1 煙氣脫硫脫硝監(jiān)測分析技術簡介
火電行業(yè)是國家節(jié)能減排的重點，火電行業(yè)至2007年底的統(tǒng)計，二氧化硫排放總量為13萬噸，占全國二氧化硫排放總量的51%；氮氧化物排放總量約為800萬噸，占全國氮氧化物排放總量的36%?！秶噎h(huán)境保護“十一五”規(guī)劃》提出的二氧化硫及氮氧化物減排目標，推動了我國電廠煙氣脫硫工程的快速發(fā)展，以及煙氣脫硫在線監(jiān)測分析工程技術的發(fā)展，電廠脫硫工程安裝的煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）已近萬套。脫硝工程及其監(jiān)測分析也已經啟動，即將形成新的技術熱點。國內具備CEMS制造能力的廠家已達數(shù)十家，國家環(huán)保部門加大對重點污染源監(jiān)控以及煙氣排放標準修訂以來，電力等行業(yè)的脫硫及其監(jiān)測分析得到規(guī)范運作，CEMS在線分析工程應用技術也得到快速發(fā)展。
煙氣脫硫技術（FGD）是指燃燒后的脫硫技術，按照脫硫產物的干濕形態(tài)分類為：干法、半干法、濕法工藝，其中濕法煙氣脫硫工藝采用較多。石灰石/石膏脫硫工藝，是世界上使用較廣泛的脫硫技術，目前，國內電廠煙氣脫硫裝置有85%采用該工藝。
濕法煙氣脫硫工藝的反應原理如下：
吸收：SO2+H2O=HSO3-+H+
氧化：HSO3-+1/2O2=SO42-+H+
結晶：CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2
Ca2++SO42-+2H2O=CaSO4↓+2H2O
FGD的煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)CEMS，主要用于在線監(jiān)測煙氣排放的SO2、氧化氮NOx及氧O2等氣體組分，通過監(jiān)測FGD進口及出口的SO2含量，可以監(jiān)測FGD的脫硫效率，通常濕法煙氣脫硫FGD的脫硫效率可達到90-95%，最高可達99%。
電廠脫硝項目大多采用爐內脫硝（低氮燃燒技術）及煙氣脫硝技術相結合，煙氣脫硝技術主要指選擇性催化還原技術（SCR）。國外煙氣脫硝SCR在70年代已進入商業(yè)化應用，國內對電廠氮氧化物的排放控制是在2003年頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2003）后才開始的，標準規(guī)定火力發(fā)電鍋爐氮氧化物允許最高排放濃度為450mg/m3。
SCR反應過程是在催化劑上游的原煙氣中噴入氨及其他適合的還原劑，利用催化劑將煙氣中的氮氧化物轉化為氮氣和水，其脫硝反應過程如下：
4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2 → 3N2+6H2O
SCR反應器的安裝位置選擇在燃煤鍋爐的省煤器和空預器之間，進入反應器的煙氣溫度為320~420℃。SCR脫硝過程主要檢測氮氧化物、氧等參數(shù)，可以監(jiān)測SCR的脫硝效率，SCR脫硝效率可達到70—90%。為控制脫硝過程中氨的使用及保護設備，必需監(jiān)測SCR出口的氨逃逸量。
電廠煙氣脫硫脫硝的監(jiān)測分析，國外已成熟應用CEMS及微量氨檢測技術，國內煙氣脫硫CEMS的在線分析應用技術也已經比較成熟；脫硝CEMS監(jiān)測由于應用在高溫高塵段，且起步較晚，尚有一定技術難度。SCR出口的微量氨逃逸量檢測難度較大，國外大多采用可調諧激光分析氨逃逸量，國內已經開始應用。
2 煙氣脫硫FGD監(jiān)測參數(shù)及CEMS在線分析工程應用技術探討
2.1 FGD工藝及其主要監(jiān)測參數(shù)
濕法煙氣脫硫FGD設備通常安裝在鍋爐煙氣電除塵設備之后，以石灰石/石膏脫硫工藝為代表，該工藝的典型流程為：鍋爐排煙原煙氣→增壓風機增壓→氣氣熱交換器（簡稱GGH）降溫→吸收塔脫硫→除霧器除霧→凈煙氣→GGH升溫→煙囪→排入大氣。通常要求在煙氣脫硫設備FGD的原煙氣側及凈煙氣側各安裝一套CEMS，典型監(jiān)測參數(shù)見表1。
CEMS一般由樣氣采集（即取樣系統(tǒng)）、測試、數(shù)據(jù)采集和處理三個子系統(tǒng)組成，測試主要包括：顆粒物（煙塵）監(jiān)測，煙氣參數(shù)（溫度、壓力、流量、濕度等）監(jiān)測，氣態(tài)污染物（SO2/NOx/O2或CO2）監(jiān)測等。
CEMS按照取樣方式通常分為抽取采樣系統(tǒng)和和原位測量系統(tǒng)（又稱直接測量法），抽取采樣系統(tǒng)分為直接抽取采樣（又稱完全抽取式）和稀釋抽取采樣（又稱稀釋抽取法），直接抽取法分為冷干法直接抽取采樣和熱濕法直接抽取采樣，原位直接測量又分為點測量和線測量系統(tǒng)。
我國環(huán)保標準規(guī)定：煙氣污染物排放濃度是指在標準狀態(tài)下干煙氣的數(shù)值，即干基測量。我國電廠鍋爐煙氣氣態(tài)污染物監(jiān)測，在初期各種取樣方式都有，由于我國環(huán)保標準規(guī)定干基測量，近年來電廠大多選用冷干法直接抽取采樣的CEMS。
2.2.2 冷干法直接抽取法采樣系統(tǒng)及其典型設計參數(shù)
直接抽取法系統(tǒng)配置由取樣探頭、樣氣處理系統(tǒng)和在線分析儀器等組成。系統(tǒng)流程通常采用加熱過濾取樣探頭采樣，通過電加熱樣品管線，將樣品輸送到安裝在現(xiàn)場分析小屋的分析儀器柜，經過樣氣處理系統(tǒng)的除濕冷卻器（壓縮機式或電子除濕器）、隔膜式抽氣泵、精細過濾器及濕度報警器、流量計及各種閥件等，將冷卻到常溫及干燥潔凈的樣氣，送到分析儀器檢測。系統(tǒng)采用蠕動泵及時排去除濕器產生的冷凝水，并采用旁路流量放空加快系統(tǒng)的反應速度，采用脈沖反吹技術防止取樣探頭堵塞。
CEMS設計根據(jù)客戶現(xiàn)場工藝及環(huán)境要求設定相關參數(shù)，其典型值為：加熱過濾取樣探頭加熱保溫到150-180℃，過濾精度優(yōu)于2～3微米；樣氣輸送管線加熱保溫在120℃左右；系統(tǒng)按需要采取一級或兩級除濕，致冷溫度設定3～5℃；系統(tǒng)精細過濾器過濾精度可達到0.1～0.3微米；氣溶膠過濾器用于去除樣氣中的微細霧滴；取樣泵通常設置除濕器后或兩級除濕器中間，取樣流量約3～5L/min，其中單臺分析儀器樣氣流量約1L/min，放空流量大于1.5 L/min。
2.2.3 CEMS在線分析工程應用技術及系統(tǒng)設計要點
CEMS在線分析工程技術的應用，首先要根據(jù)不同的測量對象、取樣方式、測量范圍和精度要求，選取不同的分析測量技術及分析測量儀表，常見的在線分析測量技術分類見表2。
表2 CEMS分析測量技術分類
根據(jù)不同客戶的需求及測量參數(shù)，CEMS系統(tǒng)設計要點要選擇適宜的分析測量技術及測量儀表，選取適宜的取樣方式和樣氣處理系統(tǒng)，根據(jù)確定的取樣方式設計系統(tǒng)的流程、選型及配置。國內客戶對氣態(tài)污染物——SO2、NOx等在線分析監(jiān)測大多選用進口儀表，如西門子、ABB、富士等。國外氣體分析儀已實現(xiàn)模塊化、多組分分析；國產氣體分析儀及煙塵、流量、溫度、濕度等測量儀表也基本能滿足在線監(jiān)測要求。樣氣處理系統(tǒng)關鍵部件的抽氣泵、除濕器、蠕動泵等大多選用進口部件，如M&C、比樂等。國內CEMS廠商也已經具備制造樣氣處理系統(tǒng)關鍵部件及集成系統(tǒng)分析柜、分析小屋的能力。
CEMS在線分析的可靠性，主要決定于測量儀表及樣品處理系統(tǒng)的設計選型及配置，測量儀表及系統(tǒng)部件的選型必須適用、可靠，材質必須滿足防腐蝕要求。例如，與煙氣接觸的管道及部件必須選用耐腐蝕的聚四氟乙烯或316不銹鋼材質，探頭、取樣泵、除濕器等必須耐腐蝕。系統(tǒng)安裝調試中，特別注意確保煙氣采樣、傳輸中要加熱保溫在煙氣露點之上，同時要保證煙氣除濕過程的快速除水，避免被測組分被水分吸收而流失，以確保樣氣的真實性。
CEMS的設計標準應符合行業(yè)標準《HJ/T76-2007》規(guī)定的技術要求與檢驗方法，例如，分析儀表的零點漂移及量程漂移應≦±2.5%FS，直接抽取法標定時，要求零氣、標氣要與樣氣的路徑相同，即標氣要求從取樣探頭處進入。
2.2.4 CEMS的數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸
系統(tǒng)大多采取PLC進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制，數(shù)據(jù)采集包括：氣態(tài)污染物SO2/NOx及O2、煙塵濃度和煙氣溫度、壓力、流速、濕度等測量儀表的模擬量輸出（測量儀表輸出：4-20mA及RS232接口），并控制樣氣處理系統(tǒng)的探頭反吹、系統(tǒng)標定、儀器標定、溫度及濕度和壓力測量報警等。
DAS由工控機（或PC機）及專用的監(jiān)控組態(tài)軟件等組成，負責實時采集PLC傳輸?shù)姆治鲂盘?，具備的?shù)據(jù)處理功能包括：單位換算、濃度折算、系數(shù)修正、數(shù)據(jù)加標，數(shù)據(jù)存貯、文檔管理、歷史趨勢查詢等，以及數(shù)據(jù)報表打印、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)傳輸包括DAS與電廠脫硫DCS連接，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)疆數(shù)丨h(huán)保部門等。傳輸協(xié)議應符合HJ/T212-2005的要求，傳輸方式包括：PSTN（撥號傳輸）及GPRS/CDMA（網絡傳輸）等。DAS應具備在異常情況下的自恢復和安全管理能力。
另外，DAS也有專業(yè)數(shù)采儀供應，采用專用數(shù)據(jù)處理機及監(jiān)控軟件，具備數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸功能，可取代PLC作CEMS的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制。
2.3 CEMS在線分析工程應用技術的再探討
我國環(huán)保部門已頒布了HJ/75-2007和HJ/76-2007行業(yè)標準，并開始對電廠脫硫工程及CEMS運行進行規(guī)范驗收和數(shù)據(jù)監(jiān)控。近幾年來，我國火電廠煙氣脫硫工程及CEMS在線分析應用技術得到快速發(fā)展，運行質量有較大提高，但電廠鍋爐煙氣CEMS的在線分析應用仍存在不少問題。
2.3.1 CEMS在線運行主要問題是系統(tǒng)的可靠性
從系統(tǒng)取樣方式分析，直接抽取法系統(tǒng)主要存在系統(tǒng)除濕及耐腐蝕問題，由于煙氣采樣、傳輸?shù)募訜岜丶俺凉裥Ч缓?，煙氣析出的水分與二氧化硫等生成稀硫酸，對系統(tǒng)管道及部件會產生嚴重腐蝕；水分吸收二氧化硫，又影響到微量二氧化硫測量的準確性，直接影響系統(tǒng)測量精度及可靠運行。
稀釋抽取法系統(tǒng)主要存在取樣的稀釋探頭可靠性問題，如：探頭稀釋比的穩(wěn)定性，以及零氣穩(wěn)定與干燥、潔凈等問題，零氣處理不好會造成更大的分析誤差。
原位安裝的直接測量系統(tǒng)，由于被測煙氣含水量、煙塵量和各種干擾組分的影響長期存在，以及安裝條件惡劣，環(huán)境高溫及煙道振動，也直接影響到系統(tǒng)的可靠運行。
可見，各種取樣方式都有其不足，關鍵是要從客戶工況條件出發(fā)，從系統(tǒng)在線工程應用技術的高度分析，選擇合適的取樣方式，做好系統(tǒng)本身的質量控制。
2.3.2 影響CEMS在線運行的重要因素是設備維護和備品備件的及時供應
我國電廠早期運行的CEMS大多是從國外引進設備配套的，電廠缺乏維護人員，供應商的服務及備品備件不能及時保障，造成設備開機運行后，由于多種原因不得不停用，據(jù)統(tǒng)計九十年代后期國內電廠CEMS正常開機率僅30%；
近十余年來，隨著國內外CEMS供應商產品質量及服務的提升，特別CEMS行業(yè)標準的貫徹，CEMS逐步規(guī)范化，其在線運行率得到提高。但由于客戶維護力量不足，備品備件不能及時供應，直接影響CEMS的正常運行。從系統(tǒng)工程應用分析，設備可靠，日常維護好，備品備件及時更換，才能確保系統(tǒng)正常運行。
2.3.3 CEMS在線測量技術要及時適應技術進步的新要求
電廠煙氣處理設備技術的不斷更新，對CEMS測量要求也不斷提高。例如：電廠脫硫技術發(fā)展，FGD凈煙氣二氧化硫濃度已經小于200 mg/Nm3，甚至達到50-100 mg/Nm3。濕法脫硫，煙溫低，含水大，脫硫后CEMS對系統(tǒng)除濕及二氧化硫分析靈敏度要求提高，系統(tǒng)必須適應新要求。
電廠除塵工藝設備更新，以及鍋爐煙塵排放標準由原來的200mg/Nm3降低到50mg/Nm3，原來高濃度測塵的濁度法儀器已經不適合，需要逐步改為適宜低濃度測塵的散射法儀器。
CEMS除電力行業(yè)外，在垃圾焚燒、冶金、石化、建材等行業(yè)的廢氣排放監(jiān)測也已經得到應用?？蛻舴治鰧ο蠹皽y量要求不同，CEMS測量技術也必須適應不同客戶的需求。
3煙氣脫硝SCR監(jiān)測分析及SCR氨逃逸量分析
3.1 煙氣脫硝設備SCR監(jiān)測分析
SCR反應器位于鍋爐省煤器出口的高塵段，處理的煙氣量達100%，SCR在鍋爐正常負荷范圍內，要求脫硝效率不低于60%，SCR反應器出口的氮氧化物濃度的設計值要求不高于160㎎/Nm3（6%含氧量、干煙氣）。SCR監(jiān)測分析的典型監(jiān)測參數(shù)見表3。
表3 煙氣脫硝SCR主要監(jiān)測參數(shù)（以某電廠2*660MW為例，供參考）
煙氣脫硝入口及出口氮氧化物監(jiān)測的在線分析工程技術大多采取直接抽取法CEMS，其難點在于被測煙氣高溫、高粉塵、高濕及高腐蝕，造成取樣探頭易堵塞，系統(tǒng)易腐蝕；其對策主要是對采樣及樣氣處理系統(tǒng)采取多級過濾除塵，兩級除濕，采取氣溶膠過濾除霧滴等措施，提高系統(tǒng)除塵、除濕的能力，確保系統(tǒng)可靠運行。SCR出口監(jiān)測微量氨采取激光原位測量法。
3.2 煙氣脫硝設備SCR氨逃逸量的檢測
3.2.1 檢測SCR出口氨逃逸量的重要意義。
在脫硝過程中，控制氨的注入量非常重要。氨的注入量既要保證有足夠的氨與氮氧化物反應，以降低氮氧化物排放量，又要避免煙氣中逃逸過量的氨。
注入過量的氨不僅會增加腐蝕，縮短SCR催化劑壽命，還會污染煙塵，增加空氣預熱器中氨鹽的沉積，以及增加向大氣的氨排放。特別是銨鹽——硫酸氫胺（ABS）的形成，ABS在溫度降低時，會吸收煙氣中的水分，形成腐蝕性溶液，會堵塞催化劑，造成催化劑失活（即失效）。煙氣經過空氣預熱器時，在熱交換表面會形成ABS，并產生沉積，降低空氣預熱器的效率。氨逃逸量的準確測量具有重要意義，對SCR出口的氨逃逸量監(jiān)測并控制在2—3×10-6（ppm），可延長空氣預熱器檢修周期及催化劑更換周期。
3.2.2 SCR反應器出口檢測氨逃逸量的技術難點及激光原位測量
SCR出口的煙氣高溫、高濕、高粉塵及高腐蝕，使氨逃逸量法對策監(jiān)測難度很大。如何確保煙氣取樣，處理后的微量氨是真實的，成為非常重要的技術課題。
抽取法分析系統(tǒng)測量微量氨，通常要求先將NH3先轉化為NO，采用化學熒光分析法檢測微量NO，再轉換成氨的測量值，存在轉換器轉換效率問題。另外，在樣氣取樣及傳輸過程存在水分對微量氨的吸收等影響因素，使得抽取分析法測量微量氨很困難，準確度也難于保證。
采用原位式分析系統(tǒng)檢測微量氨，無需采樣直接測量氨濃度，沒有樣氣取樣及傳輸帶來的影響，也不存在轉換器的轉換效率問題。采用激光分析原位測量微量氨是線測量，更具有代表性。
4 可調諧激光分析儀及氨逃逸量的監(jiān)測
4.1 激光原位測量微量氨的典型產品
國外燃煤電廠SCR監(jiān)測中已經廣泛使用激光原位測量微量氨，國外激光分析主要有西門子、SICK、ABB等公司的產品。
西門子可調諧激光分析LDS系統(tǒng)主要包括（1）中央處理單元，（2）激光發(fā)射和接收探頭，（3）復合光纜與回路光纜等，復合光纜由光纖和低壓傳輸電纜（24V）組成，連接探頭和中央處理單元。
西門子LDS系統(tǒng)的中央處理單元，包括操作控制面板、顯示、處理器、激光源、內置參比池和輸入/輸出等，控制處理器最多可控制三個采樣點。發(fā)射與接收探頭分別安裝在被測煙道的兩側，發(fā)射探頭由光纜接頭傳輸發(fā)出激光，接收探頭通過光電檢測器接收被吸收后的激光信號，并轉化為電信號，通過電纜輸出到中央處理器進行信號處理，探頭的光學部件采取正壓空氣保護。
西門子LDS6外形見下圖1。
4.2 可調諧激光原位分析微量氨的測量原理
可調諧激光分析微量氨系統(tǒng)，是基于通過對氣體的特征吸收光譜來測定氣體成份濃度。將氣體吸收譜線按波長展開，不同氣體在某些特定波長產生吸收峰被稱為該氣體的特征吸收譜線。由于選擇的可調諧激光光譜的寬度遠小于被測氣體的特征吸收譜線的寬度，通過選擇激光波長接近于待測成份的某吸收譜線?？烧{諧激光二極管采取改變激勵電流或溫度，使激光波長被調諧實現(xiàn)涵蓋所選的波長范圍，包涵吸收譜線，當激光波長等于被測氣體的特征吸收波長，激光將被吸收，其吸收程度可從接收信號分析得到。
在近紅外線波段NH3及H2O的吸收譜如圖2。通過對NH3的吸收譜線的信號檢測，可測量NH3濃度。
4.3 激光原位測量氨逃逸量的工程應用
SCR煙氣脫硝技術在美國、日本及歐盟等國外火電廠已經普遍使用，國內燃煤電廠的煙氣SCR脫銷裝置已經建成或在建有數(shù)十套。國外電廠大多采用激光分析原位測量微量氨，國內新建或在建的SCR裝置大多也選用激光原位測量氨逃逸量。西門子LDS6可調諧二極管激光分析儀，在國外已成熟應用于SCR原位檢測微量氨，該產品已通過美國EPA環(huán)境技術驗證。
激光原位測量氨逃逸量儀器，要特別注意安裝條件，由于原位測量儀器的發(fā)射、接受探頭是直接安裝在SCR出口煙道壁上，測量探頭易受到鋼制煙道壁的振動及溫度變化發(fā)生應變等惡劣環(huán)境影響，可能會產生測量不穩(wěn)定或不應有的指示值漂移；環(huán)境惡劣及安裝煙道不符合要求時，可采取設置旁路煙道測量。
西門子LDS6產品，由于其激光器是安裝中央處理單元內，中央處理單元通常安裝在現(xiàn)場機柜或分析小屋內，發(fā)射和接受探頭的光信號是通過光纜接頭傳輸。相對于將激光器直接安裝在發(fā)射探頭內部的同類產品，受煙道震動的影響要小得多，但同樣需要注意安裝條件及采取減震處施。