導(dǎo)讀：國內(nèi)煙氣排放分析中SO。樣品預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計。樣品預(yù)處理，煙氣排放分析在污泥焚燒裝置中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煙氣排放分析，樣品預(yù)處理，污泥干化焚燒

1、 工藝簡介

上海石洞口污水處理廠設(shè)計處理污水量為40×104m3/d，處理工藝采用具有脫氮除磷功能的一體化活性污泥法，處理對象為城市污水。

干化段采用流化床干化工藝，設(shè)計處理量為213噸/天，將機(jī)械脫水后含水率70%左右的濕污泥干化至10%以下。經(jīng)過干化的污泥顆粒通過機(jī)械輸送進(jìn)入焚燒系統(tǒng)。干污泥顆粒在焚燒過程中產(chǎn)生的SO2由加入焚燒爐內(nèi)的石灰石進(jìn)行反應(yīng)，以求把SO2降低到一定濃度以下。

焚燒煙氣自鍋爐尾部煙道出口進(jìn)入煙氣凈化裝置，煙氣凈化采用半干法噴淋塔和布袋除塵器組合運(yùn)行，凈化后的煙氣經(jīng)在線分析H2O、O2、SO2、含塵量等參數(shù)后，經(jīng)引風(fēng)機(jī)送入煙囪排入大氣。

2、 原在線分析系統(tǒng)構(gòu)成、測量原理及應(yīng)用狀況

裝置自2004年年底建成投產(chǎn)后，含塵量、H2O、O2在線分析儀工作基本正常，但是SO2在線分析儀始終工作不正常。(其安裝示意圖見圖1)

原紫外吸收法測量SO2的在線分析儀安裝在煙道上，探頭插入煙道中，它由分析儀、現(xiàn)場工控機(jī)、凈化空氣吹掃系統(tǒng)等部分組成。分析儀完成SO2濃度測量，經(jīng)過RS232口傳至現(xiàn)場工控機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲。凈化空氣吹掃系統(tǒng)向測試儀探頭中不斷吹掃，以保持測試儀探頭中鏡片的清潔。

分析儀的光學(xué)系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩大部分組成，包括光源、透鏡、角反射器、狹縫和多道光譜儀等。光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡直接射入煙道中，通過煙氣吸收后經(jīng)角反射器返回，由光二極管陣列檢測器CCD接收。CCD檢測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，電信號?jīng)前置放大器放大后送入高速信號采集A/D和CPU處理單元，采用適當(dāng)?shù)乃惴▽ζ溥M(jìn)行處理得到SO2分析結(jié)果。

圖1

該原理的SO2分析儀在我廠投用后，一直工作不正常，經(jīng)反復(fù)調(diào)試及查閱原廠商技術(shù)文件，總結(jié)SO2分析儀投用不正常原因如下：

2.1 　原SO2分析儀為插入式紫外原理分析儀，該儀器的光學(xué)部件、電路部件直接安裝在煙道上，安裝點(diǎn)位置距離引風(fēng)機(jī)過近，引風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時SO2分析儀附近的震動比較大，影響了分析儀光學(xué)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，造成分析儀數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

2.2 　引風(fēng)機(jī)啟動后，煙道內(nèi)部的壓力為負(fù)壓，且壓力隨著焚燒爐工況的變化存在波動，而壓力的波動對原SO2分析儀的影響較大，讀數(shù)始終無法穩(wěn)定。

2.3 　為了防止粉塵對光學(xué)部件的污染，原SO2分析儀設(shè)計有插入式陶瓷過濾器。該過濾器安裝于煙道內(nèi)部，清潔及維護(hù)不方便，當(dāng)有微小的粉塵顆粒透過過濾器進(jìn)入測量氣室內(nèi)部時，無法清除，勢必造成測量偏差。，樣品預(yù)處理。

2.4 　SO2分析儀所有部件直接安裝于煙道上，拆卸不便。測量偏差后的重新標(biāo)定及深入檢查判斷故障點(diǎn)比較麻煩，維護(hù)難度大。

3、 SO2在線分析系統(tǒng)的改進(jìn)方案

經(jīng)以上分析，原分析儀測量的不正常主要是由于分析儀安裝于震動的被測管道上以及被測介質(zhì)壓力的不穩(wěn)定引起的，因此考慮選用抽取式在線分析儀取代原來的管道安裝式分析儀。

3.1 　取樣點(diǎn)位置

鑒于在引風(fēng)機(jī)入口取樣處存在負(fù)壓波動，且引風(fēng)機(jī)的震動對SO2分析儀有較大影響，經(jīng)技術(shù)論證，將取樣點(diǎn)的位置挪至煙囪上，選擇在煙囪的中部稍靠下區(qū)域取樣(見圖2)，該取樣點(diǎn)的選擇避開了引風(fēng)機(jī)的震動，且煙氣的流速及壓力均已十分穩(wěn)定。一般認(rèn)為，在大多數(shù)氣體和液體管線中，從產(chǎn)生良好混合的湍流位置上取樣，可保證樣品真正具有代表性。因此，重新選型并安裝了新的取樣裝置。新的取樣裝置的取樣管要深入到煙囪內(nèi)部中心位置，為取到有代表性的樣品提供了保障。

圖2

3.2 取樣裝置

取樣裝置的核心是電加熱型取樣探頭，它由電加熱恒溫型陶瓷過濾器、溫度控制器、反吹控制器等設(shè)備構(gòu)成，該過濾器能將煙囪內(nèi)粒徑大于2um的粉塵顆粒有效濾除。定時控制的反吹裝置定期反吹過濾器的內(nèi)外表面，保證濾芯的清潔。

4、 在線分析儀表選型

目前國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)推薦的分析方法有如下一些：

抽取式連續(xù)監(jiān)測：

二氧化硫(SO2)——紫外熒光法、非分散紅外吸收法(NDIR)

氮氧化物(NOx)——化學(xué)發(fā)光法、非分散紅外吸收法(NDIR)

現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測：

紅外或紫外吸收法(非分散紅外分析儀和紫外分光光度計)

國內(nèi)煙氣排放分析中SO2的測量，絕大多數(shù)采用直接抽取法配套非分散紅外分析儀(NDIR)實(shí)現(xiàn)。直接抽取采樣法煙氣由隔膜泵抽吸，經(jīng)過粗過濾除塵、加熱保溫管線傳送，再經(jīng)冷凝除濕、細(xì)過濾除塵、流量調(diào)節(jié)等預(yù)處理裝置后送入分析儀進(jìn)行分析。由于煙塵和水汽已從取樣氣中除去，所以分析儀的工作相對穩(wěn)定可靠，技術(shù)比較成熟。NDIR分析儀工作原理及特點(diǎn)文獻(xiàn)資料眾多，在此不再敷述。

5、 樣品預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計

煙氣在線分析儀能否用好，取決于樣品系統(tǒng)的完善程度和可靠性。分析儀無論如何復(fù)雜和精確，分析精度也要受到樣品的代表性、實(shí)時性和物理狀態(tài)的限制。在現(xiàn)場應(yīng)用中，由于各種環(huán)境條件的局限性，樣品預(yù)處理系統(tǒng)往往是整個在線分析系統(tǒng)所面對的主要矛盾。事實(shí)上，樣品預(yù)處理系統(tǒng)在實(shí)際使用中遇到的問題往往比分析儀還要多，樣品系統(tǒng)的維護(hù)量也往往超過分析儀本身。

5.1結(jié)合SO2氣體的理化特點(diǎn)，在線SO2分析時，樣品預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計必須注意以下問題

① SO2易溶于水(約為1:40)，樣品預(yù)處理過程中冷凝水的存在和積存會使SO2大量溶解，造成分析結(jié)果嚴(yán)重偏低，無法測量出煙氣中的SO2真實(shí)含量。

② SO2溶解于水生成亞硫酸，進(jìn)一步氧化反應(yīng)可生成硫酸，亞硫酸及硫酸均為腐蝕性液體，會腐蝕樣品預(yù)處理系統(tǒng)中的管線、閥門、流量計等設(shè)備，造成預(yù)處理及分析儀工作不正常。

③ 針對污泥焚燒煙氣中SO2氣體分析的特點(diǎn)，需要針對性地設(shè)計樣品預(yù)處理系統(tǒng)，改造后的樣品預(yù)處理及分析流程如下(見圖3)：

圖3

5.2 樣品預(yù)處理及分析流程說明

①采樣氣體柜外預(yù)處理

被分析的煙氣在煙道內(nèi)部首先通過前置預(yù)過濾器進(jìn)行一次過濾，一次過濾后的樣品氣體進(jìn)入戶外型采樣探頭，再經(jīng)探頭內(nèi)部孔徑細(xì)到2μm的陶瓷過濾器進(jìn)行二次過濾。采樣探頭帶有電加熱器，可以使過濾器件和樣氣溫度始終保持在100℃以上，防止采樣氣體中的水汽冷凝，粉塵結(jié)塊，防止探頭和管線堵塞。采樣氣經(jīng)過濾后，成為較純凈的混合煙氣進(jìn)入輸送管線，最終到達(dá)分析儀表柜。

②采樣氣體柜內(nèi)預(yù)處理

到達(dá)分析儀表柜的采樣氣體經(jīng)過脫水冷凝器，混合煙氣被急速冷卻到5℃，煙氣中的水分會充分析出，脫掉的水分經(jīng)蠕動泵排走。發(fā)表，樣品預(yù)處理。此時，采樣氣體成為露點(diǎn)為5℃的干氣，再經(jīng)過孔徑為0.1μm的精細(xì)過濾器，進(jìn)一步除去粉塵顆粒，使采樣氣體成為無塵、無水、流量穩(wěn)定的氣體。

③樣品分析

經(jīng)過針閥流量計調(diào)節(jié)采樣氣體流量后，進(jìn)入SO2分析儀測定采樣氣體中SO2的濃度，并將測量結(jié)果以4～20mA模擬或數(shù)字信號輸出。

小結(jié)：樣品預(yù)處理過程采用直接加熱抽取技術(shù)，對采樣氣體的取樣、輸送全過程進(jìn)行加熱控制，確保采樣氣體中的水分不冷凝，SO2氣體的含量不失真。所有與采樣氣體接觸的部件均選用PTFE材料或其它耐腐蝕合金材質(zhì)，確保系統(tǒng)部件不被腐蝕。又考慮到污泥焚燒系統(tǒng)中小顆粒粉塵濃度比較高，因此采用多級過濾方式，充分過濾掉采樣氣體中的小顆粒粉塵，使采樣氣體中粉塵顆粒大于0.1μm的固態(tài)雜質(zhì)被濾除，保證了采樣氣體的潔凈度滿足分析儀的要求。

5.3 標(biāo)定系統(tǒng)

分析儀器的標(biāo)定及定期檢查是保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性的重要日常維護(hù)工作之一。在線分析儀器在現(xiàn)場長期運(yùn)行過程中，一般會存在或多或少的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，為確保系統(tǒng)分析精度同時降低日常維護(hù)工作量，系統(tǒng)中設(shè)計了自動標(biāo)定功能。

5.3.1自動標(biāo)定分為兩種控制方式：

① 由PLC定期發(fā)出校準(zhǔn)信號，指揮相關(guān)電磁閥完成(周期48小時，可調(diào))

當(dāng)PLC程序執(zhí)行校準(zhǔn)的過程中，分析儀自身系統(tǒng)判斷測量信號異常時(標(biāo)準(zhǔn)氣濃度信號量程超出分析儀出廠時標(biāo)定的范圍或標(biāo)準(zhǔn)氣壓力過低過高)，則PLC終止標(biāo)定程序，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)氣電磁閥，同時輸出報警信號。等到信號恢復(fù)正常或人工排除故障后，分析儀自動恢復(fù)運(yùn)行。

② 支持人工不定期校準(zhǔn)，由維護(hù)人員定期進(jìn)行

5.3.2自動標(biāo)定功能執(zhí)行時，分析系統(tǒng)在PLC和SO2分析儀的控制下，順序執(zhí)行以下動作：

①采樣電磁閥切旁路，抽氣泵停止運(yùn)行，系統(tǒng)停止進(jìn)樣，分析儀測量數(shù)據(jù)輸出信號保持。

②零點(diǎn)氣電磁閥開啟，判斷進(jìn)表氣體壓力，若壓力正常，進(jìn)入延時等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定過程。

③零點(diǎn)氣體讀數(shù)穩(wěn)定后，分析儀完成零點(diǎn)標(biāo)定。

④零點(diǎn)氣電磁閥關(guān)閉，滿量程氣電磁閥開啟，判斷進(jìn)表氣體壓力，若壓力正常，進(jìn)入延時等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定過程。

⑤滿量程氣體讀數(shù)穩(wěn)定后，分析儀完成滿量程標(biāo)定。

⑥滿量程氣電磁閥關(guān)閉，采樣電磁閥開啟，抽氣泵啟動，采樣氣體重新進(jìn)入分析系統(tǒng)分析，延時等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

⑦采樣氣體分析結(jié)果數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，分析儀解除輸出信號保持，輸出實(shí)時測量結(jié)果。

5.3.3自動校準(zhǔn)控制中需注意的問題：

①參考制造商的推薦標(biāo)定周期，過于頻繁的標(biāo)定并不必要。

②自動標(biāo)定時延時等待數(shù)據(jù)周期需現(xiàn)場試驗(yàn)確認(rèn)，并需要定期檢查調(diào)整。延時等待時間過長，增加了標(biāo)準(zhǔn)氣的消耗量，時間過短，標(biāo)定數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

③標(biāo)定過程中，分析儀的輸出信號采用了保持標(biāo)定前分析數(shù)據(jù)的方式。這樣，在標(biāo)定過程中系統(tǒng)輸出信號無階躍波動，避免了對環(huán)保監(jiān)測和工藝控制的影響。

④人工需定期檢查標(biāo)準(zhǔn)氣余量、標(biāo)準(zhǔn)氣輸出壓力，并且定期手動標(biāo)定，以檢查核實(shí)自動標(biāo)定結(jié)果。

5.4 自動控制系統(tǒng)

為了提高樣品預(yù)處理系統(tǒng)的可靠性，降低維護(hù)工作量，系統(tǒng)中還設(shè)計了以下自動控制回路：

① 采樣探頭自動反吹控制

采樣探頭的反吹由PLC控制，控制方式分為定時反吹、流量低反吹和手動反吹三種方式。發(fā)表，樣品預(yù)處理。發(fā)表，樣品預(yù)處理。定時反吹和流量低反吹由PLC判斷并執(zhí)行，手動反吹則支持維護(hù)人員維護(hù)保養(yǎng)時手動控制。

② 采樣氣體含水聯(lián)鎖保護(hù)

樣品預(yù)處理系統(tǒng)中安裝有水分報警器，當(dāng)采樣氣體中的水分含量高時，系統(tǒng)停止進(jìn)樣，防止帶有水分的樣氣進(jìn)入分析儀表內(nèi)部，損壞分析儀。系統(tǒng)停止進(jìn)樣后，PLC發(fā)出系統(tǒng)報警信號，通知有關(guān)人員排查原因。

③ 采樣氣體流量低控制及報警

當(dāng)采樣氣體流量計檢測到樣氣流量低時，PLC會自動啟動反吹控制，執(zhí)行反吹動作。反吹結(jié)束后，如果流量恢復(fù)正常，則系統(tǒng)投入正常運(yùn)行。如果流量仍然偏低，則停止進(jìn)樣，并輸出系統(tǒng)報警信號，通知有關(guān)人員排查原因。

④ 工藝布袋除塵器故障聯(lián)鎖控制

當(dāng)工藝裝置的布袋除塵器系統(tǒng)故障或煙氣跨過除塵器切換到旁路管道直接進(jìn)入煙囪時，煙氣中的粉塵含量會急劇升高。為避免突然增加的大量粉塵給在線分析系統(tǒng)帶來不利影響，PLC將分析系統(tǒng)切換到旁路狀態(tài)，停止進(jìn)樣，并輸出系統(tǒng)報警信號。

6、 投用對比測試

改造后的SO2分析儀2009年投入運(yùn)行，已平穩(wěn)運(yùn)行近兩年，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常，分析結(jié)果與其它分析方式分析出的結(jié)果基本一致，測量誤差在可接受的范圍內(nèi)。發(fā)表，樣品預(yù)處理。

測試時間	Testo 350便攜分析（年度強(qiáng)檢）	在線SO2分析儀	誤差(%)
2010-1-9	125	129	3
2010-1-10	60	51.6	14
2010-1-12	78	69	12
2010-1-13	79	70	11
2010-1-14	207	196	5
2010-1-15	193	187	3
2010-1-18	110	97.8	11
2010-1-19	203	200	1.5
2010-1-20	277	250(滿量程)	無法比較
2010-1-22	65	62	5
平均			7

7、 結(jié)束語

污泥焚燒裝置中在線分析儀表的應(yīng)用需要從設(shè)備的選型、取樣位置、安裝位置、整套系統(tǒng)設(shè)計等多角度考慮。發(fā)表，樣品預(yù)處理。改進(jìn)后的SO2分析系統(tǒng)較好的適應(yīng)了污泥焚燒裝置的工藝流程特點(diǎn)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不僅實(shí)現(xiàn)了污染物排放的連續(xù)檢測，而且利用其穩(wěn)定的測量信號，還可以通過DCS焚燒爐控制系統(tǒng)控制石灰石的加注量，體現(xiàn)了一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

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王森儀表工試題集在線分析儀表分冊化學(xué)工業(yè)出版社2008

美羅伯特E 謝爾曼著 過程分析儀樣品預(yù)處理技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社 2004

國家環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 75-2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范