锅炉超低排放烟气在线监测技术探讨

宋玲玲

(阳煤集团平定化工有限责任公司，山西 平定 045200)

引 言

现阶段，我国的工业发展迅速，逐步成为社会经济的中流砥柱，与建筑业、农业并列为基础行业。随着工业发展规模的不断扩大，烟气的排放量逐年增长，对周边的生态环境造成较为严重的影响，如土地污染、水质污染以及空气污染等。

随着工业发展规模的迅速扩张，烟气排放量逐年增长，空气环境污染问题严重，引起社会各界的广泛重视。近些年来，政府陆续出台了以《煤电节能减排升级与改造行动计划》为首的一系列相关文件，以此表现对火电厂实施超低排放改造的大力支持与推广，并已经在我国东部地区试行。

经过试点后，创新发展期间全国范围内将实施火电厂超低排放改造。改造后的火电厂将执行烟尘10 mg/m3、二氧化硫35 mg/m3、氮氧化物50 mg/m3的烟气排放限值标准。经过改造后的火电厂在生产过程中，烟气污染物的浓度大幅降低，增大了排除烟气中的水分含量，烟气特性也随之发生了很大变化。基于绿色发展理念，当前对火电厂污染物排放在线监测的精确性提出了较高的性能要求。由此可见，超低排放试点电厂烟气在线监测系统的创新研发势在必行，且必须明确其性能特点[1]。

1 火电厂烟气在线监测技术发展现状

1.1 非分散红外/紫外吸收法SO2和NOx监测技术

非分散红外吸收法监测技术是我国开展“十一五”及“十二五”期间最常见的在线监测手段，尤其是在脱硫及脱硝等方面，其中含有部分紫外吸收技术。非分散红外吸收法监测技术以朗伯-比尔吸收定律的光谱吸收技术为基础，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(I=I0e-KCL)。

1.2 紫外荧光法SO2监测技术

紫外荧光法的技术基础是分子发光技术，在部分情况下，SO2气体分子吸收波长基本保持在190 nm～230 nm,紫外线能量呈激发态分子，激发态下的SO2分子并不稳定，受到任意刺激的情况可瞬间返回基态，正常激态下的SO2分子可发射波长为330 nm的特征荧光。当SO2分子的浓度较低时，所产生的特征荧光强度与SO2分子浓度呈线性关系。

1.3 化学发光法NOX监测技术

NOX监测技术的基础就是化学发光法，它是通过特殊条件实现NO与过量O3的化学反应，促使两者合成激发态的NO2。前文提到，激发态下的SO2分子较易受到外界刺激，从而返回基态，NO2分子与SO2同理。当激发态的NO2分子瞬间返回基态的情况下，会制造波长900 nm的近红外荧光。当烟气浓度较低时，NO与O3的化合反应能够保持光强度与NO浓度的数据平衡，从而达到线性关系，有助于计算气体NO的浓度。通常情况下，我们会采用NO+O3→NO2+O2以及NO2→NO2+hγ计算NO的浓度。

1.4 烟尘监测技术

随着烟尘监测技术不断的更新换代，烟尘监测技术也分为多种形式，主要包括光透射法烟尘监测技术、光散射法烟尘监测技术、电荷法烟尘监测技术以及β射线吸收法烟尘监测技术等。

光透射法烟尘监测技术。同非分散红外吸收法监测技术一样，光透射法烟尘监测技术也是将朗伯-比尔的吸收定律作为基础理论。光通过含尘烟气的过程时，其透过率与烟尘浓度逐渐形成下降关系，两者相应数据显示随之降低。在实际应用该定律的过程中，研发出单光程与双光程两种仪器，为透过率与烟尘浓度关系研究提供了设备保障。

如果采用光透射法验证透过率与烟尘浓度的关系，相关工作人员应当时刻注意颗粒物粒径分布状态，否则将无法保证光透射法结果的准确性。由于颗粒物粒径分布状态对光透射法的影响较大，导致光透射法的灵敏度不高。基于此，光透射法仅适用于烟尘浓度高、烟道直径大且烟气湿度低等状况。

光散射法烟尘检测技术从原理上讲，当光线照射在烟尘上时会被烟尘吸收与散射处理，散射光的入光路径将结合烟尘浓度而发生改变，散射光的强度与烟尘粒径和入射光波长具有较大的关联性。从本质上讲，光散射法就是通过测量散射光的强度来监测烟尘浓度，在光散射法的实际运用过程中，将光的散射逐渐分化成前向散射、后向散射以及边向散射三种类型。

由于光散射技术的灵敏度远超非分散红外吸收法监测技术以及光透射法烟尘监测技术，因此该项技术的测量质量浓度范围从0.1 mg/m3分布至5 mg/m3，适用范围较广，所有烟尘浓度低、烟道直径小等情况均可使用光散射技术。虽然该技术的计算精度及灵敏度高于其他两种在线监测技术，且适用范围相对较广，但是同样受到水汽的影响，不适合烟气湿度高的情况。

1.5 烟气预处理技术

现阶段，国内多数的CEMS系统以非分散红外/紫外吸收法技术作为基础，通过直抽法进行烟尘取样，其真实目的主要是为了防止系统堵塞和水汽对测量的干扰，基于此，在计算相应数值之前，需要执行烟气预处理，具体就是对烟气进行除尘与干燥处理。预处理装置的处理效果将直接影响CMES系统的整体性能，通常以处理后的烟气露点作为主要参考数值，以此判断预处理的性能。

在实际开展烟气预处理工作的过程中，最常见的预处理方式就是“过滤+冷凝”。在多种预处理手段中，烟气过滤除尘技术相对成熟，且预后工作完善，实施该项技术的过程中较为常用的零部件包括金属滤芯、陶瓷烧结滤芯以及膜式过滤器等。通常情况下，采样探头处应进行初步过滤，烟气样本在进入分析仪之前应当进行深度过滤，且深度过滤后烟气的颗粒物的粒径必须达到0.5 μg～1 μg[2]。

2 几种烟气在线监测技术的性能比较

截止目前，国内最常见的烟气在线监测技术为非分散红外吸收法、非分散紫外吸收差分法以及化学发光法三种类型。结合实际效果分析，非分散红外吸收法的最小量程为0 mg/m3～308 mg/m3，非分散紫外吸收法的最小量程为0 mg/m3～100 mg/m3，而化学发光法的最小量程为0 mg/m3～0.1 mg/m3。从实际的检出下限来看，非分散红外吸收法的检出下限为≤1.5 mg/m3，非分散紫外吸收法的检出下限为≤1.05 mg/m3，而化学发光法的检出下限为0.33×10-3。

非分散红外吸收法适用于高烟尘、低湿度、高浓度的场所，非分散紫外差分法则适用于高烟尘、低湿度以及中浓度的情况，而化学发光法则适用于中低烟尘、高湿度以及低浓度的实验场所。结合以上数据分析，传统的非分散红外吸收法分析仪中，SO2分子以及NOx分子的最小量程分别为286 mg/m3和308 mg/m3，无法满足当前社会对火电厂超低排放污染物的在线监测需求[3]。另一方面，紫外荧光法与化学发光法中，对SO2分子以及NOx分子的最小量程的检出下限极低，自身具备灵敏度高、选择型号、试样量少以及操作简单等优势，广泛分布于生物学、医药学以及环境科学等多个领域。

3 结语

综上所述，国内工业领域实施超低排放改造措施势在必行，且在实施改造后，进出口的烟气特性差异相对较大。在环境污染问题及绿色发展理念的影响下，烟气监测对CEMS系统的配置提出了更高更具体的技术要求。