摘 要：針對電廠煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）設備運行中出現(xiàn)的探頭被漿液堵塞和樣氣中含水量大的問題，設計了一種適合在濕度大、含塵量大或含石膏漿液的煙氣中有效采集煙氣樣本的防堵采樣頭，可解決濕煙氣中夾帶石膏漿液對取樣器的堵塞問題，采用的獨特的加熱方式，可減少水蒸氣進入樣氣中，以滿足分析儀的工作要求。

徐光寶

（河北大唐國際王灘發(fā)電有限責任公司，  河北  唐山 063011）

0 引言

    目前，我國電力工業(yè)的能源結構主要以燃煤為主，以燃煤為主的電力工業(yè)的高速發(fā)展將對我國的資源和環(huán)境帶來巨大影響。我國火電廠排放的二氧化硫占全國工業(yè)污染的30%以上，排入大氣的二氧化硫和氮氧化物與水汽結合生成硫酸和硝酸，隨降水落下形成酸雨，酸雨不僅危害農(nóng)作物的生長，還會腐蝕建筑、金屬物等，給國民經(jīng)濟和人民健康帶來巨大損害。

    面對嚴峻的環(huán)境污染形勢，國家對環(huán)境保護的力度不斷加大，強化了對脫硫設施運行的監(jiān)管：燃煤電廠建設脫硫設施時，必須安裝煙氣自動在線監(jiān)測系統(tǒng)，并與省級環(huán)保部門和省級及以上電網(wǎng)企業(yè)聯(lián)網(wǎng)，向省級環(huán)保部門和省級電網(wǎng)企業(yè)實時傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此對電廠煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）設備運行的可靠性要求也越來越高。

1 王灘發(fā)電公司脫硫系統(tǒng)CEMS

1.1  整體結構

    王灘發(fā)電公司2臺600MW機組采用濕式石灰石脫硫，與機組同步投產(chǎn)，煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）采用美國熱電公司的200L型稀釋系統(tǒng)，其分析系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1  200L型煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)

1.2  稀釋采樣探頭結構和原理

稀釋采樣探頭的內(nèi)部結構如圖2所示。

圖2  稀釋采樣探頭內(nèi)部結構

      稀釋探頭的主要功能是從煙道內(nèi)采集并稀釋煙氣，再把稀釋后樣氣傳送到分析儀。

      大約5L/min的干燥空氣通過稀釋空氣管流經(jīng)真空泵噴嘴進入文丘里管，當高壓空氣流經(jīng)噴嘴時會在連接到臨界小孔低壓端的氣室中產(chǎn)生真空，在真空作用下，煙道內(nèi)煙氣通過第1級粗過濾器和第2級石英棉精細過濾器后，經(jīng)臨界小孔傳送到文丘里管的出口，在這里煙道煙氣與潔凈的空氣混合并被稀釋。稀釋后的正壓樣氣通過無需加熱的樣氣管傳送到分析儀。

      在稀釋采樣探頭內(nèi)部最重要的部件是臨界小孔，臨界小孔的直徑遠遠大于孔的長度。當小孔兩端的壓力差大于0.46倍以上時，氣體流經(jīng)小孔的速度只取決于氣體分子流經(jīng)小孔時的振動速度（即音速），而與小孔兩端的壓力變化基本無關，即產(chǎn)生恒流。該小孔產(chǎn)生的恒流把煙氣的采樣流量限制在50ml/min(或100ml/min)，可保證煙道氣和真空泵噴嘴來的5L/min的干燥且干凈的空氣混合后產(chǎn)生穩(wěn)定的稀釋比。一般脫硫系統(tǒng)選100:1的稀釋比，對于臨界小孔，100:1的稀釋比對應的是50ml/min的小孔。

2 脫硫系統(tǒng)濕煙氣取樣裝置優(yōu)化設計

2.1 CEMS存在的主要問題

       （1）凈煙氣采樣探頭所處環(huán)境非常惡劣，煙氣中濕度大，在流動的煙氣中夾帶漿液，頻繁污染和堵塞采樣探頭，有時一兩天就發(fā)生一次。探頭污染后,需要用超聲波清洗，污染嚴重時整個稀釋探頭就報廢了。清洗后的探頭安裝后，系統(tǒng)需重新標定，在CEMS維護和校驗期間影響脫硫效率的計算。

       （2）CEMS稀釋取樣管處于煙道中，受煙氣腐蝕，元件損壞率高，維護費用高。這其中最突出的問題是CEMS探頭被漿液堵塞和樣氣中含水量大的問題。

      由于臨界小孔的孔徑僅為零點幾毫米，通過小孔的煙氣必須干凈，且含水率小于9.8%。而煙氣分析儀要求稀釋后的樣氣含水率不大于0.1%；否則，運行后很短時間就會出現(xiàn)2方面問題，一方面煙氣含塵量大，濾網(wǎng)過濾失效，導致臨界小孔堵塞；另一方面臨界小孔前室中充滿水。這2種情況都將導致采樣無法進行，必須進行臨界小孔超聲清洗、干燥、系統(tǒng)標定等諸多維護項目。

      電廠濕式石灰石脫硫系統(tǒng)中，如果沒有安裝凈煙氣加熱裝置（GGH），則凈煙氣中濕度非常大，經(jīng)常達到相對濕度為99%，且煙氣中夾帶石膏漿液，因此經(jīng)常發(fā)生取樣管堵塞。針對這種情況，有的生產(chǎn)廠家在采樣頭入口處加裝加熱裝置，雖然提高了樣氣溫度，但是煙氣中的含水率和漿液含量并未降低。因此，CEMS探頭被漿液堵塞和樣氣中含水量大的問題一直困擾著許多電廠，成為脫硫系統(tǒng)參數(shù)測量的技術難題。

2.2 CEMS參數(shù)測量問題解決方案

      為了解決CEMS設備要求與電廠實際情況之間的矛盾，經(jīng)仔細調(diào)查研究，設計了在濕度大、含塵量大或含石膏漿液的煙氣中能有效采集煙氣樣本的防堵采樣頭。其原理如圖3所示。

圖3 新型防堵除濕采樣頭原理

      該裝置安裝在原有采樣管前端，包括2個部分：防堵裝置、除濕加熱裝置。

（1）防堵裝置：在采樣頭的前端裝有彎頭和上下兩個帶傾角的防堵?lián)醢?，目的是減少樣氣中夾帶的漿液通過，彎頭斜對著煙氣流向，使得煙氣灌進防堵裝置內(nèi)，經(jīng)過2級擋板阻隔，將漿液留下，煙氣通過后，進入加熱裝置。內(nèi)部的取樣管是斷開的，目的是防止混入的漿液直接進入樣氣中。

（2）除濕加熱裝置：除濕加熱裝置是經(jīng)過特別設計的雙套筒結構，濕煙氣到達加熱器后，經(jīng)耐腐材料加熱器加熱，溫度控制在200℃左右，氣體經(jīng)加熱自由膨脹后，由內(nèi)套管擴散到整個內(nèi)外套管的空間內(nèi)，外套管與管外溫度較低（約50℃）的流動煙氣接觸，將煙氣中的水蒸氣凝結成水，聚集在外套管底部，由底部排水孔排出。內(nèi)套管的作用是讓膨脹的加熱氣體擴散，同時防止外套管凝結的水進入內(nèi)套管。

     煙氣取樣管的入口在螺旋加熱管內(nèi)部，其中的氣體相對濕度最小，就能保證取出的樣品氣中的含水量較低，滿足CEMS系統(tǒng)采集的煙氣含水率小于9.8%的要求。

該裝置在安裝制作上有如下要求：

（1）如果要提高檢測靈敏度，可在外套管背流面中間偏下30°左右開2個的小孔（直徑約為6厘米）

（2）該裝置要保證采樣口垂直向下，或?qū)⑷友b置在水平煙道的頂部垂直向下安裝，保證裝置有積液自排功能。

（3）在加工制作上，可設計成內(nèi)外套筒組裝結構，方便更換加熱器以及清洗內(nèi)外套筒的內(nèi)壁。材料可選用優(yōu)質(zhì)耐酸鋼材加工。

3 結語

通過煙氣取樣裝置優(yōu)化設計，可解決濕煙氣中夾帶石膏漿液對取樣器的堵塞問題，獨特的加熱方式，降低了樣氣中的煙氣相對濕度，以滿足分析儀的工作要求。該問題的解決，有助于電廠煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，對電廠煙氣污染物排放進行連續(xù)有效的監(jiān)測，為運行人員提供準確的監(jiān)控信息，使脫硫系統(tǒng)設備在經(jīng)濟、有效的工況下運行。同時延長了設備維護周期，大大減輕設備維護人員的工作量，減少備品備件和標氣的消耗量，經(jīng)濟效益顯著。