约为50℃，烟道中的烟气被抽取通过取样探头和伴热管缆时，加热温度为120℃，烟气不会冷凝，仍然为气态，不存在损失的可能性，样品管缆材质为PTFE，不会和烟气中的SO2产生反应。当烟气经过冷凝器时，由于冷凝器的制冷作用，烟气温度迅速降至3℃，烟气中的气态水变为液态水，附着在冷腔表面和冷腔底部，由于SO2气体微溶于水，烟气中的SO2在冷腔中和冷凝水融合，形成H2SO3，剩余未溶于水中的SO2组分经过隔膜泵被送至分析仪中测量，由于冷腔中的损失，最终导致了CEMS系统测量SO2浓度偏低的情况。

2） 当机组启停炉时，CEMS系统监测SO2浓度出现跳变，测量值超标：

燃气发电厂使用天然气作为燃料，甲烷是天然气的主要组分。为了节能环保的要求，电厂会根据用电高峰和低谷，来调整机组的启停，通常燃气机组启停需要花费30分钟，当燃气机组启停时，未充分燃烧的甲烷会进入余热锅炉，被CEMS系统抽取检测，由于AO2020-Uras26分析仪采用了非色散红外（NDIR）的测量原理，在红外光谱中，CH4组分的红外吸收波段和SO2的吸收波段有部分重叠，这就导致分析仪将烟气中未充分燃烧的CH4当作SO2来检测，最终导致了分析仪测量值异常跳变的情况发生。

3预处理系统及分析仪的改进

针对FT-91型烟气CEMS系统在使用中出现的问题，首先需要检查系统硬件，排除设备故障导致数据异常，其次通过比对数据异常和工艺工况调整时间，找到数据跳变规律和原因，最后提出了相应的系统改进方案，使的现有的FT-91烟气CEMS系统可以适用于燃气电厂CEMS测量。

1）分析仪SO2示值偏低，由图1可以看到，高温烟气进入冷凝器中会有冷凝水析出，烟气中的SO2在冷腔中溶解在冷凝水中，最后通过蠕动泵排出系统，烟气中的SO2并没有全部到达分析仪。解决这个问题的方向是不能让烟气中的SO2在冷腔中损失。由于SO2溶于H2O是一个可逆反应，

SO2 + H2O H2SO3

根据上述化学反应特点可以知道，当冷腔内PH值<1.5时，SO2生成H2SO3的过程将会停滞，这样烟气中的SO2就不会溶解，从而解决了冷凝器中SO2溶于冷凝水的损失问题。

采取在预处理系统中增加磷酸注入装置，通过磷酸的注入，改变冷凝器冷腔的PH值，考虑到样品传输管线伴热温度高达120℃，需要让磷酸在靠近冷凝器的位置加入，这样能够使磷酸很快到达冷腔，也避免烟气和磷酸溶液形成气溶胶，出现堵塞管路的情况。在原有系统中增加磷酸罐，配置3%-5%的磷酸，增加一个蠕动泵，最终实现磷酸注入的过程，添加的磷酸溶液将和冷凝水由蠕动泵排出。改造后的系统图见图2。

2）FT-91型CEMS系统采用的AO2020-Uras26红外分析仪是一款采用了红外光谱原理的分析仪。红外光谱原理是不同的分子能够选择性吸收某些波长的红外线，从而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，通过检测红外线被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱，最终得到组分浓度。由于不同气体组分吸收红外波长的不同，每个气体组分都有其特殊的几个吸收波段，也就是特征吸收峰，SO2组分和CH4组分的某些特征吸收峰相重叠，这样就导致了SO2组分和CH4组分在红外分析仪中出现交叉干扰的情况，具体见图3。针对SO2组分测量值跳变的问题，我们必须要解决交叉干扰的问题。

在启停炉期间，使用便携式总烃分析仪检测烟气中的总烃含量，连续测量3次，数据显示，在启停炉时，烟气中大约有400mg/m3 CH4，而400mg/m3 CH4会对SO2产生的干扰数值约为120mg/m3，这个值和工艺生产时，分析仪SO2组分跳变数据基本吻合。

根据燃气机组的工艺特点，启停炉时必然有未充分燃烧的CH4进入烟囱，当分析仪解决了CH4对SO2干扰的问题，就可以防止SO2组分出现跳变。以采用降低CH4浓度的方法来实现减少SO2测量值跳变。在CEMS预处理系统中增加高温除烃器去除烟气中的CH4，从而实现SO2测量值稳定。

高温除烃器的加热温度为400℃，除烃器中有铂钯合金组成的催化剂，含有烃类的气体在通过除烃器后，烃类物质会被转化为CO2和H2O。但是现有的高温除烃器都需要在空气环境下才能够正常运行，由于烟气中氧含量仅为5%，远低于空气中氧含量，经过测算以后，发现除烃器的去除效率约为50%，仍然有部分CH4进入分析仪中，对SO2测量值造成干扰。所以需要通过对分析仪进行优化，去除干扰。

ABB AO2020-Uras26红外分析仪是基于非色散红外（NDIR）的测量原理。分析仪内的分析光路由光源，测量气室和检测器共同组成，每一光路的测量气室为双气室结构，一个气室是参比气室，另一个气室是测量气室，由于CH4组分和SO2组分的交叉吸收峰是固定的波长，可以通过在分析仪的测量光路中增加一个滤波气室，去除這部分交叉的红外波长，从而实现了CH4组分不干扰SO2组分示值。

光学仪器中，进行波长选择的滤光部件都有使用限值范围。根据测算，滤波气室的处理范围是CH4 0-400mg/m3，超过这个界限后，分析仪滤波气室将无法去除多余的干扰。通过在预处理系统中增加除烃器，再配合分析仪滤波气室的使用，这样就有效的去除了燃气电厂中未完全燃烧的CH4对烟气中SO2造成测量值异常的情况。

4 结束语

通过对该套CEMS系统进行改造，大幅度的提升了系统测量的准确性，在与环保部门进行数据，测量数据也在允许范围，满足了环保要求。

增加的磷酸供给系统为小量程CEMS测量SO2提供了理论基础和实际测量数据，使的磷酸供给系统成为小量程CEMS系统中的一个标准应用。

而除烃器和滤波气室的增加，也为红外分析仪在燃气电厂中的应用提供了数据支持，并有效的推动了燃气电厂CEMS系统规范的制订。

参考文献：

[1] HJ 1013-2018 固定污染源废气非甲烷总烃连续监测系统技术要求及检测方法[S].

[2] HJ 76-2017 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[S].

[3] 毛国明， 戴勇. “超低排放”用非分散红外CEMS的预处理优化应用研究 [J]. 上海节能， 2017（4）：204-210.