摘要：介紹了固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的組成，對測量方法進(jìn)行了比較。探討了固定污染源CEMS在工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，操作人員可以實(shí)時(shí)了解煙氣排放情況，提高工業(yè)廢物焚燒效率和煙氣處理效率，節(jié)省能源和原材料，保證工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒中產(chǎn)生的有害氣體排放指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：工業(yè)危險(xiǎn)廢物；焚燒；固定污染源；煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)
Application of Continuous Emission Monitoring System for Fuel Gas from Stationary Pollution Sources to Incineration of Industrial Hazardous Wastes
Abstract：The composition of continuous emission monitoring system (CEMS) for fuel gas from stationary pollution sources is introduced，and the measurement methods are compared. The practical application of CEMS to incineration system of industrial hazardous wastes is discussed. The operators can real-timely know the flue gas emission to improve the incineration efficiency of industrial hazardous wastes and the treatment efficiency of flue gas，save energy source and raw materials and ensure that the emission indexes of harmful gases arising from incineration of industrial of industrial hazardous wastes meet the national standard.
Key words：industrial hazardous waste；incineration；stationary pollution source；continuous emission monitoring system for fuel gas
1 固定污染源CEMS組成
工業(yè)危險(xiǎn)廢物在焚燒過程中會產(chǎn)生太量的有害氣體(如CO、SO2、HCl、HF等)和煙塵，若任其排放，會污染大氣，因此國家制定了嚴(yán)格的危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)[1]。判斷焚燒和煙氣處理設(shè)備工作是否正常、煙氣排放指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)，就要依靠固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱CEMS)進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)測。
固定污染源CEMS由連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心等組成。連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)由顆粒物CEMS、氣態(tài)污染物CEMS、煙氣參數(shù)測定子系統(tǒng)組成，用于測定煙氣中污染物含量，并測定煙氣溫度、壓力、質(zhì)量流量、含氧量等；計(jì)算煙氣污染物排放率、排放量；顯示和打印各種參數(shù)及圖表，并通過數(shù)據(jù)、圖文傳輸系統(tǒng)傳輸至管理部門；實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)能參與焚燒的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制及連鎖。
顆粒物CEMS主要監(jiān)測燃料和其他物質(zhì)燃燒、合成、分解以及各種物料在處理中產(chǎn)生的懸浮于煙氣中的固體和液體顆粒狀物質(zhì)；氣態(tài)污染物CEMS主要監(jiān)測以氣體狀態(tài)分散在煙氣中的各種污染物；煙氣參數(shù)測定子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集傳輸煙氣溫度、壓力、質(zhì)量流量、濕度、含氧量、二氧化碳含量[2]。
2 測量方法
2.1 測量方法分類
① 干法抽取法
干法抽取法要求樣氣無塵、除濕、低溫。因此，樣氣在到達(dá)分析儀之前必須經(jīng)過過濾除塵、除濕和冷卻等處理。
② 完全抽取法
完全抽取法要求在分析儀探頭端部去除煙塵，保持樣氣處于熱態(tài)，在煙氣成分測量的全過程中保留水分。因此，完全抽取法要求在整個(gè)采樣和分析過程中，樣氣溫度始終保持在酸露點(diǎn)以上，以免酸液腐蝕儀器。
③ 稀釋抽取法
抽取少量的樣氣過濾后再用清潔干燥的空氣按1:100進(jìn)行稀釋，使樣氣達(dá)到常態(tài)下不結(jié)露，再采用普通環(huán)境空氣分析儀進(jìn)行分析。在采用稀釋抽取法時(shí)，清潔干燥空氣要去除灰塵和水蒸氣，以免影響測量精度，因此在空氣凈化系統(tǒng)中裝備有去除灰塵、水蒸氣的過濾器和滌氣器。
④ 橫貫煙囪在線法
橫貫煙囪在線法無需抽取采樣，通過發(fā)射一束測量光線穿過煙道，利用污染物的特征吸收光譜進(jìn)行測量，即時(shí)性強(qiáng)，但設(shè)備造價(jià)較高。發(fā)射器安裝在煙囪一側(cè)，接收器安裝在相對應(yīng)的另一側(cè)。雖然儀器響應(yīng)快，但不能現(xiàn)場動(dòng)態(tài)調(diào)零和校準(zhǔn)。確定零點(diǎn)和校準(zhǔn)，需要排除通過光學(xué)取樣路線的煙氣，用零氣體(清潔干燥的空氣)取代煙氣才能對儀器進(jìn)行調(diào)零，再用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)。因此，橫貫煙囪在線法在實(shí)際監(jiān)測工作中運(yùn)用難度較高。另外，當(dāng)煙囪振動(dòng)較大時(shí)，由于測量光線不穩(wěn)，易造成測量結(jié)果波動(dòng)很大，不能得到穩(wěn)定的測量值。
2.2 測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)
① 干法抽取法。優(yōu)點(diǎn)為：是已被證實(shí)可靠的技術(shù)；大多數(shù)分析儀制造商均采用這種方法；測量精度較高。缺點(diǎn)為：由于采用干基測量，需要采用其他方法確定煙氣的濕度，以計(jì)算煙氣的質(zhì)量流量；在高硫分場所，存在酸冷凝的可能；樣氣處理設(shè)備需要經(jīng)常維護(hù)；需要大量的干燥用氣；使得運(yùn)行費(fèi)用較高、取樣流量較大，減短了過濾器的使用壽命。
② 完全抽取法。優(yōu)點(diǎn)為：是已被證實(shí)可靠的技術(shù)；能直接測量煙氣的濕度；分析儀維修量小。缺點(diǎn)為：需配置伴熱管道、耐熱分析儀；煙氣的濕度會影響氮氧化物的測量精度；制造廠家較少；取樣流量較大，過濾器的使用壽命較短。
③ 稀釋抽取法。優(yōu)點(diǎn)為：是已被證實(shí)可靠的技術(shù)；分析儀維修量??；不需要伴熱管道；樣氣流量低；過濾器的使用壽命長；制造廠家較多。缺點(diǎn)為：需要修正壓力和溫度條件的變化；為保證測量的準(zhǔn)確，清潔干燥空氣需進(jìn)行凈化處理；需要經(jīng)常對取樣管道進(jìn)行防凍處理，并對探頭加熱。
④ 橫貫煙囪在線法。優(yōu)點(diǎn)為：實(shí)時(shí)分析；不需要設(shè)置采樣管道。缺點(diǎn)為：制造廠家較少；電子線路安裝在環(huán)境惡劣的場所，容易損壞；維修不便；測量光線程長受限制；不適用于振動(dòng)較大的場所。
3 在工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1 連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)
在工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，針對連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)過對多種產(chǎn)品進(jìn)行比較，我們最終選用了由德國SICK公司生產(chǎn)的MCS100E型煙氣分析儀、GM-700型可調(diào)諧二極管激光分析儀、FW300型煙塵分析儀；選用由美國FOX公司生產(chǎn)的10A型熱式質(zhì)量流量計(jì)；選用Pt100熱電偶測量煙氣溫度。MCS100E型煙氣分析儀采用完全抽取法，用于測量煙氣中HCl、SO2、NOx、CO、CO2、O2的含量及濕度；GM-700型可調(diào)諧二極管激光分析儀用于測量煙氣中HF的含量；FW300型煙塵分析儀用于測量煙氣的含塵量。
① MCS100E型煙氣分析儀采用單光束雙波長紅外光度計(jì)，并運(yùn)用氣體濾波技術(shù)，可同時(shí)測量多個(gè)氣體組分，并對干擾組分進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。該煙氣分析儀由取樣系統(tǒng)、系統(tǒng)機(jī)柜組成。取樣系統(tǒng)包括：帶加熱過濾器的高溫取樣探頭及適合高溫條件運(yùn)行的測量、吹掃、校準(zhǔn)閥組和伴熱取樣管道；系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)安裝高溫測量系統(tǒng)，包括配置高溫測量氣室的紅外光度計(jì)、高溫取樣泵、高溫流量計(jì)、伴熱樣氣傳輸管道。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可保證所有與氣體接觸的組件溫度均高于煙氣的酸露點(diǎn)，不被腐蝕。
② GM-700型可調(diào)諧二極管激光分析儀的測量原理是利用單線激光光譜測量氣體濃度，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)利用二極管激光器的波長調(diào)諧特性，獲得待測氣體的特征吸收光譜，從而對氣態(tài)污染物進(jìn)行定性或者定量分析。該分析儀直接安裝在煙囪上，用于測量煙氣中HF的含量。
③ FW300型煙塵分析儀采用光透射原理，當(dāng)可控光源穿過帶有微小顆粒的氣體時(shí)，高靈敏傳感器可檢測出被微小顆粒吸收的光能，并將其與參比光進(jìn)行比較從而確定透射值或濁度值，再進(jìn)一步得出煙塵含量。FW300型煙塵分析儀具有以下特點(diǎn)：以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)完成測量、控制、線性測試及污染物檢測功能，反應(yīng)速度快、無采樣處理過程；帶有吹掃裝置，可防止光學(xué)鏡頭面受污染；具備快速切斷閥，可在吹掃裝置失效后自動(dòng)保護(hù)儀器；安裝簡便，發(fā)射與檢測單元可通過法蘭安裝在煙道兩側(cè)；含塵量的測量僅與煙道直徑有關(guān)，與煙氣流速、濕度和顆粒的性質(zhì)無關(guān)；多種信號輸出和顯示，可滿足各類測量、控制與系統(tǒng)集成要求。
④ 1OA型熱式質(zhì)量流量計(jì)利用流體吸收熱量的原理進(jìn)行工作，直接測量結(jié)果為質(zhì)量流量，不需要溫度、壓力補(bǔ)償，能夠精確測量。10A型熱式質(zhì)量流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：采用插入式安裝結(jié)構(gòu)，拆裝檢修方便；信號直接由非電量變換成電量，便于信號處理；在介質(zhì)質(zhì)量流量小、雷諾數(shù)很低的情況下有較好的測量精度；性能穩(wěn)定，維護(hù)與運(yùn)行成本低。
3.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)監(jiān)控中心
我們選擇Adam5000E型數(shù)據(jù)采集設(shè)備，改數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝了兩個(gè)8通道模擬量輸入模塊Adam-5017，用于測量值由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；4個(gè)4通道模擬量輸出模塊Adam-5024，用于將工控機(jī)的處理值由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量；兩個(gè)16通道數(shù)字量輸入模塊Adam-5051S，用于接收分析儀的狀態(tài)信號。Adam5000E型數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過RS232接口與工控機(jī)的串口連接通信。
我們選擇了AES-842型工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在工控機(jī)中安裝了FameView工業(yè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，并對其進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了固定污染源CEMS的監(jiān)控軟件。該軟件具有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理、顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、儲存歷史數(shù)據(jù)和曲線、儲存報(bào)警歷史記錄等功能。
氣態(tài)污染物含量、煙塵含量、煙氣質(zhì)量流量、溫度都是以4～20mA信號傳輸?shù)侥KAdam-5017，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)焦た貦C(jī)，然后再工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過模塊Adam-5024的D/A轉(zhuǎn)換，最后以4～20mA信號傳輸?shù)椒贌到y(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，并通過ControlNet網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控中心的上位機(jī)。上位機(jī)采用AB公司的組態(tài)軟件RSview32(基于Windows環(huán)境的工業(yè)監(jiān)控軟件)，與焚燒系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，以流程圖的形式動(dòng)態(tài)并實(shí)時(shí)地顯示現(xiàn)場的工況參數(shù)、報(bào)警、歷史曲線并參與控制等。
3.3 煙氣處理系統(tǒng)
在工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)的煙氣處理系統(tǒng)中，需采用專用的煙氣脫酸劑對煙氣進(jìn)行脫酸處理。為此，我們在焚燒系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了PID程序，將酸性氣體的排放濃度作為控制變量，結(jié)合煙氣質(zhì)量流量自動(dòng)調(diào)整脫酸劑的加入量，確保酸性氣體排放指標(biāo)達(dá)標(biāo)。另外，我們通過調(diào)整焚燒系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量控制CO的排放指標(biāo)，通過布袋除塵器降低煙氣的含塵量。
3.4 實(shí)際應(yīng)用總結(jié)
通過實(shí)際應(yīng)用，我們認(rèn)為該固定污染源CEMS工作穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確、維護(hù)量小。經(jīng)過必要的定期保養(yǎng)，可以保證長期正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但也存在一些有待改進(jìn)的地方，例如MCS100E型煙氣分析儀的I/OBOX模塊損壞過兩次，由于是德國生產(chǎn)的，價(jià)格昂貴，采購期也很長。若采用SIEMENS生產(chǎn)的S2-700PLC取代I/OBOX模塊，可大大降低維修成本，而且更換方便。另外，我們也逐步將一些消耗品，如吹掃空氣濾芯、采樣濾芯進(jìn)行國產(chǎn)化，從而降低維護(hù)成本。
4 結(jié)論
固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)的應(yīng)用，使操作人員可以實(shí)時(shí)了解煙氣排放情況，提高工業(yè)廢物焚燒效率和煙氣處理效率，節(jié)省能源和原材料，保證工業(yè)危險(xiǎn)廢物焚燒中產(chǎn)生的有害氣體排放指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] GB 18484—2001，危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].
[2] HJ/T 76—2007，固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法[S].
(本文作者：華明良 孟繁增 趙杰 王巒天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津合佳威立雅環(huán)境服務(wù)有限公司 天津 300191)
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