电厂湿烟气在线监测系统烟气取样探头装置优化设计

    摘 要：针对电厂烟气连续自动监测系统（CEMS）设备运行中出现的探头被浆液堵塞和样气中含水量大的问题，设计了一种适合在湿度大、含尘量大或含石膏浆液的烟气中有效采集烟气样本的防堵采样头，可解决湿烟气中夹带石膏浆液对取样器的堵塞问题，采用的独特的加热方式，可减少水蒸气进入样气中，以满足分析仪的工作要求。

徐光宝

（河北大唐国际王滩发电有限责任公司，  河北  唐山 063011）

0 引言

    目前，我国电力工业的能源结构主要以燃煤为主，以燃煤为主的电力工业的高速发展将对我国的资源和环境带来巨大影响。我国火电厂排放的二氧化硫占全国工业污染的30%以上，排入大气的二氧化硫和氮氧化物与水汽结合生成硫酸和硝酸，随降水落下形成酸雨，酸雨不仅危害农作物的生长，还会腐蚀建筑、金属物等，给国民经济和人民健康带来巨大损害。

    面对严峻的环境污染形势，国家对环境保护的力度不断加大，强化了对脱硫设施运行的监管：燃煤电厂建设脱硫设施时，必须安装烟气自动在线监测系统，并与省级环保部门和省级及以上电网企业联网，向省级环保部门和省级电网企业实时传送监测数据。因此对电厂烟气连续自动监测系统（CEMS）设备运行的可靠性要求也越来越高。

1 王滩发电公司脱硫系统CEMS

1.1  整体结构

    王滩发电公司2台600MW机组采用湿式石灰石脱硫，与机组同步投产，烟气连续自动监测系统（CEMS）采用美国热电公司的200L型稀释系统，其分析系统结构如图1所示。

图1  200L型烟气连续自动监测系统

1.2  稀释采样探头结构和原理

稀释采样探头的内部结构如图2所示。

图2  稀释采样探头内部结构

      稀释探头的主要功能是从烟道内采集并稀释烟气，再把稀释后样气传送到分析仪。

      大约5L/min的干燥空气通过稀释空气管流经真空泵喷嘴进入文丘里管，当高压空气流经喷嘴时会在连接到临界小孔低压端的气室中产生真空，在真空作用下，烟道内烟气通过第1级粗过滤器和第2级石英棉精细过滤器后，经临界小孔传送到文丘里管的出口，在这里烟道烟气与洁净的空气混合并被稀释。稀释后的正压样气通过无需加热的样气管传送到分析仪。

      在稀释采样探头内部*重要的部件是临界小孔，临界小孔的直径远远大于孔的长度。当小孔两端的压力差大于0.46倍以上时，气体流经小孔的速度只取决于气体分子流经小孔时的振动速度（即音速），而与小孔两端的压力变化基本无关，即产生恒流。该小孔产生的恒流把烟气的采样流量限制在50ml/min(或100ml/min)，可保证烟道气和真空泵喷嘴来的5L/min的干燥且干净的空气混合后产生稳定的稀释比。一般脱硫系统选100:1的稀释比，对于临界小孔，100:1的稀释比对应的是50ml/min的小孔。

2 脱硫系统湿烟气取样装置优化设计

2.1 CEMS存在的主要问题

       （1）净烟气采样探头所处环境非常恶劣，烟气中湿度大，在流动的烟气中夹带浆液，频繁污染和堵塞采样探头，有时一两天就发生一次。探头污染后,需要用超声波清洗，污染严重时整个稀释探头就报废了。清洗后的探头安装后，系统需重新标定，在CEMS维护和校验期间影响脱硫效率的计算。

       （2）CEMS稀释取样管处于烟道中，受烟气腐蚀，元件损坏率高，维护费用高。这其中*突出的问题是CEMS探头被浆液堵塞和样气中含水量大的问题。

      由于临界小孔的孔径仅为零点几毫米，通过小孔的烟气必须干净，且含水率小于9.8%。而烟气分析仪要求稀释后的样气含水率不大于0.1%；否则，运行后很短时间就会出现2方面问题，一方面烟气含尘量大，滤网过滤失效，导致临界小孔堵塞；另一方面临界小孔前室中充满水。这2种情况都将导致采样无法进行，必须进行临界小孔超声清洗、干燥、系统标定等诸多维护项目。

      电厂湿式石灰石脱硫系统中，如果没有安装净烟气加热装置（GGH），则净烟气中湿度非常大，经常达到相对湿度为99%，且烟气中夹带石膏浆液，因此经常发生取样管堵塞。针对这种情况，有的生产厂家在采样头入口处加装加热装置，虽然提高了样气温度，但是烟气中的含水率和浆液含量并未降低。因此，CEMS探头被浆液堵塞和样气中含水量大的问题一直困扰着许多电厂，成为脱硫系统参数测量的技术难题。

2.2 CEMS参数测量问题解决方案

      为了解决CEMS设备要求与电厂实际情况之间的矛盾，经仔细调查研究，设计了在湿度大、含尘量大或含石膏浆液的烟气中能有效采集烟气样本的防堵采样头。其原理如图3所示。

图3 新型防堵除湿采样头原理

      该装置安装在原有采样管前端，包括2个部分：防堵装置、除湿加热装置。

（1）防堵装置：在采样头的前端装有弯头和上下两个带倾角的防堵挡板，目的是减少样气中夹带的浆液通过，弯头斜对着烟气流向，使得烟气灌进防堵装置内，经过2级挡板阻隔，将浆液留下，烟气通过后，进入加热装置。内部的取样管是断开的，目的是防止混入的浆液直接进入样气中。

（2）除湿加热装置：除湿加热装置是经过特别设计的双套筒结构，湿烟气到达加热器后，经耐腐材料加热器加热，温度控制在200℃左右，气体经加热自由膨胀后，由内套管扩散到整个内外套管的空间内，外套管与管外温度较低（约50℃）的流动烟气接触，将烟气中的水蒸气凝结成水，聚集在外套管底部，由底部排水孔排出。内套管的作用是让膨胀的加热气体扩散，同时防止外套管凝结的水进入内套管。

     烟气取样管的入口在螺旋加热管内部，其中的气体相对湿度*小，就能保证取出的样品气中的含水量较低，满足CEMS系统采集的烟气含水率小于9.8%的要求。

该装置在安装制作上有如下要求：

（1）如果要提高检测灵敏度，可在外套管背流面中间偏下30°左右开2个的小孔（直径约为6厘米）

（2）该装置要保证采样口垂直向下，或将取样装置在水平烟道的顶部垂直向下安装，保证装置有积液自排功能。

（3）在加工制作上，可设计成内外套筒组装结构，方便更换加热器以及清洗内外套筒的内壁。材料可选用优质耐酸钢材加工。

3 结语

通过烟气取样装置优化设计，可解决湿烟气中夹带石膏浆液对取样器的堵塞问题，独特的加热方式，降低了样气中的烟气相对湿度，以满足分析仪的工作要求。该问题的解决，有助于电厂烟气连续自动监测系统稳定可靠运行，对电厂烟气污染物排放进行连续有效的监测，为运行人员提供准确的监控信息，使脱硫系统设备在经济、有效的工况下运行。同时延长了设备维护周期，大大减轻设备维护人员的工作量，减少备品备件和标气的消耗量，经济效益显著。lm