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燃煤電站超低排放濕、凈煙氣煙塵濃度監測系統設計探討
為響應發改委、環保部及國家能源局下發的《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》的要求，國內火力發電集團全面推進燃煤電站煙氣超低排放改造工作，目前，部分機組已經投產。超低排放改造后，燃煤電站機組排放的濕、凈煙氣，煙塵濃度低于5mg/m3，需要設計量程窄、精度高的煙塵濃度監測系統以確保測量的準確性。
本文重點探討了煙塵濃度監測系統主要的測量方法和采樣方式，通過對比分析得出結論，為系統實現窄量程、高精度的煙塵濃度測量提供了設計參考建議。文章zui后，從系統操作、維護和環保驗收角度，分析了系統測定位置設計和儀器安裝要求。
關鍵詞：超低排放；濕、凈煙氣；煙塵濃度測量；煙氣采樣；測定位置
為響應發改委、環保部及國家能源局于2014年9月下發的《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》的要求，國內火力發電集團全面推進燃煤電站煙氣超低排放改造工作，更是提出了“超凈排放（煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于5、35、50毫克/立方米）”、“近*”等高標準、高要求。
煙氣超低排放改造采用的技術路線為對現有的脫硝、除塵和脫硫系統進行提效改造[1]，有多種可行有效的技術組合方案，如國內600MW機組部分采用在除塵器前加裝低溫省煤器+靜電除塵器高頻電源改造+脫硝增加催化劑+吸收塔整流、更換除霧器+吸收塔后濕式電除塵器的組合方案；國內1000MW機組部分采用管式GHH降溫+低低溫靜電除塵器+雙托盤吸收塔+吸收塔后濕式電除塵器的組合方案[1]，均有效減少了污染物的排放，達到了超低排放的指標要求。
超低排放改造后，機組經濕法除塵排放的凈煙氣相比原脫硫出口煙氣，煙塵濃度大幅度降低（低于5mg/m3）且濕度增大，煙塵濃度監測系統設計應采用更為合理的測量方法與采樣方式，以滿足超低排放濕、凈煙氣測量的量程與精度要求。
1煙塵濃度測量方法
標準化組織在其推薦的標準ISO7027-1984中將透射法和散射法定為濁度測量的兩種標準測量方法，這兩種方法也是國內環保法推薦的煙塵濃度測量基本方法[4]。透射法煙塵濃度測量是利用煙氣中懸浮顆粒對入射光束的吸收和散射作用使光線強度衰減的原理，利用朗伯-比爾定律計算煙氣中的含塵量。
散射法煙塵濃度測量是利用測量入射光束被煙氣中懸浮顆粒散射所產生的光的強度來實現的。散射光的強度與煙塵濃度成正比例，灰塵越多，所產生的散射光越強。散射光被接收接收，通過光敏二極管上進行光電轉換，產生電信號，該電信號由微處理器進行處理，即可得到煙塵濃度。
比較以上兩種煙塵濃度測量方法，透射法可以獲得很大的煙塵濃度測量范圍，儀表的校準也比較簡單，適合煙塵濃度較高的原煙氣測量，但其zui小測量范圍過寬（一般為0～20mg/m3），且分辨率不高，用于低濃度凈煙氣測量時，誤差大。
另外，透射法測量裝置安裝復雜，受振動影響較大，在橫截面很大的煙道上使用不具備優勢。散射法的測量范圍很窄為0～200mg/m3，zui小測量范圍可達0～2mg/m3，分辨度可達0.02mg/m3[２]，用于低濃度凈煙氣測量時，可以獲得很高的測量精度。
且散射法測量裝置安裝于煙道單側外壁，不需安裝反射鏡，安裝方便，易于維護，因此凈煙氣煙塵濃度宜采用散射法測量，但散射法采樣距離有限，僅能測量煙道避附近的煙塵濃度，不能像透射法一樣，反應整個煙道內煙塵分布情況，所以應用時，還需根據濃度分布曲線修正測量結果。
2濕煙氣采樣方式
濕煙氣測量易選用抽取式采樣方式。抽取式采樣分*抽取法和稀釋抽取法[3]。
目前國內燃煤電站大多數采用*抽取法進行煙氣采樣，但是以往*抽取法采樣方式應用于濕煙氣測量時，由于煙氣中冷凝水滴和水霧對顆粒物監測的干擾，測量不夠，特別是用于超凈煙氣測量時，更容易產生較大的誤差。因此濕煙氣煙塵儀的采樣系統應設計采用具有濕煙氣水分預處理功能的抽取系統。
此系統主要功能組成部分由取樣探頭、取樣管線、樣氣預處理裝置、射流風機、射流取樣器、分析儀器組成。其采樣處理過程及原理為：射流風機以一定的速度將冷空氣注入射流取樣器中，從而產生負壓，將煙道中的煙氣由取樣探頭從煙道中抽取煙氣并引入樣氣預處理裝置，此裝置為一霧化腔式，使濕煙氣加熱氣化后進入分析儀器，可有效排除冷凝水滴和水霧對分析儀器的測量影響，從而實現的煙塵濃度測量。
相比*抽取取樣方式，稀釋抽取法取樣系統對濕煙氣進行了零空氣稀釋處理，其主要功能組成部分由采樣探頭、采樣管線、射流風機、射流取樣器、稀釋風機、分析儀器等組成。其采樣處理過程及原理為利用射流風機產生的負壓將煙氣經由采樣探頭吸入采樣管線，同時稀釋風機吸取零空氣為稀釋風在采樣管線前端與濕煙氣迅速混合，形成一定比例的稀釋煙氣，送至分析儀器中進行煙塵濃度測量。
稀釋風可以達到減少濕煙氣中冷凝水滴和水霧的影響目的，而更為有效的手段是在采樣系統中引入加熱模塊的設計，煙氣采樣前，先對稀釋風和采樣管路進行加熱，通過溫控器控制采樣管線煙氣入口閥門的開關，當溫度達到預定值時，連鎖打開閥門，濕煙氣在采樣加熱過程中變為干煙氣，排除了濕氣對測量的影響，進一步提高煙塵濃度測量的精度。
以上兩種濕煙氣采樣方式均可得到較高的測量精度。稀釋抽取采樣系統，樣氣中混合了大量的純凈空氣，使得凈煙氣的煙塵濃度大幅度降低，分析系統必須具有較高的靈敏度，同時，考慮樣品稀釋環節的誤差傳遞因素，系統需對不同的稀釋比進行檢測和補償，等速采樣，并對測量結果進行修正。*抽取采樣系統相比稀釋抽取采樣系統，流速高、抽氣量大，對儀器的腐蝕較重，也易造成系統堵塞，日常維護量更大。
3測定位置及儀器安裝
對于煙塵濃度測量，測定位置應優先選擇在垂直管段和煙道負壓區域，應避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。測定位置應設置在距矩形煙道彎頭、變徑下游方向不小于4倍煙道當量直徑（當量直徑D=2AB/（A+B），式中A、B為邊長），以及距上述部件上游方向不小于2倍煙道當量直徑處[3]。
在實際超低排放改造工程中，在原本有限的現場空間加裝濕式電除塵器后，濕式電除塵器至煙囪間的煙道長度通常遠不能滿足6倍煙道當量直徑的要求。因此測量裝置建議安裝在垂直煙囪上（離地面高度50米至60米），以確保前后直管段要求。
對于條件受限需要在煙道上安裝的情況，測定位置需選擇煙氣流速穩定的斷面，并保證安裝位置前直管段大于后直管段（一些煙塵儀廠家的設計經驗為前直管段4米，后直管段2米）。測定位置選擇不易距離煙道壁過近，置于煙道側壁中心位置，對于水平煙道應考慮煙塵的重力沉降因素。
為了便于運行、維護和標準分析取樣，煙塵測量裝置應設置*、安全、便于采樣和測試的操作平臺，操作平臺尺寸建議不小于2000mm×2000mm，便于裝置控制單元和標準采樣分析正常操作。另外，考慮攜帶儀器人員通行方便，通往操作臺應設置“之”字形樓梯，樓梯寬度不小于0.9米，且有安全的保護措施。