工业过程中锅炉污染气体排放的监测与分析
来源：湖北锐意自控系统有限公司 阅读：13362 更新时间：2018-05-08 12:04工业生产中工业锅炉是重要的生产设备，主要分为燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉。目前国内在用的工业锅炉数量和规模庞大，受能源供应的影响，主要以煤炭、重油、煤油等为主，柴油、天然气、液化石油气应用比例相对较小。而煤炭等燃料燃烧产生的污染是非常严重的，因为其燃烧产生的烟气中的主要成分为二氧化硫、氮氧化物、烟尘。
控制锅炉污染气体的排放，降低烟气中二氧化硫、氮氧化物、烟尘的含量是直接途径，也是工业企业降本增效、发展绿色经济的重要举措。
一、锅炉燃烧中烟气污染成分的形成因素
1、二氧化硫
燃料中以有机硫和黄铁矿硫的形式存在的硫在燃烧过程中全部参加反应，氧化为二氧化硫，而硫酸盐则不参与燃烧。液体燃料中的硫主要以游离硫、硫化氢等的形式存在，在燃料燃烧过程中很容易与氧作用转化为二氧化硫；气体燃料中的硫主要以气态硫化氢的形式存在，在燃烧过程中几乎全部转化为为二氧化硫，因此二氧化硫测生成量与燃料中的含硫量、锅炉中的含氧量成正比。
2、氮氧化物
在煤、石油、天然气等燃料的燃烧过程中，空气中所含的氮气和氧气在锅炉高温状态下反应生成NO,称为温度NO;在燃烧时氧化生成NO，称为氧化NO。由此可得出，锅炉燃烧时氮氧化物的生成量与燃烧时锅炉内的温度、氧气浓度等因素有关。
3、烟尘
固体燃料和液体燃料都含有一定数量的灰分，灰分本身是不可燃烧的，燃料燃烧后成为燃烧产物中的灰渣和烟尘；燃料中的碳氢化合物以及燃烧过程中析出的挥发物，在高温缺氧情况下形成炭黑粒子；液体燃料由于雾化不良、炉温太低或燃料与空气混合不匀，燃烧时也会形成炭黑粒子；即使是气体燃料在燃烧过程中，当空气供应不足时，也会因热分解而产生炭黑粒子。因此，影响烟尘形成的因素主要包括燃料种类、氧气浓度与空气过剩系数、燃料粒径、惰性气体、燃烧室压力和燃烧温度等。
随着我国环保概念的深入实践，为防止区域性大气进一步污染、改善环境质量、降低大气污染源的排放强度、严格地控制排污行为，《锅炉大气污染物排放标准》（GB-13271 2014）规定了大气污染区排放限制，该限制的控制水平达到国际先进或领先程度。
注：位于广西壮族自治区、重庆市、四川省和贵州省的燃煤锅炉执行表1限值
注：重点地区锅炉执行表3限值
二、监测氧气浓度是控制锅炉污染气体排放的重要手段
由烟气污染成分的形成原理可以看出，氧气是其关键组分。在实际生产过程中，锅炉使用燃料燃烧时，一般都会加入过量空气，一方面，可使燃料充分燃烧，但也出现了另一个问题，排气筒排放的污染物浓度产生了“稀释”，大大降低了排放浓度，会造成污染物排放浓度“虚假”达标。过量的空气造成炉温下降，不但影响燃烧，还会带走大量的热量和灰尘，增大污染排放浓度的计算结果，同时风量大也增加了排烟耗电量。控制烟气氧含量，对控制燃烧过程，实现安全、高效和低污染排放是非常重要的。
烟气中二氧化硫、氮氧化物的排放浓度，应根据规定的过量空气系数进行折算，其折算值的大小取决于烟气氧含量的实测值，所以在运行中控制烟气中的氧含量，对控制污染物最终的排放浓度至关重要。通常采用烟气分析仪来监测烟气中的氧含量，其检测气体的核心技术是气体传感器，目前应用较为广泛的是电化学传感器。
电化学传感器由于结构简单，体积小巧等优点，大多数烟气分析仪采用该原理的传感器用于测量氧含量，从而计算出过量空气系数等热工参数。如Gasboard-3000P便携型综合烟气分析仪，采用长寿命的电化学传感技术直接监测烟气中的氧含量，但由于其结合了国际领先分非分光红外气体分析技术，还可直接测量SO2、NO、CO、CO2的组分浓度及烟气温度。Gasboard-3000P在测量多种气体的同时，还可直接计算过量空气系数。
三、超低排放标准下污染气体的监测
目前部分行业针对重点地区污染气体的排放提出了较于上面提到的排放标准更加严格的限制，比如《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)提出的大气污染物排放浓度限制，详情见表4：
表4、大气污染物特别排放限值，重点地区火力发电锅炉及燃气轮机组适用
面对如此严格的排放标准和在线连续监测的需求，原来适用于高浓度烟气监测、便携型的烟气分析仪已经很难准确及时的测量超低排放条件下污染气体的浓度。目前业内新研发出一种基于紫外差分吸收光谱气体分析技术的超低量程的烟气分析仪，如锐意自控研发生产的Gasboard-3000UV，测量范围小于100mg/m3,满足国家环保超低排放标准；其测量精度高，分辨率达到0.1 mg/m3，适用于超低浓度烟气认证。可同时在线测量烟气中SO2、NO、O2含量，其中烟气中气态水对SO2、NO测量基本无影响，烟气中采样流量对SO2、NO、O2测量基本无影响，多组分测量气体间无交叉干扰，抗干扰能力强。可连续不间断的在线对排放物进行监督、监测，随时读取现场数据并远程传送数据。
超低量程紫外烟气分析仪Gasboard-3000UV内部结构图
在实际生产过程中，烟气分析仪可能会出现无法正常可持续投入使用的情况。主要原因是受生产环境复杂性及烟气的不稳定性的影响，工艺现场环境无法满足在线烟气分析仪的运行条件，样品预处理不能使测量样气达到分析仪的要求。为应对这种情况的发生，衍生出如Gasboard-9050(CEMS)这样的固定污染源烟气排放连续监测系统，该系统的气体分析单元采用Gasboard-3000UV，用于检测超低排放烟气；除此之外，还同时拥有预处理单元和控制单元；控制单元可自动完成采样、反吹、排水等操作；预处理单元采用最新反吹扫技术解决探头堵塞问题，保证分析系统的可靠性，置单极制冷器去除样气中的水分，实现两级过滤，确保分析仪长期在线运行。
固定污染源烟气排放连续监测系统易于维护，运行成本更低，可实现远程监测，无需人工值守，极大的降低了企业成本。
四、结语
如今，工业过程中锅炉污染气体的排放已成为大气污染、环境污染的主要污染源，科学环保一直以来都是国家和企业可持续发展的重要课题，政府在环保上的管制力度日益加大，工业企业为达到污染气体排放标准也纷纷用上了气体分析仪，标志着我国污染气体治理体系迈向新的台阶。
