乔海飞，裴友峰，史海超
（光大环保能源（衢州）有限公司，浙江 衢州 324000）
随着中国城市化进程的加快，城市垃圾产量不断增加，垃圾焚烧已经成为未来一段时间我国垃圾处理的主要发展方向，随着国内各大环保集团大力兴建垃圾焚烧电厂，各种各样的问题也随之凸显.
针对不同的工艺处理流程、处理手段，设备精细化运行成为垃圾焚烧电厂运营的关键所在。随着国家对环境保护的日益重视，在整个烟气处理工艺流程中，在不同位置安装烟气监测设备成为控制环保指标的一种手段，对于原烟气的监测就是其中的一种方式，但是由于原烟气组分及安装位置的特殊性，对CEMS采样系统的优化改造也成为正确监测原烟气浓度的必要方法。
1.1 设备安装位置及现状
光大环保能源（衢州）有限公司采用傅里叶红外变换原理对垃圾焚烧炉省煤器出口原烟气进行实时在线监测，取样系统设备安装位置位于焚烧炉省煤器出口处，整套烟气在线分析系统包括：分析仪机柜系统，采样系统，预处理系统，加热管线，数据采集记录，工控机、压缩空气系统、氧量测量装置等。
系统设计在省煤器出口管道安装高温加热采样探头，通过全程加热管线将原烟气抽取到位于14米平台的分析仪机柜系统中进行分析测量，并将数据同时传输至DCS系统进行实时监控。该系统可实时监测SO2，NOx、N2O、NO、NO2、CO、CO2、O2、HCL、HF、NH3、H2O等烟气污染物浓度，系统采样装置采用180 ℃高温加热方法，保证所有和样气接触的部件及相应设备不受腐蚀。抽取式高温型傅立叶在线红外分析仪，通过伴热管线将烟气直接送入高温型的分析仪中进行测量。采样管线从采样探头连接至分析仪，为连续长度的全加热管线，加热管线具有自动温度控制功能。所有安装在烟道/烟囱内的设备均具备有效的防腐、防尘措施。采样管线、探头、过滤器充分考虑垃圾焚烧工程工艺烟气特点，具有高防堵能力[1]。
整套系统采用无任何运动部件的射流取样技术，无移动部件。系统配置仪配备空气吹扫系统，能防止光学镜头、采样探头被污染，系统分析可用手动或自动方法进行校准。加热炉与加热采样探头直接连接，无冷凝点。高温烟气经过加热粉尘过滤模块的0.3微米粉尘过滤器，进一步滤除烟气中的细微粉尘，确保清洁的样气传输至分析仪。加热粉尘过滤模块直接与加热采样管线连接，内置零气和标气注入口，便于整体系统的标定和检验。由耐腐蚀材料制成的电磁阀控制采样探头和皮托管定期反吹，通过干触点信号控制反吹和零气/标气注入，也能够以干触点信号向分析仪控制机柜传输温度控制报警信号等。采样探头、加热采样线或加热粉尘过滤模块温度低于或超出设定值范围，设备将自动切换为反吹模式。
1.2 改造前存在的问题
系统改造前焚烧炉省煤器出口原烟气污染物监测采用单点取样测量方式，但由于省煤器后原烟气通往反应塔的烟道较短，且取样口前存在烟道缩径，取样口下游存在90°拐角烟道，导致烟道气流存在涡流、紊流现象，使得同一监测断面流速场分布不均匀，单点取样测量方式难以保证所测烟气组分值代表断面真实浓度。经数月设备运行维护发现，省煤器出口CEMS分析仪测量系统存在如下问题。
（1）因为采样点位于布袋除尘器之前，所以此位置烟尘含量高，造成采样探头使用一段时间后堵塞严重，导致分析仪系统抽取真空度降低，进而产生报警，影响正常的测量分析。（2）取样系统堵塞后无法通过正常的反吹进行疏通，因粉尘浓度高且烟气中含有一定水分，堵塞后无法通过高压空气进行疏通。（3）维护周期短且维护困难，需每周开展探头维护工作，造成运维人员工作量增大，且此位置烟气温度高，环境温度高，在正常生产状态下，拆除探头进行维护的难度增大，每次拆除探头维护工作需持续2～4小时。（4）因烟道气流存在涡流、紊流现象，使得同一监测断面流速场分布不均匀，系统取样点位于原烟气烟道侧面，所测烟气经与SCR入口监测系统进行数据比较，发现省煤器出口CEMS设备测量结果偏低，此处取样点所测烟气浓度无法准确反映原烟气中的实时污染物浓度。
基于以上原因，需要对采样系统中的采样探头安装位置、安装方式、结构及相关控制系统进行改造。通过参考手工网格多点采样，在同一烟道断面上布置多点网格流速在线取样测量系统，并通过手工比对进行验证。比对结果表明：采用多点网格取样系统所得断面平均浓度能够符合运行监控和环保监测精度要求，能够提高测量的准确性。
2.1 采样系统的优化
系统存在的问题均是因采样系统设计不合理导致出现无法正确测量的问题，系统的优化主要针对采样系统的改造。根据系统现有情况及存在问题，工作人员计划从以下几个方面对采样系统进行优化改造。
（1）增大过滤器表面积，增强其过滤粉尘的能力，以延长设备使用时间，减少取样系统管路堵塞情况的发生。（2）采样探头外部增加陶瓷保护套管，减少因烟气粉尘冲刷带来的探头机械磨损，延长探头使用寿命。（3）缩短取样系统压缩空气吹扫时间，增加吹扫周期及频次，采用压缩空气脉冲方式吹扫，提高吹扫效率及提升系统吹扫效果。（4）取样系统改造为多点取样并送至高温混匀桶混匀后测量的方式，各取样探头进行取样后在混匀桶汇集，混合均匀后再送入傅里叶红外检测单元进行测量，提高待测烟气的代表性，同时三个取样探头可保障系统取样的冗余性，单一探头故障不会影响系统的正常运行。
2.2 采样系统的优化改造方案
2.2.1 增大过滤器表面积
因原烟气成分复杂且烟气未经布袋除尘器脱离粉尘，故烟气中粉尘浓度较高，所以需提高过滤器的过滤精度及材质要求，改造后的采样探头采用双级过滤，前端使用1微米过滤精度的316L不锈钢过滤器，后端使用碳化硅材质的非金属过滤器，且两种过滤器尺寸增加，增大了其与烟气接触的表面积，以提高粉尘过滤能力，同时延长过滤器的使用寿命。具体结构如图1。
图1 改造后的过滤器
过滤器的表面积增大可提高采样探头抗粉尘的能力，同时改进了过滤器的材质，使得过滤器热效应和抗化学腐蚀能力增强，可有效延长探头的使用周期，减少耗材的日常更换量。
2.2.2 采样探头外部增加陶瓷保护套管
因原烟气粉尘浓度高，烟气流速快，且粉尘具有刮削效应，316L不锈钢在此环境下长期使用，会导致金属结构遭到破坏，增大探头损坏或者断裂的概率，所以在探头外部增加陶瓷护套，可以有效保护探头的金属结构且延长探头的使用寿命。采样探头整体采用耐腐蚀性能优异的316L材料制成，加热原件采用具有防水特性的柔性金属加热材料，在潮湿的烟气环境中具有优良的稳定性和安全性。探头前端配备防尘罩，烟气经过第一级1微米不锈钢烧结粉尘过滤器进入第二级烟气预处理箱，可以有效滤除烟气中的绝大多数粉尘，结合定期高压自动反吹功能，维护量低。探头工作时加热温度为180 ℃，高于烟气中各气体组分的冷点，无冷凝损失。采用PID方式控制加热温度，具有良好的温度稳定性[2]。
2.2.3 优化吹扫方式
位于烟囱的烟气实时在线监测设备一般采用空气吹扫，吹扫周期为2～3小时，每次吹扫持续1分钟，因烟囱内的净烟气经过布袋除尘器后粉尘浓度已经达到国家环保法规要求的最低限制，所以这种吹扫方式甚至不吹扫都不会造成探头的过快堵塞，但因原烟气监测设备位于布袋除尘器之前，烟尘浓度可以达到5 g/m3甚至更高，所以常规的吹扫方式和吹扫压力无法发挥有效的吹扫功能，此处优化增加吹扫控制小板，通过此电路板可以设置吹扫的周期及吹扫持续时间。电路板通过发出脉冲控制信号控制吹扫电磁阀进行脉冲开闭，可以使吹扫空气压力不停地产生突变，同时在探头端增加缓冲罐，使吹扫空气压力可以瞬间达到最大，大大提升吹扫的效果[3]。
2.2.4 改造多点取样系统
按照《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测技术规范》（HJ 75-2017）[4]中7.1.2.2对采样点位置的要求，测定位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。对于圆形烟道，颗粒物CEMS和流速CMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向≥4倍烟道直径，以及距上述部件上游方向≥2倍烟道直径处；
气态污染物CEMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向≥2倍烟道直径，以及距上述部件上游方向≥0.5倍烟道直径处，当无法找到满足7.1.2.2的采样位置时，应尽可能选择在气流稳定的断面安装CEMS采样或分析探头，并采取相应措施保证监测断面烟气分布相对均匀，断面无紊流。省煤器出口采样管道走向不均匀，且安装平台位置不一定能完全满足上述要求，所以在只有一根采样探头的情况下，往往会因为紊流的存在，造成烟气流动不规律，使得测量结果与实际偏差较大，且趋势无规律，跳动严重。通过增加采样点的方式，同时使用高温采样泵按照相同流量抽取烟气，最后在混匀罐中混匀后进行测量，可以在很大程度上提高烟气测量的准确性。
改造后的取样系统由以下几部分组成：采样探头、加热炉、高温采样泵、混匀罐、压力传感器、取样管线等，加热炉与加热采样探头直接连接，无冷凝点。高温烟气经过加热粉尘过滤模块的0.3微米粉尘过滤器，进一步滤除烟气中的细微粉尘，确保将清洁的样气传输至分析仪。加热粉尘过滤模块直接与加热采样管线连接，内置零气/标气注入口，便于整体系统的标定和检验。由耐腐蚀材料制成的电磁阀控制采样探头和皮托管定期反吹，通过干触点信号控制反吹和零气/标气注入，也能够以干触点信号向分析仪控制机柜传输温度控制报警信号等。采样探头、加热采样线或加热粉尘过滤模块温度低于或超出设定值范围，设备将自动切换为反吹模式。其中采样探头共三个，分别安装在省煤器管道的三个位置，如图2所示。
图2 改造后取样点布置图
烟气通过加热管线连接进入混匀采样箱，通过加热采样泵驱动方式，将烟气经全程加热的取样管路抽取到混匀罐中。取样管路由自由弯曲的热导体与聚四氟乙烯管均匀缠绕起来，再通过镀镍铜线编织的外壳起到绝缘作用。这样的热导体编织物起到对导体的保护作用，保证了至软管编织物上的最佳热传输效果。外侧的机械防护壳由编织的外套或者可弯曲的褶皱外套组成。管线的两端都配有专门的硅胶帽，这种硅胶帽耐高温，可以在移动时对管线起到保护作用。管线带有一个内置的温度传感器。
加热采样泵、混匀罐与烟气接触的部分均进行180 ℃加热处理，确保进入的烟气无冷点，不会造成管道腐蚀。混匀箱中每路采样设有压力传感器，通过PLC监控三路压力数值，确保管路没有堵塞，如图3。
图3 混匀装置示意图
系统机柜中的PLC系统可以监测混匀装置加热温度、混匀罐压力，控制每路采样泵的启停；
分别对每路采样系统进行单独维护，而不影响其他采样设备工作，控制每路系统单独反吹。
系统数据库可存储海量历史数据，全中文数据采集和报告软件，可显示存储干基或湿基测量数据；
设定并存储标准状态的测量数据；
自动计算烟气排放总量及烟气监测日报、周报、月报、年报等；
可显示实时数据趋势曲线；
具备完全的远程仿真控制功能；
具有基于Internet或局域网的数据发布功能；
系统能进行数据运算、统计、存贮、事件分类处理、数据合理性检查和删除指定记录等功能，具有良好的可靠性、可维修性、可扩性。
除系统软件、应用软件外，还配置有线故障诊断和杀毒软件等。系统具有多级安全认证功能（设置密码进入），硬件能存贮不低于3年的监测小时平均值、监测系统相关工况等参数数据，能够按日期和时间段的选择追忆各监测点的历史趋势，并能检索、打印或在屏幕上显示出来。屏幕具有汉字显示的功能，并能显示图形、表格、曲线、条形图或棒状图等；
画面能显示过程变量的实时数据和设备运行状态；
能自动或根据指令生成运行参数报告、数据报告、掉电记录报告和操作记录报告等；
能自动生成有关监测数据及排放量统计数据的报表，并可打印输出；
具有显示、打印、声音超限报警（异常报警）和事故报警信号功能。
仪器具有对缺失数据进行处理的功能。预留与当地环保监测部门进行数据通讯的接口，根据项目所在地环保局提供的传输协议编制程序、配置接口，发送数据到项目所在地环保局指定的接收设备或网络。所有监测实时数据和报警信号可接入DCS中，同时可将实时数据接入LED大屏进行实时显示，支持Modbus通讯协议进行通讯。提供给招标方的信号，每个测量值都有4～20 mA的隔离信号输出，可接受开关量输入信号，实现远程投（样气采样）切（零气采样），以便在工艺条件不佳时保护本系统，切换方式为人工切换。仪器送出报警信号的同时，可接受远程信号投切本系统有关部件，以便工艺条件不佳时保护本系统。HF、HCl、CO、CO2、SO2、H2O、NOx、O2等组分值的信号输出均换算成压力为101325 Pa、温度为273.15 K、氧含量为11%标准条件的干烟气值。
光大环保能源（衢州）有限公司省煤器出口CEMS实时在线监测系统的采样系统改造完成后，至今未发生探头堵塞的情况，测量数据稳定，基本消除了之前数据跳动、变化幅度剧烈的问题，设备维护量明显减少，取得了较好的改造效果。
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