摘 要：針對(duì)電廠煙氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的探頭被漿液堵塞和樣氣中含水量大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(duì)取樣器的堵塞問(wèn)題，采用的獨(dú)特的加熱方式，可減少水蒸氣進(jìn)入樣氣中，以滿足分析儀的工作要求。
徐光寶
（河北大唐國(guó)際王灘發(fā)電有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063011）
0 引言
目前，我國(guó)電力工業(yè)的能源結(jié)構(gòu)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(duì)我國(guó)的資源和環(huán)境帶來(lái)巨大影響。我國(guó)火電廠排放的二氧化硫占全國(guó)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(jié)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(zhǎng)，還會(huì)腐蝕建筑、金屬物等，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民健康帶來(lái)巨大損害。
面對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)境污染形勢(shì)，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度不斷加大，強(qiáng)化了對(duì)脫硫設(shè)施運(yùn)行的監(jiān)管：燃煤電廠建設(shè)脫硫設(shè)施時(shí)，必須安裝煙氣自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并與省級(jí)環(huán)保部門和省級(jí)及以上電網(wǎng)企業(yè)聯(lián)網(wǎng)，向省級(jí)環(huán)保部門和省級(jí)電網(wǎng)企業(yè)實(shí)時(shí)傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。因此對(duì)電廠煙氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）設(shè)備運(yùn)行的可靠性要求也越來(lái)越高。
1 王灘發(fā)電公司脫硫系統(tǒng)CEMS
1.1 整體結(jié)構(gòu)
王灘發(fā)電公司2臺(tái)600MW機(jī)組采用濕式石灰石脫硫，與機(jī)組同步投產(chǎn)，煙氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）采用美國(guó)熱電公司的200L型稀釋系統(tǒng)，其分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 200L型煙氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
1.2 稀釋采樣探頭結(jié)構(gòu)和原理
稀釋采樣探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 稀釋采樣探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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(guò)稀釋空氣管流經(jīng)真空泵噴嘴進(jìn)入文丘里管，當(dāng)高壓空氣流經(jīng)噴嘴時(shí)會(huì)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(guò)第1級(jí)粗過(guò)濾器和第2級(jí)石英棉精細(xì)過(guò)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(guò)無(wú)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔的長(zhǎng)度。當(dāng)小孔兩端的壓力差大于0.46倍以上時(shí)，氣體流經(jīng)小孔的速度只取決于氣體分子流經(jīng)小孔時(shí)的振動(dòng)速度（即音速），而與小孔兩端的壓力變化基本無(wú)關(guān)，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(lái)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(duì)于臨界小孔，100:1的稀釋比對(duì)應(yīng)的是50ml/min的小孔。
2 脫硫系統(tǒng)濕煙氣取樣裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1 CEMS存在的主要問(wèn)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(dòng)的煙氣中夾帶漿液，頻繁污染和堵塞采樣探頭，有時(shí)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(yán)重時(shí)整個(gè)稀釋探頭就報(bào)廢了。清洗后的探頭安裝后，系統(tǒng)需重新標(biāo)定，在CEMS維護(hù)和校驗(yàn)期間影響脫硫效率的計(jì)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(hù)費(fèi)用高。這其中最突出的問(wèn)題是CEMS探頭被漿液堵塞和樣氣中含水量大的問(wèn)題。
由于臨界小孔的孔徑僅為零點(diǎn)幾毫米，通過(guò)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(yùn)行后很短時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)2方面問(wèn)題，一方面煙氣含塵量大，濾網(wǎng)過(guò)濾失效，導(dǎo)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(dǎo)致采樣無(wú)法進(jìn)行，必須進(jìn)行臨界小孔超聲清洗、干燥、系統(tǒng)標(biāo)定等諸多維護(hù)項(xiàng)目。
電廠濕式石灰石脫硫系統(tǒng)中，如果沒(méi)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(dá)到相對(duì)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(duì)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(wèn)題一直困擾著許多電廠，成為脫硫系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量的技術(shù)難題。
2.2 CEMS參數(shù)測(cè)量問(wèn)題解決方案
為了解決CEMS設(shè)備要求與電廠實(shí)際情況之間的矛盾，經(jīng)仔細(xì)調(diào)查研究，設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)帶傾角的防堵?lián)醢?，目的是減少樣氣中夾帶的漿液通過(guò)，彎頭斜對(duì)著煙氣流向，使得煙氣灌進(jìn)防堵裝置內(nèi)，經(jīng)過(guò)2級(jí)擋板阻隔，將漿液留下，煙氣通過(guò)后，進(jìn)入加熱裝置。內(nèi)部的取樣管是斷開(kāi)的，目的是防止混入的漿液直接進(jìn)入樣氣中。
（2）除濕加熱裝置：除濕加熱裝置是經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的雙套筒結(jié)構(gòu)，濕煙氣到達(dá)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(kuò)散到整個(gè)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(dòng)煙氣接觸，將煙氣中的水蒸氣凝結(jié)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(kuò)散，同時(shí)防止外套管凝結(jié)的水進(jìn)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(duì)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(cè)靈敏度，可在外套管背流面中間偏下30°左右開(kāi)2個(gè)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(shè)計(jì)成內(nèi)外套筒組裝結(jié)構(gòu)，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(jié)語(yǔ)
通過(guò)煙氣取樣裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，可解決濕煙氣中夾帶石膏漿液對(duì)取樣器的堵塞問(wèn)題，獨(dú)特的加熱方式，降低了樣氣中的煙氣相對(duì)濕度，以滿足分析儀的工作要求。該問(wèn)題的解決，有助于電廠煙氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，對(duì)電廠煙氣污染物排放進(jìn)行連續(xù)有效的監(jiān)測(cè)，為運(yùn)行人員提供準(zhǔn)確的監(jiān)控信息，使脫硫系統(tǒng)設(shè)備在經(jīng)濟(jì)、有效的工況下運(yùn)行。同時(shí)延長(zhǎng)了設(shè)備維護(hù)周期，大大減輕設(shè)備維護(hù)人員的工作量，減少備品備件和標(biāo)氣的消耗量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
