固定污染源CEMS在工业危险废物焚烧的应用

摘 要

摘要：介绍了固定污染源烟气排放连续监测系统(CEMS)的组成，对测量方法进行了比较。探讨了固定污染源CEMS在工业危险废物焚烧系统的实际应用，操作人员可以实时了解烟气排放情况，提
摘要：介绍了固定污染源烟气排放连续监测系统(CEMS)的组成，对测量方法进行了比较。探讨了固定污染源CEMS在工业危险废物焚烧系统的实际应用，操作人员可以实时了解烟气排放情况，提高工业废物焚烧效率和烟气处理效率，节省能源和原材料，保证工业危险废物焚烧中产生的有害气体排放指标符合国家标准。
关键词：工业危险废物；焚烧；固定污染源；烟气排放连续监测系统
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组成
   工业危险废物在焚烧过程中会产生太量的有害气体(如CO、SO2、HCl、HF等)和烟尘，若任其排放，会污染大气，因此国家制定了严格的危险废物焚烧污染控制标准[1]。判断焚烧和烟气处理设备工作是否正常、烟气排放指标是否达标，就要依靠固定污染源烟气排放连续监测系统(以下简称CEMS)进行实时、连续的监测。
    固定污染源CEMS由连续监测系统、数据采集与处理系统、数据监控中心等组成。连续监测系统由颗粒物CEMS、气态污染物CEMS、烟气参数测定子系统组成，用于测定烟气中污染物含量，并测定烟气温度、压力、质量流量、含氧量等；计算烟气污染物排放率、排放量；显示和打印各种参数及图表，并通过数据、图文传输系统传输至管理部门；实时监测数据能参与焚烧的控制，实现系统控制及连锁。
    颗粒物CEMS主要监测燃料和其他物质燃烧、合成、分解以及各种物料在处理中产生的悬浮于烟气中的固体和液体颗粒状物质；气态污染物CEMS主要监测以气体状态分散在烟气中的各种污染物；烟气参数测定子系统主要负责采集传输烟气温度、压力、质量流量、湿度、含氧量、二氧化碳含量[2]。
2 测量方法
2.1 测量方法分类
    ① 干法抽取法
    干法抽取法要求样气无尘、除湿、低温。因此，样气在到达分析仪之前必须经过过滤除尘、除湿和冷却等处理。
   ② 完全抽取法
   完全抽取法要求在分析仪探头端部去除烟尘，保持样气处于热态，在烟气成分测量的全过程中保留水分。因此，完全抽取法要求在整个采样和分析过程中，样气温度始终保持在酸露点以上，以免酸液腐蚀仪器。
   ③ 稀释抽取法
   抽取少量的样气过滤后再用清洁干燥的空气按1:100进行稀释，使样气达到常态下不结露，再采用普通环境空气分析仪进行分析。在采用稀释抽取法时，清洁干燥空气要去除灰尘和水蒸气，以免影响测量精度，因此在空气净化系统中装备有去除灰尘、水蒸气的过滤器和涤气器。
    ④ 横贯烟囱在线法
    横贯烟囱在线法无需抽取采样，通过发射一束测量光线穿过烟道，利用污染物的特征吸收光谱进行测量，即时性强，但设备造价较高。发射器安装在烟囱一侧，接收器安装在相对应的另一侧。虽然仪器响应快，但不能现场动态调零和校准。确定零点和校准，需要排除通过光学取样路线的烟气，用零气体(清洁干燥的空气)取代烟气才能对仪器进行调零，再用标准气体校准。因此，横贯烟囱在线法在实际监测工作中运用难度较高。另外，当烟囱振动较大时，由于测量光线不稳，易造成测量结果波动很大，不能得到稳定的测量值。
2.2 测量方法的优缺点
    ① 干法抽取法。优点为：是已被证实可靠的技术；大多数分析仪制造商均采用这种方法；测量精度较高。缺点为：由于采用干基测量，需要采用其他方法确定烟气的湿度，以计算烟气的质量流量；在高硫分场所，存在酸冷凝的可能；样气处理设备需要经常维护；需要大量的干燥用气；使得运行费用较高、取样流量较大，减短了过滤器的使用寿命。
    ② 完全抽取法。优点为：是已被证实可靠的技术；能直接测量烟气的湿度；分析仪维修量小。缺点为：需配置伴热管道、耐热分析仪；烟气的湿度会影响氮氧化物的测量精度；制造厂家较少；取样流量较大，过滤器的使用寿命较短。
    ③ 稀释抽取法。优点为：是已被证实可靠的技术；分析仪维修量小；不需要伴热管道；样气流量低；过滤器的使用寿命长；制造厂家较多。缺点为：需要修正压力和温度条件的变化；为保证测量的准确，清洁干燥空气需进行净化处理；需要经常对取样管道进行防冻处理，并对探头加热。
    ④ 横贯烟囱在线法。优点为：实时分析；不需要设置采样管道。缺点为：制造厂家较少；电子线路安装在环境恶劣的场所，容易损坏；维修不便；测量光线程长受限制；不适用于振动较大的场所。
3 在工业危险废物焚烧系统的应用
3.1 连续监测系统
    在工业危险废物焚烧系统的设计中，针对连续监测系统，经过对多种产品进行比较，我们最终选用了由德国SICK公司生产的MCS100E型烟气分析仪、GM-700型可调谐二极管激光分析仪、FW300型烟尘分析仪；选用由美国FOX公司生产的10A型热式质量流量计；选用Pt100热电偶测量烟气温度。MCS100E型烟气分析仪采用完全抽取法，用于测量烟气中HCl、SO2、NOx、CO、CO2、O2的含量及湿度；GM-700型可调谐二极管激光分析仪用于测量烟气中HF的含量；FW300型烟尘分析仪用于测量烟气的含尘量。
    ① MCS100E型烟气分析仪采用单光束双波长红外光度计，并运用气体滤波技术，可同时测量多个气体组分，并对干扰组分进行自动补偿。该烟气分析仪由取样系统、系统机柜组成。取样系统包括：带加热过滤器的高温取样探头及适合高温条件运行的测量、吹扫、校准阀组和伴热取样管道；系统机柜内安装高温测量系统，包括配置高温测量气室的红外光度计、高温取样泵、高温流量计、伴热样气传输管道。这种结构设计可保证所有与气体接触的组件温度均高于烟气的酸露点，不被腐蚀。
    ② GM-700型可调谐二极管激光分析仪的测量原理是利用单线激光光谱测量气体浓度，可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术利用二极管激光器的波长调谐特性，获得待测气体的特征吸收光谱，从而对气态污染物进行定性或者定量分析。该分析仪直接安装在烟囱上，用于测量烟气中HF的含量。
   ③ FW300型烟尘分析仪采用光透射原理，当可控光源穿过带有微小颗粒的气体时，高灵敏传感器可检测出被微小颗粒吸收的光能，并将其与参比光进行比较从而确定透射值或浊度值，再进一步得出烟尘含量。FW300型烟尘分析仪具有以下特点：以光学技术为基础，自动完成测量、控制、线性测试及污染物检测功能，反应速度快、无采样处理过程；带有吹扫装置，可防止光学镜头面受污染；具备快速切断阀，可在吹扫装置失效后自动保护仪器；安装简便，发射与检测单元可通过法兰安装在烟道两侧；含尘量的测量仅与烟道直径有关，与烟气流速、湿度和颗粒的性质无关；多种信号输出和显示，可满足各类测量、控制与系统集成要求。
④ 1OA型热式质量流量计利用流体吸收热量的原理进行工作，直接测量结果为质量流量，不需要温度、压力补偿，能够精确测量。10A型热式质量流量计具有以下特点：采用插入式安装结构，拆装检修方便；信号直接由非电量变换成电量，便于信号处理；在介质质量流量小、雷诺数很低的情况下有较好的测量精度；性能稳定，维护与运行成本低。
3.2 数据采集与处理系统及数据监控中心
我们选择Adam5000E型数据采集设备，改数据采集设备安装了两个8通道模拟量输入模块Adam-5017，用于测量值由模拟量转换成数字量；4个4通道模拟量输出模块Adam-5024，用于将工控机的处理值由数字量转换成模拟量；两个16通道数字量输入模块Adam-5051S，用于接收分析仪的状态信号。Adam5000E型数据采集设备通过RS232接口与工控机的串口连接通信。
我们选择了AES-842型工控机进行数据处理，在工控机中安装了FameView工业自动化数据组态监控系统，并对其进行二次开发，设计了固定污染源CEMS的监控软件。该软件具有数据标准化处理、显示实时监控数据、储存历史数据和曲线、储存报警历史记录等功能。
气态污染物含量、烟尘含量、烟气质量流量、温度都是以4～20mA信号传输到模块Adam-5017，经过A/D转换后传输到工控机，然后再工控机进行数据处理。经过处理后的数据再经过模块Adam-5024的D/A转换，最后以4～20mA信号传输到焚烧系统的PLC控制系统，并通过ControlNet网传输到数据监控中心的上位机。上位机采用AB公司的组态软件RSview32(基于Windows环境的工业监控软件)，与焚烧系统的PLC控制系统进行通信连接，以流程图的形式动态并实时地显示现场的工况参数、报警、历史曲线并参与控制等。
3.3 烟气处理系统
    在工业危险废物焚烧系统的烟气处理系统中，需采用专用的烟气脱酸剂对烟气进行脱酸处理。为此，我们在焚烧系统的PLC控制系统中设计了PID程序，将酸性气体的排放浓度作为控制变量，结合烟气质量流量自动调整脱酸剂的加入量，确保酸性气体排放指标达标。另外，我们通过调整焚烧系统的进风量控制CO的排放指标，通过布袋除尘器降低烟气的含尘量。
3.4 实际应用总结
    通过实际应用，我们认为该固定污染源CEMS工作稳定、测量准确、维护量小。经过必要的定期保养，可以保证长期正常运转。但也存在一些有待改进的地方，例如MCS100E型烟气分析仪的I/OBOX模块损坏过两次，由于是德国生产的，价格昂贵，采购期也很长。若采用SIEMENS生产的S2-700PLC取代I/OBOX模块，可大大降低维修成本，而且更换方便。另外，我们也逐步将一些消耗品，如吹扫空气滤芯、采样滤芯进行国产化，从而降低维护成本。
4 结论
    固定污染源烟气排放连续监测系统在工业危险废物焚烧系统的应用，使操作人员可以实时了解烟气排放情况，提高工业废物焚烧效率和烟气处理效率，节省能源和原材料，保证工业危险废物焚烧中产生的有害气体排放指标符合国家标准。
参考文献：
[1] GB 18484—2001，危险废物焚烧污染控制标准[S].
[2] HJ/T 76—2007，固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法[S].
 
(本文作者：华明良 孟繁增 赵杰 王峦天津市环境保护科学研究院 天津合佳威立雅环境服务有限公司 天津 300191)