CN106053375B - 一种燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测系统，包括采样单元，反吹单元，伴热管线、标定单元，露点仪，抽气泵，NOX转换器，分析装置，数据采集处理传输单元，其特征在于：所述在线监测系统在标定单元和露点仪之间设有加酸除湿器，用于对进入加酸除湿器的烟气进行酸化处理，防止烟气中待测组分溶解在冷凝液中；所述加酸除湿器带有就地标定通道，用于分析装置的零点和量程标定。本发明解决了如何准确可靠在线监测燃煤电厂脱硫脱硝后烟气中二氧化硫、氮氧化物超低排放的问题，为燃煤电厂超低排放工艺提供参数，满足国家超低排放在线监测的要求。
Description
技术领域
本发明涉及固定污染源大气污染物监测，特别涉及燃煤电厂大气污染物超低排放在线监测系统。
背景技术
超低排放是指火电厂燃煤锅炉在发电运行、末端治理等过程中，采用多种污染物高效协同脱除集成系统技术，使其大气污染物排放浓度基本符合燃气机组排放限值，即烟尘、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)排放浓度分别不超过10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，其目的是减少燃煤电厂常规大气污染物排放，有效改善环境质量，全面实施超低排放，可大幅降低发电煤耗和污染排放。
超低排放CEMS由多个子监测系统组成，其核心是气态污染物监测子系统，即SO2和NOx在线监测子系统。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》(HJ/T76-2007)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)。
目前，适合用于超低排放低量程在线检测的样品取样方法有稀释抽取法、冷干直抽法及热湿直抽法。环保标准明确规定，烟气污染物排放浓度指在标准状态下干烟气的数值，即干基测量；同时，从系统稳定性、成本、系统普及性等方面分析，最成熟的方案是冷干直抽法。
燃煤电厂现有超过90％的CEMS都采用冷干直抽法，但是传统冷干直抽法对超低排放高含湿量、低浓度的烟气进行浓度检测，特别是低于50mg/Nm3的情况下，势必在冷凝器中析出冷凝水，会溶解小于35mg/Nm3的SO2；同时，由于分析仪标定和系统标定与实际烟气情况差距大，造成分析误差，数据失真。因此，在高湿度、低量程情况下精确测试SO2和NOx成为传统冷干直抽法CEMS的技术难点。
中国专利号：201410309049.5，专利名称：“一种污染源二氧化硫排放在线监测系统及方法”，权利要求书1中“一种污染源二氧化硫排放在线监测系统，所述监测系统包括预处理装置、加热部件、冷凝装置及检测装置；其特征在于：所述监测系统进一步包括：注入装置，所述注入装置在所述预处理装置和冷凝器之间的管路上，用于向所述管路内注入浓度处于1-25％之间的磷酸”；权利要求书4：“第二容器，所述冷凝装置的液体输出端处于所述第二容器内液面之下；第二输送装置，所述第二输送装置设置在注入装置和第二容器之间的管路上；加热装置，所述加热装置用于加热所述第二容器内的液体”。
中国专利申请号：CN201510147553.4，申请专利名称：“一种低浓度烟气检测预处理除水方法及装置及其烟气检测应用系统，低浓度烟气检测预处理除水方法”，“权利要求8，其特征在于，所述的步骤(2)中酸液的引入温度范围70-100℃，同时泵与三通阀的连接管道上通过缠绕加热丝加热，在三通阀与冷凝器连接管道上通过缠绕加热丝加热，对以上两处管道以及三通阀通过温控单元进行温度控制，温度控制范围为70-100℃”；权利要求9，其特征在于所述的步骤(2)中所引入酸液的浓度范围为25％-85％；权利要求10，其特征在于所述的酸液为高氯酸、氢碘酸、硫酸、、氢硫酸、盐酸、硝酸、草酸、亚硫酸、丙酮酸、磷酸、碳酸，亚硝酸、柠檬酸、氢氟酸、甲酸、乳酸、苯丙酸，丙烯酸、乙酸，丙酸，硬脂酸、氢硫酸或次氯酸，或两种以上酸的混合溶液。
以上专利技术方案都对进入冷凝装置的酸液浓度进行了限定，同时对酸液进行不同程度上的加热，这样可以在一定程度上抑制SO2、NO2等组分在水中的溶解，保证测定待测组分的准确性；但是上述方案也存在一定的缺陷，1)未能很好地控制所加的酸液浓度，酸液浓度过大可能造成物料浪费，增加废料处理成本，甚至腐蚀冷凝器热交换管；2)无系统标定。
因此，针对现有的大气污染物排放在线监测系统的缺陷，开发一种运用于火电厂大气污染物超低排放在线监测系统具有重大意义。
发明内容:
为了解决现有技术方案中的不足，本发明提供了一种燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测系统，适用于超低排放高湿环境下低浓度SO2、NOx的在线监测。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：
一种燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测系统，包括采样单元，反吹单元，伴热管线、标定单元，露点仪，抽气泵，NOx转换器，分析装置，数据采集处理传输单元，其特征在于所述在线监测系统在标定单元和露点仪之间设有酸除湿器，用于对进入加酸除湿器的烟气进行酸化处理，防止烟气中待测组分溶解在冷凝液中；所述加酸除湿器带有就地标定通道，用于分析装置的零点和量程标定。
优选地，本发明在线监测系统，所述加酸除湿器采用三口直冷式热交换管，三口分别为进气口、出气口和加酸口，其摒弃了传统的三通阀，空气流通管等装置，最大程度的减少了烟气和冷凝水的接触面积和接触时间。
所述加酸除湿器采用两级冷凝除湿，包括加酸口，分析装置就地标定入口，烟气进口，烟气出口，两个冷凝物出口；前级采用非螺旋式三口直冷式热交换管，包括出气口，进气口，加酸口，冷凝液出口。
所述加酸除湿器带有三个蠕动泵。
所述加酸除湿器所加酸液为中强酸酸溶液，通过检测加酸除湿器冷凝液pH值，控制酸液浓度。
进一步地，冷凝液pH值≤1.5。
与现有技术对比，本发明具有的有益效果为：
1、设计了带有三口直冷式热交换管的一体化加酸除湿器，可以对分析仪或分析装置进行标定，同时有利于减少烟气中待测组分与加酸除湿器冷凝液的接触时间和接触面积，可以降低低浓度SO2、NOx的丢失率。
2、通过检测冷凝液pH值调整加酸浓度，避免了单纯地通过提高所加酸液浓度降低低浓度SO2、NOx在冷凝液中溶解率的缺陷，降低了加酸成本，可将待测组分丢失量控制在0-1μmol/mol。
3、未对加酸过程或者加酸容器进行任何程度地加热，降低了能耗和维护量。
4、满足超净排放对低浓度SO2、NOx总量的在线监测。
本发明未对加酸过程或者酸容器进行任何程度地加热，设计了专用的三口直冷式热交换管和带有标定通道的一体化加酸除湿器，通过检测最终冷凝液的pH值来调整加入酸液的浓度，可以将待测组分丢失量控制在0-1μmol/mol，此外，在分析装置前增设NOx转化器，将NO2转化为NO，可以满足环境标准对NOx总量测定的要求。
附图说明:
图1是本发明实施例在线监测系统的连接示意图。
图中，采样单元1，反吹单元2，标定单元3，加酸除湿器4，露点仪5，抽气泵6，NOX转换器7，红外分析仪8，双管电加热伴热管线9。
图2是实施例中加酸除湿器第一级三口直冷式热交换管的结构示意图。
图中，出气口2-1，进气口2-2，加酸口2-3，冷凝液出口2-4。
图3是实施例中加酸除湿器结构示意图。
图中，加酸口3-1，分析装置就地标定入口3-2，烟气进口3-3，烟气出口3-4，冷凝物出口3-5和3-6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对于本发明做进一步说明。
以下实施例在线监测系统用于燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测，特别是超低排放高湿环境下低浓度SO2、NOx的在线监测。
实施例：在线监测系统如附图1所示，主要包括采样单元1，反吹单元2，双管电加热伴热管线9、标定单元3，露点仪5，抽气泵6，NOx转换器7，红外分析仪8以及数据采集处理传输单元，其主要创新之处是监测系统在标定单元3和露点仪5之间设有加酸除湿器4，用于对进入加酸除湿器的烟气进行酸化处理，防止烟气中待测组分溶解在冷凝液中；所述加酸除湿器4带有就地标定通道，用于分析装置的零点和量程标定。
实施例中，采样单元1，包括可0-250℃可调加热护套，优先选择180℃加热护套；可选择1米-3米的采样探杆，优先选取1.5米长期保持稳定高温加热，采样过程中会产生因样品压力降低形成热衰减，即焦耳-汤普森热衰减效应，为了防止烟气在探头腔体冷凝，需要对探头部件加热保温，探头加热温度0-200℃可调，优选的180℃探头。探头内部带有初级过滤器，除去烟气中的颗粒物等。
反吹单元2，为了防止探头堵塞，采用预加热压缩空气定时对探头及过滤器脉冲反吹，同时反吹压缩空气通过盘管模拟烟气充分预热，防止温度过低导致气体冷凝。
标定单元3，用于超低排放在线监测系统的系统标定，通过电磁阀切换，零点气和量程气经双管电加热伴热管线进入采样单元，之后气体流经路径与烟气一致，可以最大程度保证系统测量的精度、准确性。由于烟气连续排放在线监测系统大都采用基于非分光红外技术的分析仪，水汽对红外干扰始终存在。因此，对于在线监测系统中的标定，标准气体露点温度应与烟气露点温度一致，即要求零点气、量程气都应在除湿器前进样，同时零点气、量程气与烟气的压力、流量应一致。
加酸除湿器4如图3所示，两级冷凝除湿，包括加酸口3-1，分析装置就地标定入口3-2，烟气进口3-3，烟气出口3-4，冷凝物出口3-5和3-6。前级使用了为非螺旋式热交换管的三口直冷式热交换管，如图2所示，包括出气口2-1，进气口2-2，加酸口2-3，冷凝液出口2-4。加酸除湿器4，带有三个蠕动泵，其中一个用于加酸，在热交换管加酸口中加入一定百分含量的磷酸，监测冷凝液pH值，需保持测得冷凝物的pH值≤1.5。使用1r/min蠕动泵将酸液通过输送管泵入三口直冷式热交换管，使用两个5r/min蠕动泵将加酸除湿器的冷凝液由热交换管底部(3-5、3-6)排出，SO2、NOx在冷凝液中丢失率低。冷凝液通常采用蠕动泵泵出，与传统重力排放相比，降低了工作维护量。传统重力排放会因冷凝液收集器被充满后无法继续工作，从而导致严重后果。
加酸除湿器带有标定通道，若不需要系统标定，可从加酸除湿器烟气进口(3-3)或增加一个旁路(即分析装置就地标定入口3-2)，用于零点气和量程气的进入，从而用于分析装置就地标定。
露点仪5，位于加酸除湿器之后，用于监测经加酸除湿器处理后烟气的露点。若超过设定的露点值，系统将发出警报，并关断进样电磁阀停止采样或从旁路采集环境空气。
NOx转换器7，可将NO2转换为NO，原烟气中NO保持不变，从而通过监测NO测量烟气中NOx。烟气中的氮氧化物主要有NO、NO2组成，NO的含量一般占到90％以上。NOx转换器可以以金属钼、不锈钢或者碳等物质为催化剂。实际应用中，在NOx转换器之后，需要加载精细过滤器过滤以及膜式过滤器得到干净烟气之后，再进入红外分析装置从而得到准确以及稳定可靠的监测数据。
双管电加热伴热管线9，采用了耐高温样品传输管，为了使其保持在设计需要的工作温度，采用了两端加热的方式，比一般单端加热效果更好，温度更稳定，温度可选0-200℃，超净排放温度一般设置在100-200℃，优选的180℃。
应用实例
步骤1)、利用零点气99.999％高纯氮气和量程气14μmol/mol(约39.1mg/m3)SO2标准气体，经标定单元电磁阀进气，进入双管电加热伴热管线9、采样单元1、加酸除湿器4、露点仪5到机柜内，再经NOx转换器7后进入非分光红外分析仪8，对分析系统进行系统标定，记录湿度为0％和未加磷酸时加酸除湿器时系统SO2浓度测得值，同时记录分析仪的零点和量程漂移，用于校正SO2修正值。
步骤2)、磷酸浓度约5％-10％，通过pH值传感器记录所配酸液的pH值，同时检测冷凝液pH值。实验中固定磷酸pH值为1.1，通过蒸汽发生器模拟现场高湿环境，测试并记录不同湿度环境下系统加酸时SO2浓度测得值。
步骤3)、固定湿度为30％，减小磷酸pH值至0.7，测试并记录不同湿度环境下系统加酸时SO2浓度测得值。
步骤4)、固定湿度为30％，测试并记录系统不加酸时SO2浓度测得值。
SO2测得值和SO2修正值，计量单位为mg/m3。
| 气体 | 湿度 | 酸液 | SO<sub>2</sub>测得值 | SO<sub>2</sub>修正值 | 说明 |
| N<sub>2</sub> | 0％ | 无 | -3.4 | 0 | 通N<sub>2</sub>零点漂移 |
| SO<sub>2</sub> | 0％ | 无 | 34.5 | 37.9 | 通SO<sub>2</sub>量程漂移 |
| SO<sub>2</sub> | 5％ | pH＝1.1 | 34.3 | 37.7 | |
| SO<sub>2</sub> | 10％ | pH＝1.1 | 34.7 | 38.1 | |
| SO<sub>2</sub> | 15％ | pH＝1.1 | 34.6 | 38 | |
| SO<sub>2</sub> | 20％ | pH＝1.1 | 34.6 | 38 | |
| SO<sub>2</sub> | 25％ | pH＝1.1 | 34.6 | 38 | |
| SO<sub>2</sub> | 30％ | pH＝1.1 | 33.8 | 37.2 | |
| SO<sub>2</sub> | 30％ | pH＝0.7 | 34.9 | 38.3 | |
| SO<sub>2</sub> | 30％ | 无 | 29.4 | 32.8 | 多次实验，19～33/mg/m<sup>3</sup> |
可以看出高湿度环境下，SO2会溶解于冷凝液中，造成丢失，实验中SO2最大丢失率可达50％；加酸会抑制SO2的溶解，酸性越强，抑制效果越好，但随着pH降低，效果变缓，pH＜1后差别更小，但加酸不会完全消除SO2在冷凝液中的溶解。
在磷酸pH＝1左右的情况下，40mg/m3以内的SO2标准气在水分30％以内的条件下，绝对丢失率＜1mg/m3。
Claims (4)
1.一种燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测系统，包括采样单元，反吹单元，伴热管线、标定单元，露点仪，抽气泵，NOX转换器，分析装置，数据采集处理传输单元，其特征在于：所述在线监测系统在标定单元和露点仪之间设有加酸除湿器，用于对进入加酸除湿器的烟气进行酸化处理，防止烟气中待测组分溶解在冷凝液中；所述加酸除湿器带有就地标定通道，用于分析装置的零点和量程标定；所述加酸除湿器采用两级冷凝除湿，包括加酸口，分析装置就地标定入口，烟气进口，烟气出口，两个冷凝物出口；前级采用非螺旋式三口直冷式热交换管，包括出气口，进气口，加酸口，冷凝液出口；所述三口直冷式热交换管，三口分别为进气口、出气口和加酸口。
2.根据权利要求1所述的燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测系统，其特征在于：所述加酸除湿器带有三个蠕动泵。
3.根据权利要求1所述的燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测系统，其特征在于：所述加酸除湿器所加酸液为中强酸酸溶液，通过检测加酸除湿器冷凝液pH值，控制酸液浓度。
4.根据权利要求1所述的燃煤电厂烟气污染物超低排放在线监测系统，其特征在于：所述冷凝液pH值≤1.5。
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