摘 要：針對電廠煙氣連續自動監測系統（CEMS）設備運行中出現的探頭被漿液堵塞和樣氣中含水量大的問題，設計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取樣器的堵塞問題，采用的獨特的加熱方式，可減少水蒸氣進入樣氣中，以滿足分析儀的工作要求。

徐光寶

（河北大唐國際王灘發電有限責任公司，  河北  唐山 063011）

0 引言

    目前，我國電力工業的能源結構主要以燃煤為主，以燃煤為主的電力工業的高速發展將對我國的資源和環境帶來巨大影響。我國火電廠排放的二氧化硫占全國工業污染的30%以上，排入大氣的二氧化硫和氮氧化物與水汽結合生成硫酸和硝酸，隨降水落下形成酸雨，酸雨不僅危害農作物的生長，還會腐蝕建筑、金屬物等，給國民經濟和人民健康帶來巨大損害。

    面對嚴峻的環境污染形勢，國家對環境保護的力度不斷加大，強化了對脫硫設施運行的監管：燃煤電廠建設脫硫設施時，必須安裝煙氣自動在線監測系統，并與省級環保部門和省級及以上電網企業聯網，向省級環保部門和省級電網企業實時傳送監測數據。因此對電廠煙氣連續自動監測系統（CEMS）設備運行的可靠性要求也越來越高。

1 王灘發電公司脫硫系統CEMS

1.1  整體結構

    王灘發電公司2臺600MW機組采用濕式石灰石脫硫，與機組同步投產，煙氣連續自動監測系統（CEMS）采用美國熱電公司的200L型稀釋系統，其分析系統結構如圖1所示。

圖1  200L型煙氣連續自動監測系統

1.2  稀釋采樣探頭結構和原理

稀釋采樣探頭的內部結構如圖2所示。

圖2  稀釋采樣探頭內部結構

      稀釋探頭的主要功能是從煙道內采集并稀釋煙氣，再把稀釋后樣氣傳送到分析儀。

      大約5L/min的干燥空氣通過稀釋空氣管流經真空泵噴嘴進入文丘里管，當高壓空氣流經噴嘴時會在連接到臨界小孔低壓端的氣室中產生真空，在真空作用下，煙道內煙氣通過第1級粗過濾器和第2級石英棉精細過濾器后，經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無需加熱的樣氣管傳送到分析儀。

      在稀釋采樣探頭內部最重要的部件是臨界小孔，臨界小孔的直徑遠遠大于孔的長度。當小孔兩端的壓力差大于0.46倍以上時，氣體流經小孔的速度只取決于氣體分子流經小孔時的振動速度（即音速），而與小孔兩端的壓力變化基本無關，即產生恒流。該小孔產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的5L/min的干燥且干凈的空氣混合后產生穩定的稀釋比。一般脫硫系統選100:1的稀釋比，對于臨界小孔，100:1的稀釋比對應的是50ml/min的小孔。

2 脫硫系統濕煙氣取樣裝置優化設計

2.1 CEMS存在的主要問題

       （1）凈煙氣采樣探頭所處環境非常惡劣，煙氣中濕度大，在流動的煙氣中夾帶漿液，頻繁污染和堵塞采樣探頭，有時一兩天就發生一次。探頭污染后,需要用超聲波清洗，污染嚴重時整個稀釋探頭就報廢了。清洗后的探頭安裝后，系統需重新標定，在CEMS維護和校驗期間影響脫硫效率的計算。

       （2）CEMS稀釋取樣管處于煙道中，受煙氣腐蝕，元件損壞率高，維護費用高。這其中最突出的問題是CEMS探頭被漿液堵塞和樣氣中含水量大的問題。

      由于臨界小孔的孔徑僅為零點幾毫米，通過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，運行后很短時間就會出現2方面問題，一方面煙氣含塵量大，濾網過濾失效，導致臨界小孔堵塞；另一方面臨界小孔前室中充滿水。這2種情況都將導致采樣無法進行，必須進行臨界小孔超聲清洗、干燥、系統標定等諸多維護項目。

      電廠濕式石灰石脫硫系統中，如果沒有安裝凈煙氣加熱裝置（GGH），則凈煙氣中濕度非常大，經常達到相對濕度為99%，且煙氣中夾帶石膏漿液，因此經常發生取樣管堵塞。針對這種情況，有的生產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題一直困擾著許多電廠，成為脫硫系統參數測量的技術難題。

2.2 CEMS參數測量問題解決方案

      為了解決CEMS設備要求與電廠實際情況之間的矛盾，經仔細調查研究，設計了在濕度大、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帶傾角的防堵擋板，目的是減少樣氣中夾帶的漿液通過，彎頭斜對著煙氣流向，使得煙氣灌進防堵裝置內，經過2級擋板阻隔，將漿液留下，煙氣通過后，進入加熱裝置。內部的取樣管是斷開的，目的是防止混入的漿液直接進入樣氣中。

（2）除濕加熱裝置：除濕加熱裝置是經過特別設計的雙套筒結構，濕煙氣到達加熱器后，經耐腐材料加熱器加熱，溫度控制在200℃左右，氣體經加熱自由膨脹后，由內套管擴散到整個內外套管的空間內，外套管與管外溫度較低（約50℃）的流動煙氣接觸，將煙氣中的水蒸氣凝結成水，聚集在外套管底部，由底部排水孔排出。內套管的作用是讓膨脹的加熱氣體擴散，同時防止外套管凝結的水進入內套管。

     煙氣取樣管的入口在螺旋加熱管內部，其中的氣體相對濕度最小，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）如果要提高檢測靈敏度，可在外套管背流面中間偏下30°左右開2個的小孔（直徑約為6厘米）

（2）該裝置要保證采樣口垂直向下，或將取樣裝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，可設計成內外套筒組裝結構，方便更換加熱器以及清洗內外套筒的內壁。材料可選用優質耐酸鋼材加工。

3 結語

通過煙氣取樣裝置優化設計，可解決濕煙氣中夾帶石膏漿液對取樣器的堵塞問題，獨特的加熱方式，降低了樣氣中的煙氣相對濕度，以滿足分析儀的工作要求。該問題的解決，有助于電廠煙氣連續自動監測系統穩定可靠運行，對電廠煙氣污染物排放進行連續有效的監測，為運行人員提供準確的監控信息，使脫硫系統設備在經濟、有效的工況下運行。同時延長了設備維護周期，大大減輕設備維護人員的工作量，減少備品備件和標氣的消耗量，經濟效益顯著。