烟气排放分析在污泥焚烧装置中的应用
导读：国内烟气排放分析中SO。样品预处理系统设计。样品预处理，烟气排放分析在污泥焚烧装置中的应用。
关键词：烟气排放分析，样品预处理，污泥干化焚烧
1、 工艺简介
上海石洞口污水处理厂设计处理污水量为40×104m3/d，处理工艺采用具有脱氮除磷功能的一体化活性污泥法，处理对象为城市污水。
干化段采用流化床干化工艺，设计处理量为213吨/天，将机械脱水后含水率70%左右的湿污泥干化至10%以下。经过干化的污泥颗粒通过机械输送进入焚烧系统。干污泥颗粒在焚烧过程中产生的SO2由加入焚烧炉内的石灰石进行反应，以求把SO2降低到一定浓度以下。
焚烧烟气自锅炉尾部烟道出口进入烟气净化装置，烟气净化采用半干法喷淋塔和布袋除尘器组合运行，净化后的烟气经在线分析H2O、O2、SO2、含尘量等参数后，经引风机送入烟囱排入大气。
2、 原在线分析系统构成、测量原理及应用状况
装置自2004年年底建成投产后，含尘量、H2O、O2在线分析仪工作基本正常，但是SO2在线分析仪始终工作不正常。(其安装示意图见图1)
原紫外吸收法测量SO2的在线分析仪安装在烟道上，探头插入烟道中，它由分析仪、现场工控机、净化空气吹扫系统等部分组成。分析仪完成SO2浓度测量，经过RS232口传至现场工控机，进行数据采集、处理、存储。净化空气吹扫系统向测试仪探头中不断吹扫，以保持测试仪探头中镜片的清洁。
分析仪的光学系统主要由发射和接收两大部分组成，包括光源、透镜、角反射器、狭缝和多道光谱仪等。光源发出的光经过透镜直接射入烟道中，通过烟气吸收后经角反射器返回，由光二极管阵列检测器CCD接收。CCD检测器将光信号转变为电信号，电信号经前置放大器放大后送入高速信号采集A/D和CPU处理单元，采用适当的算法对其进行处理得到SO2分析结果。
图1
该原理的SO2分析仪在我厂投用后，一直工作不正常，经反复调试及查阅原厂商技术文件，总结SO2分析仪投用不正常原因如下：
2.1 原SO2分析仪为插入式紫外原理分析仪，该仪器的光学部件、电路部件直接安装在烟道上，安装点位置距离引风机过近，引风机运转时SO2分析仪附近的震动比较大，影响了分析仪光学系统工作的稳定性，造成分析仪数据不稳定。
2.2 引风机启动后，烟道内部的压力为负压，且压力随着焚烧炉工况的变化存在波动，而压力的波动对原SO2分析仪的影响较大，读数始终无法稳定。
2.3 为了防止粉尘对光学部件的污染，原SO2分析仪设计有插入式陶瓷过滤器。该过滤器安装于烟道内部，清洁及维护不方便，当有微小的粉尘颗粒透过过滤器进入测量气室内部时，无法清除，势必造成测量偏差。，样品预处理。
2.4 SO2分析仪所有部件直接安装于烟道上，拆卸不便。测量偏差后的重新标定及深入检查判断故障点比较麻烦，维护难度大。
3、 SO2在线分析系统的改进方案
经以上分析，原分析仪测量的不正常主要是由于分析仪安装于震动的被测管道上以及被测介质压力的不稳定引起的，因此考虑选用抽取式在线分析仪取代原来的管道安装式分析仪。
3.1 取样点位置
鉴于在引风机入口取样处存在负压波动，且引风机的震动对SO2分析仪有较大影响，经技术论证，将取样点的位置挪至烟囱上，选择在烟囱的中部稍靠下区域取样(见图2)，该取样点的选择避开了引风机的震动，且烟气的流速及压力均已十分稳定。一般认为，在大多数气体和液体管线中，从产生良好混合的湍流位置上取样，可保证样品真正具有代表性。因此，重新选型并安装了新的取样装置。新的取样装置的取样管要深入到烟囱内部中心位置，为取到有代表性的样品提供了保障。
图2
3.2 取样装置
取样装置的核心是电加热型取样探头，它由电加热恒温型陶瓷过滤器、温度控制器、反吹控制器等设备构成，该过滤器能将烟囱内粒径大于2um的粉尘颗粒有效滤除。定时控制的反吹装置定期反吹过滤器的内外表面，保证滤芯的清洁。
4、 在线分析仪表选型
目前国家环保标准推荐的分析方法有如下一些：
抽取式连续监测：
二氧化硫(SO2)——紫外荧光法、非分散红外吸收法(NDIR)
氮氧化物(NOx)——化学发光法、非分散红外吸收法(NDIR)
现场连续监测：
红外或紫外吸收法(非分散红外分析仪和紫外分光光度计)
国内烟气排放分析中SO2的测量，绝大多数采用直接抽取法配套非分散红外分析仪(NDIR)实现。直接抽取采样法烟气由隔膜泵抽吸，经过粗过滤除尘、加热保温管线传送，再经冷凝除湿、细过滤除尘、流量调节等预处理装置后送入分析仪进行分析。由于烟尘和水汽已从取样气中除去，所以分析仪的工作相对稳定可靠，技术比较成熟。NDIR分析仪工作原理及特点文献资料众多，在此不再敷述。
5、 样品预处理系统设计
烟气在线分析仪能否用好，取决于样品系统的完善程度和可靠性。分析仪无论如何复杂和精确，分析精度也要受到样品的代表性、实时性和物理状态的限制。在现场应用中，由于各种环境条件的局限性，样品预处理系统往往是整个在线分析系统所面对的主要矛盾。事实上，样品预处理系统在实际使用中遇到的问题往往比分析仪还要多，样品系统的维护量也往往超过分析仪本身。
5.1结合SO2气体的理化特点，在线SO2分析时，样品预处理系统的设计必须注意以下问题
① SO2易溶于水(约为1:40)，样品预处理过程中冷凝水的存在和积存会使SO2大量溶解，造成分析结果严重偏低，无法测量出烟气中的SO2真实含量。
② SO2溶解于水生成亚硫酸，进一步氧化反应可生成硫酸，亚硫酸及硫酸均为腐蚀性液体，会腐蚀样品预处理系统中的管线、阀门、流量计等设备，造成预处理及分析仪工作不正常。
③ 针对污泥焚烧烟气中SO2气体分析的特点，需要针对性地设计样品预处理系统，改造后的样品预处理及分析流程如下(见图3)：
图3
5.2 样品预处理及分析流程说明
①采样气体柜外预处理
被分析的烟气在烟道内部首先通过前置预过滤器进行一次过滤，一次过滤后的样品气体进入户外型采样探头，再经探头内部孔径细到2μm的陶瓷过滤器进行二次过滤。采样探头带有电加热器，可以使过滤器件和样气温度始终保持在100℃以上，防止采样气体中的水汽冷凝，粉尘结块，防止探头和管线堵塞。采样气经过滤后，成为较纯净的混合烟气进入输送管线，最终到达分析仪表柜。
②采样气体柜内预处理
到达分析仪表柜的采样气体经过脱水冷凝器，混合烟气被急速冷却到5℃，烟气中的水分会充分析出，脱掉的水分经蠕动泵排走。发表，样品预处理。此时，采样气体成为露点为5℃的干气，再经过孔径为0.1μm的精细过滤器，进一步除去粉尘颗粒，使采样气体成为无尘、无水、流量稳定的气体。
③样品分析
经过针阀流量计调节采样气体流量后，进入SO2分析仪测定采样气体中SO2的浓度，并将测量结果以4～20mA模拟或数字信号输出。
小结：样品预处理过程采用直接加热抽取技术，对采样气体的取样、输送全过程进行加热控制，确保采样气体中的水分不冷凝，SO2气体的含量不失真。所有与采样气体接触的部件均选用PTFE材料或其它耐腐蚀合金材质，确保系统部件不被腐蚀。又考虑到污泥焚烧系统中小颗粒粉尘浓度比较高，因此采用多级过滤方式，充分过滤掉采样气体中的小颗粒粉尘，使采样气体中粉尘颗粒大于0.1μm的固态杂质被滤除，保证了采样气体的洁净度满足分析仪的要求。
5.3 标定系统
分析仪器的标定及定期检查是保证分析结果的准确性和可靠性的重要日常维护工作之一。在线分析仪器在现场长期运行过程中，一般会存在或多或少的零点漂移现象，为确保系统分析精度同时降低日常维护工作量，系统中设计了自动标定功能。
5.3.1自动标定分为两种控制方式：
① 由PLC定期发出校准信号，指挥相关电磁阀完成(周期48小时，可调)
当PLC程序执行校准的过程中，分析仪自身系统判断测量信号异常时(标准气浓度信号量程超出分析仪出厂时标定的范围或标准气压力过低过高)，则PLC终止标定程序，关闭标准气电磁阀，同时输出报警信号。等到信号恢复正常或人工排除故障后，分析仪自动恢复运行。
② 支持人工不定期校准，由维护人员定期进行
5.3.2自动标定功能执行时，分析系统在PLC和SO2分析仪的控制下，顺序执行以下动作：
①采样电磁阀切旁路，抽气泵停止运行，系统停止进样，分析仪测量数据输出信号保持。
②零点气电磁阀开启，判断进表气体压力，若压力正常，进入延时等待数据稳定过程。
③零点气体读数稳定后，分析仪完成零点标定。
④零点气电磁阀关闭，满量程气电磁阀开启，判断进表气体压力，若压力正常，进入延时等待数据稳定过程。
⑤满量程气体读数稳定后，分析仪完成满量程标定。
⑥满量程气电磁阀关闭，采样电磁阀开启，抽气泵启动，采样气体重新进入分析系统分析，延时等待数据稳定。
⑦采样气体分析结果数据稳定后，分析仪解除输出信号保持，输出实时测量结果。
5.3.3自动校准控制中需注意的问题：
①参考制造商的推荐标定周期，过于频繁的标定并不必要。
②自动标定时延时等待数据周期需现场试验确认，并需要定期检查调整。延时等待时间过长，增加了标准气的消耗量，时间过短，标定数据不准确。
③标定过程中，分析仪的输出信号采用了保持标定前分析数据的方式。这样，在标定过程中系统输出信号无阶跃波动，避免了对环保监测和工艺控制的影响。
④人工需定期检查标准气余量、标准气输出压力，并且定期手动标定，以检查核实自动标定结果。
5.4 自动控制系统
为了提高样品预处理系统的可靠性，降低维护工作量，系统中还设计了以下自动控制回路：
① 采样探头自动反吹控制
采样探头的反吹由PLC控制，控制方式分为定时反吹、流量低反吹和手动反吹三种方式。发表，样品预处理。发表，样品预处理。定时反吹和流量低反吹由PLC判断并执行，手动反吹则支持维护人员维护保养时手动控制。
② 采样气体含水联锁保护
样品预处理系统中安装有水分报警器，当采样气体中的水分含量高时，系统停止进样，防止带有水分的样气进入分析仪表内部，损坏分析仪。系统停止进样后，PLC发出系统报警信号，通知有关人员排查原因。
③ 采样气体流量低控制及报警
当采样气体流量计检测到样气流量低时，PLC会自动启动反吹控制，执行反吹动作。反吹结束后，如果流量恢复正常，则系统投入正常运行。如果流量仍然偏低，则停止进样，并输出系统报警信号，通知有关人员排查原因。
④ 工艺布袋除尘器故障联锁控制
当工艺装置的布袋除尘器系统故障或烟气跨过除尘器切换到旁路管道直接进入烟囱时，烟气中的粉尘含量会急剧升高。为避免突然增加的大量粉尘给在线分析系统带来不利影响，PLC将分析系统切换到旁路状态，停止进样，并输出系统报警信号。
6、 投用对比测试
改造后的SO2分析仪2009年投入运行，已平稳运行近两年，系统运行稳定正常，分析结果与其它分析方式分析出的结果基本一致，测量误差在可接受的范围内。发表，样品预处理。
| 测试时间 | Testo 350便携分析（年度强检） | 在线SO2分析仪 | 误差(%) |
| 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(满量程) | 无法比较 |
| 2010-1-22 | 65 | 62 | 5 |
| 平均 | 7 |
7、 结束语
污泥焚烧装置中在线分析仪表的应用需要从设备的选型、取样位置、安装位置、整套系统设计等多角度考虑。发表，样品预处理。改进后的SO2分析系统较好的适应了污泥焚烧装置的工艺流程特点，分析系统的稳定运行不仅实现了污染物排放的连续检测，而且利用其稳定的测量信号，还可以通过DCS焚烧炉控制系统控制石灰石的加注量，体现了一定的经济和社会效益。
参考文献：
王森在线分析仪器手册化学工业出版社2008
王森仪表工试题集在线分析仪表分册化学工业出版社2008
美罗伯特E 谢尔曼著 过程分析仪样品预处理技术 化学工业出版社 2004
国家环境保护行业标准HJ/T 75-2007固定污染源烟气排放连续监测技术规范
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