固定污染源CEMS在工業危險廢物焚燒的應用

摘 要

摘要：介紹了固定污染源煙氣排放連續監測系統(CEMS)的組成，對測量方法進行了比較。探討了固定污染源CEMS在工業危險廢物焚燒系統的實際應用，操作人員可以實時了解煙氣排放情況，提
摘要：介紹了固定污染源煙氣排放連續監測系統(CEMS)的組成，對測量方法進行了比較。探討了固定污染源CEMS在工業危險廢物焚燒系統的實際應用，操作人員可以實時了解煙氣排放情況，提高工業廢物焚燒效率和煙氣處理效率，節省能源和原材料，保證工業危險廢物焚燒中產生的有害氣體排放指標符合國家標準。
關鍵詞：工業危險廢物；焚燒；固定污染源；煙氣排放連續監測系統
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
   工業危險廢物在焚燒過程中會產生太量的有害氣體(如CO、SO2、HCl、HF等)和煙塵，若任其排放，會污染大氣，因此國家制定了嚴格的危險廢物焚燒污染控制標準[1]。判斷焚燒和煙氣處理設備工作是否正常、煙氣排放指標是否達標，就要依靠固定污染源煙氣排放連續監測系統(以下簡稱CEMS)進行實時、連續的監測。
    固定污染源CEMS由連續監測系統、數據采集與處理系統、數據監控中心等組成。連續監測系統由顆粒物CEMS、氣態污染物CEMS、煙氣參數測定子系統組成，用于測定煙氣中污染物含量，并測定煙氣溫度、壓力、質量流量、含氧量等；計算煙氣污染物排放率、排放量；顯示和打印各種參數及圖表，并通過數據、圖文傳輸系統傳輸至管理部門；實時監測數據能參與焚燒的控制，實現系統控制及連鎖。
    顆粒物CEMS主要監測燃料和其他物質燃燒、合成、分解以及各種物料在處理中產生的懸浮于煙氣中的固體和液體顆粒狀物質；氣態污染物CEMS主要監測以氣體狀態分散在煙氣中的各種污染物；煙氣參數測定子系統主要負責采集傳輸煙氣溫度、壓力、質量流量、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，樣氣在到達分析儀之前必須經過過濾除塵、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，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采樣和分析過程中，樣氣溫度始終保持在酸露點以上，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進行稀釋，使樣氣達到常態下不結露，再采用普通環境空氣分析儀進行分析。在采用稀釋抽取法時，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，通過發射一束測量光線穿過煙道，利用污染物的特征吸收光譜進行測量，即時性強，但設備造價較高。發射器安裝在煙囪一側，接收器安裝在相對應的另一側。雖然儀器響應快，但不能現場動態調零和校準。確定零點和校準，需要排除通過光學取樣路線的煙氣，用零氣體(清潔干燥的空氣)取代煙氣才能對儀器進行調零，再用標準氣體校準。因此，橫貫煙囪在線法在實際監測工作中運用難度較高。另外，當煙囪振動較大時，由于測量光線不穩，易造成測量結果波動很大，不能得到穩定的測量值。
2.2 測量方法的優缺點
    ① 干法抽取法。優點為：是已被證實可靠的技術；大多數分析儀制造商均采用這種方法；測量精度較高。缺點為：由于采用干基測量，需要采用其他方法確定煙氣的濕度，以計算煙氣的質量流量；在高硫分場所，存在酸冷凝的可能；樣氣處理設備需要經常維護；需要大量的干燥用氣；使得運行費用較高、取樣流量較大，減短了過濾器的使用壽命。
    ② 完全抽取法。優點為：是已被證實可靠的技術；能直接測量煙氣的濕度；分析儀維修量小。缺點為：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。優點為：是已被證實可靠的技術；分析儀維修量小；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。缺點為：需要修正壓力和溫度條件的變化；為保證測量的準確，清潔干燥空氣需進行凈化處理；需要經常對取樣管道進行防凍處理，并對探頭加熱。
    ④ 橫貫煙囪在線法。優點為：實時分析；不需要設置采樣管道。缺點為：制造廠家較少；電子線路安裝在環境惡劣的場所，容易損壞；維修不便；測量光線程長受限制；不適用于振動較大的場所。
3 在工業危險廢物焚燒系統的應用
3.1 連續監測系統
    在工業危險廢物焚燒系統的設計中，針對連續監測系統，經過對多種產品進行比較，我們最終選用了由德國SICK公司生產的MCS100E型煙氣分析儀、GM-700型可調諧二極管激光分析儀、FW300型煙塵分析儀；選用由美國FOX公司生產的10A型熱式質量流量計；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，并運用氣體濾波技術，可同時測量多個氣體組分，并對干擾組分進行自動補償。該煙氣分析儀由取樣系統、系統機柜組成。取樣系統包括：帶加熱過濾器的高溫取樣探頭及適合高溫條件運行的測量、吹掃、校準閥組和伴熱取樣管道；系統機柜內安裝高溫測量系統，包括配置高溫測量氣室的紅外光度計、高溫取樣泵、高溫流量計、伴熱樣氣傳輸管道。這種結構設計可保證所有與氣體接觸的組件溫度均高于煙氣的酸露點，不被腐蝕。
    ② GM-700型可調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，可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術利用二極管激光器的波長調諧特性，獲得待測氣體的特征吸收光譜，從而對氣態污染物進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，當可控光源穿過帶有微小顆粒的氣體時，高靈敏傳感器可檢測出被微小顆粒吸收的光能，并將其與參比光進行比較從而確定透射值或濁度值，再進一步得出煙塵含量。FW300型煙塵分析儀具有以下特點：以光學技術為基礎，自動完成測量、控制、線性測試及污染物檢測功能，反應速度快、無采樣處理過程；帶有吹掃裝置，可防止光學鏡頭面受污染；具備快速切斷閥，可在吹掃裝置失效后自動保護儀器；安裝簡便，發射與檢測單元可通過法蘭安裝在煙道兩側；含塵量的測量僅與煙道直徑有關，與煙氣流速、濕度和顆粒的性質無關；多種信號輸出和顯示，可滿足各類測量、控制與系統集成要求。
④ 1OA型熱式質量流量計利用流體吸收熱量的原理進行工作，直接測量結果為質量流量，不需要溫度、壓力補償，能夠精確測量。10A型熱式質量流量計具有以下特點：采用插入式安裝結構，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；在介質質量流量小、雷諾數很低的情況下有較好的測量精度；性能穩定，維護與運行成本低。
3.2 數據采集與處理系統及數據監控中心
我們選擇Adam5000E型數據采集設備，改數據采集設備安裝了兩個8通道模擬量輸入模塊Adam-5017，用于測量值由模擬量轉換成數字量；4個4通道模擬量輸出模塊Adam-5024，用于將工控機的處理值由數字量轉換成模擬量；兩個16通道數字量輸入模塊Adam-5051S，用于接收分析儀的狀態信號。Adam5000E型數據采集設備通過RS232接口與工控機的串口連接通信。
我們選擇了AES-842型工控機進行數據處理，在工控機中安裝了FameView工業自動化數據組態監控系統，并對其進行二次開發，設計了固定污染源CEMS的監控軟件。該軟件具有數據標準化處理、顯示實時監控數據、儲存歷史數據和曲線、儲存報警歷史記錄等功能。
氣態污染物含量、煙塵含量、煙氣質量流量、溫度都是以4～20mA信號傳輸到模塊Adam-5017，經過A/D轉換后傳輸到工控機，然后再工控機進行數據處理。經過處理后的數據再經過模塊Adam-5024的D/A轉換，最后以4～20mA信號傳輸到焚燒系統的PLC控制系統，并通過ControlNet網傳輸到數據監控中心的上位機。上位機采用AB公司的組態軟件RSview32(基于Windows環境的工業監控軟件)，與焚燒系統的PLC控制系統進行通信連接，以流程圖的形式動態并實時地顯示現場的工況參數、報警、歷史曲線并參與控制等。
3.3 煙氣處理系統
    在工業危險廢物焚燒系統的煙氣處理系統中，需采用專用的煙氣脫酸劑對煙氣進行脫酸處理。為此，我們在焚燒系統的PLC控制系統中設計了PID程序，將酸性氣體的排放濃度作為控制變量，結合煙氣質量流量自動調整脫酸劑的加入量，確保酸性氣體排放指標達標。另外，我們通過調整焚燒系統的進風量控制CO的排放指標，通過布袋除塵器降低煙氣的含塵量。
3.4 實際應用總結
    通過實際應用，我們認為該固定污染源CEMS工作穩定、測量準確、維護量小。經過必要的定期保養，可以保證長期正常運轉。但也存在一些有待改進的地方，例如MCS100E型煙氣分析儀的I/OBOX模塊損壞過兩次，由于是德國生產的，價格昂貴，采購期也很長。若采用SIEMENS生產的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、采樣濾芯進行國產化，從而降低維護成本。
4 結論
    固定污染源煙氣排放連續監測系統在工業危險廢物焚燒系統的應用，使操作人員可以實時了解煙氣排放情況，提高工業廢物焚燒效率和煙氣處理效率，節省能源和原材料，保證工業危險廢物焚燒中產生的有害氣體排放指標符合國家標準。
參考文獻：
[1] GB 18484—2001，危險廢物焚燒污染控制標準[S].
[2] HJ/T 76—2007，固定污染源煙氣排放連續監測系統技術要求及檢測方法[S].
 
(本文作者：華明良 孟繁增 趙杰 王巒天津市環境保護科學研究院 天津合佳威立雅環境服務有限公司 天津 300191)