烟气二氧化硫排量在线监测系统王丽娜。等 烟气二氧化硫排量在线监测系统 Online Monitoring System of SO2 Flue Gas Emissions 互弱娜 于主君 (吉林交通职业技术学院国际合作中心 ,吉林长春130012;伊通职业教育中心 ,吉林伊通130700) 摘要:为实现我国在短时期内控制烟气二氧化硫排放总量的目标,基于电化学原理,研制出一套适合我国国情的烟气二氧化硫在 线监测系统。详细论述了该系统的监测原理和设计方案,并重点介绍了利用速度场常数测量烟气平均流速的方法,从而解决了烟道 烟气平均流速自动监测的技术难题。经试验运行及检测表明,该系统监测结果稳定、可靠,达到了国家监测标准,适用于我国烟气二 氧化硫的在线监测。 关键词:二氧化硫在线监测 质量浓度 平均流速 动压 静压速度场常数 中图分类号:X851 文献标志码:A Abstract:To realize the target of controlling emissions of sulfur dioxide flue gas in a short period of time in China-on the basis of the principle of electrochemical,the online continuous emissions monitoring system(CEMS)for SO2 flue gas that is suitable for Chinese conditions is devel— oped.The principle and scheme of monitoring system are introduced in detail,and the method of measuring average flow velocity of flue gas with velocity field constant is analyzed emphatically,SO the technical problem of monitoring the average flow velocity of lfue automatically is solved.The experiment proves the monitoring result of the system is stable and reliable。and achieves the national monitoring standard,and it can be applied to online monitoring of SO2 flue gas in our country. Keywords:SO2 Online monitoring Mass concentration Average flow velocity Dynamic pressure Static pressure Velocity field constant 0 引言 SO:质量浓度在线监测系统和sO 流速及流量在线监 测系统这两个子系统。这两个子系统同步实施监测, 环境污染已成为人类的公害,它严重地危害着人类 实现了sO 排量的计算;SO:经通信装置传输到微机, 的生存和发展。我国是燃煤大国,燃煤排放的烟气中含 进行累积和存储,从而实现s0:排放总量的计算和监 一 有大量SO,,对大气环境的污染极为严重。据统计,2008 控。监测系统框图如图1所示。 年,我国的SO,排放量居世界第一位,而我国大气中的 s0,主要来源于燃煤烟气 。为保护环境,近年来我国 质量浓度 相继出台多项法律和法规,对污染源实施监控 “ 。但 在线监测仪 由于国外引进设备存在价格昂贵和不适合我国烟气含 … 尘量高、湿度大等特点这两大问题,因此,目前已安装的 信号p 微机 进口设备能正常运行的仅占1/3 。基于这一现状,本 速度及流量 文在充分调研的基础上,采用定电位电解法,研发了一 温度传感器 在线监测仪 套适合我国国情的SO,在线监测系统。 攫度传感器 1 系统方案 图1监测系统框图 Fig.1 Block diagram of the monitoring system 根据国家环保局规定,对SO 的排放实行总量控 制和浓度控制,即需同时对标准状态下的s0:干烟气 2质量浓度监测子系统 的质量浓度和流量进行监测 。据此,本系统建立了 2.1气体传感器及工作原理 科技部中小企业技术创新基金资助项目(编号:00C26212210136)。 本系统采用中科院应用化学研究巨嗣 『的电化学气体 修改稿收到日期:2010—11—27。 传感器测量烟气SO2质量浓度。该传感器应用电化学控制 第一作者王丽娜,女,1973年生,2009年毕业于吉林大学计算机系 获硕士学位,副教授;主要从事计算机应用方面的研究。 电位电解的基本原理研制而成,其结构如图2所示 。 50 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.32 No.9 September 2011 烟气二氧化硫排量在线监测系统 王丽娜。等 2.2.1采样枪 采样枪是从烟道中合适位置拾取待测气样的重要 部件,主要由烟气引人管、变向罩、滤网(滤去5~l5 m 粒径的颗粒物)、电加热带(确保高温烟气通过过滤器时 滤片上不凝水)、法兰固定套筒和引出接嘴等零部件组 图2传感器结构图 Fig.2 Structure of the sensor 成。烟气经采样枪前端过滤和除尘后,传输到致冷器。 2.2.2致冷器 在热烟气进入采样泵前,为防止水蒸气和酸雾在 电化学气体传感器的工作原理是:在电解液中放 置三个电极,即工作电极WE、对应电极CE和参考电 极RE;在WE、CE两个电极之间加上一定的电压,则 当被测气体进入传感器后,在WE、CE两极间进行氧 化还原反应。工作电极的反应式为: S02—2e+2H20=so24一+4H 同时,在对应电极上发生的还原反应为: 02+4e+4H =2H20 总反应为: 2S02+02+2H20=2H2SO4 当电极的电势与催化活性足够高时,SO 透过隔膜 进入电极且迅速反应。 根据菲克斯定律,所产生的极限扩散电流i为: = —— —一 ・c (1)L 式中:z为电子转移数;F为法拉第常数;S为气体扩散 面积;D为气体扩散系数;6为气体扩散层厚度;C为被 测气体浓度。 由式(1)可知,i与c呈线性关系,测量流经工作 电极和对应电极间的电流,即可定量测量被测气体浓 度。为防止气体电解时给定电压发生变化,在传感器 的内部增设了参考电极RE,使WE电极和RE电极间 保持一个恒电位(电路参考电压取50 mV)。 2.2 系统组成及监测工艺流程 SO,质量浓度连续监测系统的组成及工艺流程如 图3所示。 放口 图3 系统组成及工艺流程图 Fig.3 System composition and technological process 《自动化仪表》第32卷第9期2011年9月 泵上冷凝及腐蚀,需按规定测定标准状态下干烟气参 数,因此,需要对烟气进行制冷,使湿气冷凝析出,集中 去除水分。 2.2.3采样泵和流量计 采样泵是将样气从烟道中抽出,再传输到分析仪的 动力部件。本系统采用耐腐蚀隔膜泵,泵流量为5.5~ 6.5 L/min,泵压为±(10~15)kPa,同时采用不锈钢气 动式浮子流量计计量烟气流量(规格为0.16~ 1.6 L/min,流量控制在0.7 L/nfin,在此流量下,传感器 的性能最佳)。 2.2.4检测室 烟气依次经采样枪、致冷器、采样泵、流量计等进 入检测室。检测室内设有s0 传感器和氧气传感器与 气路串接,由泵导入的烟气中的sO,和0,分别与相对 应的传感器发生电化学反应,则输出与被测物质浓度 呈线性关系的电压(电流)信号。该电信号经放大、转 换送人烟气二氧化硫质量浓度在线监测仪进行计算、 存储。在检测sO 和0 浓度的同时,还需用电阻传感 器和绝对压力变送器同时测量被测烟气的温度和环境 的大气压力,将所获输电信号(温度、压力参数)同时 输入烟气s0:质量浓度在线监测仪,参与计算。 2.3质量浓度的分析与计算 ①sO:体积浓度(C )的计算 C 的计算公式为: C =U。/K (2) 式中: 为系统中固定检测点a测出的电压值,mV;K 为(s0:传感器标定后)记忆在系统中的数值。 ②sO 质量浓度(c )的分析与计算 标准状态下sO:的质量浓度不仅与SO 体积浓度 密切相关,还与烟气的温度、湿度及大气压力等因素有 关,因此还需要进一步转化。标准状态下SO,质量浓 度c 为: ,,7 p cm ・86 X Cv × (3) 式中:t为被检测的烟气温度,℃;P为大气压力值,kPa。 根据式(3),即可将S0 样气的体积浓度转换为标 51 烟气二氧化硫排量在线监测系统王丽娜,等 准状态下SO,的质量浓度。 速。该方法能获得准确的测定结果,但烟道内布线多 而繁琐,给测定工作带来不便。为此,研制一种即方便 又准确的自动检测方法和装置具有重要的实用价值。 3.2速度场常数的研究和应用 ③干烟气sO:折算质量浓度的分析与计算 根据国家检测标准,最终的质量浓度参数应为干 烟气S0:的折算浓度(折算为某一固定过剩空气系数 时的浓度)。GB 13223规定:火力发电厂中,锅炉烟气 sO,的排放浓度应折算为过剩空气系数为1.4时的质 量浓度。因此,还要将式(3)计算出的标准状态下s0, 质量浓度折算为过剩空气系数为1.4时的质量浓度 (本系统应用于火力发电厂锅炉)。 根据动压测定流速原理可知,气体的流速与其动 压的平方根成正比,即: Fo=K。× 2e ̄aP/p (6) 式中:F0为气体流速,m/s;△P为气体动压,Pa;p为烟 气密度,k#m ; 为皮托管系数(一般s型皮托管系 SO:的折算浓度还与干烟气中的0 含量有关,为 数为0.84)。 此要先求出干烟气中的0:含量[0:],其计算式为: 在本系统测量条件下,式(6)可简化为: Eo ]= (%)= % (4) Fo=0.076×K。× ̄/(273+t)△P (7) 式中: 为于系统中固定监测点b测出的电压值,mV; 根据式(7),若测出某点的烟气动压与烟气温度, K :[0:]标/20.9%为(传感器最近一次标定后)记忆 便可计算出该点的烟气流速。 在系统中的数值;[0:]标为使用空气清扫后测出的空 设采用多点手工方法测定的监测截面的烟气平均 气O:含量(此值存储到系统中参与有关计算且保存到 流速为F ,采用在线自动连续监测系统测定的监测截 下一次标定时为止)。 面某一点的烟气流速为 ,则: 在标准状态下,干烟气(O/=1.4时)SO 的质量浓 F1度c:=1.4为: F 一 Kgp:一 ,×磐× / 了 (8、。 )c = ・Cm/1.4 (5) 式中:△尸 为监测截面平均动压;△P 为监测截面某一 式中: = 专 ,为过剩空气系数。 点动压。 由于以上两种测定方法的测定位置接近,可认为 通过上述分析、计算,即可求解出标准状态下过剩 二者所处位置的烟气温度相同,即t,=t:,则: 空气系数为1.4时的烟气SO,的质量浓度。这是烟气 F1sO,质量浓度监测子系统需要解决的主要技术问题。 :K, VaP(9) 。 3流速及流量监测子系统 式中:K Kp/Kp 为皮托管系数之比。 若两种方法的皮托管系数近似相等,则K 1,且 3.1烟气平均流速的测定方法 测定烟气流速有多种方法,如超声波法、热导法、 = AP2,这样,两种测定方法的流速之比即可转换 靶式流量计法和皮托管法等,其中,皮托管法应用较为 广泛 引。 为相应的动压的平方根之比。 皮托管法的测定原理是:把s型皮托管置于烟道 经分析,在△尸,的测定点不变的条件下,在任一时 截面内的某一位置,将流动烟气在该位置产生的“全 刻 ̄/△P / ̄/△P 应为一近似定值。这样即可用监测 压”和“静压”通过皮托管全压、静压管口接收并输送 系统测定的某一时刻固定点烟气流速,从而确定整个 至差压传感器,差压传感器将二者之差值(即“动压”) 监测截面的烟气平均流速。 转变为电信号,经放大、整形、计算后,得到该位置的烟 在这里,将K = ̄/△P / ̄/△P:= F定义为速度 气流速测定值。只选定一个位置进行测定的方法,称 场常数,则速度场常数是指在相同时间区间,烟道或管 为单点测定法。 道全截面烟气平均流速与截面内某一固定点的烟气流 单点测定法简单、易实现,但存在的主要问题是: 速之比值。 若测定点选择不当,测定的烟气平均流速将不准确。 为验证上述结论的正确性,特做如下实测试验。 比较理想的测定方法是将烟道的测定截面平均分成若 在环境大气压为101.30 kPa,烟气湿度为6.4%的 干大小相等的小矩形,分别测定每个小矩形中心点的 检测条件下,于同一时间段,在全监测截面范围内,用 流速,再取其平均值,即为整个烟道截面的烟气平均流 手工方法测得一个动压平均值,再用在线监测系统于 52 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.32 No.9 September 2011 某一固定点采集一个动压值,重复检测六次,检测数据 如表1所示。 表1检测数据 Tab.1 Detection data 表1中,△P,为手工方法在测定时间段内测得整 个监测断面的动压平均值;△P,为相同时间段内系统 采集到的固定点动压平均值;t为烟气温度;F 为用K 计算得到的整个监测断面的平均流速;F 为手工方法 计算得到的整个监测断面的平均流速。 测定结果表明,在六次同时间段检测中,用同一固 定点测得的烟气流速计算得到的速度场常数基本上是 一个稳定值,波动小于1.5%。因此,可推导出:位于 烟道截面内某一合适固定点放置一皮托管探头,测出 该点的烟气流速,利用该点的烟气流速及速度场常数 即可计算出烟道截面的烟气平均流速,从而用于SO, 排放总量的计算。 3.3烟气平均流速的自动监测 采用手工多点测量法检测烟气平均流速,烟道内 布线多而繁琐,不适用于在线自动监测。为此,确立了 多点连续自动检测方案。该方案借助自行研制的速度 场常数自动监测装置来实现。 速度场常数自动监测装置结构图如图4所示。该 装置由步进电机驱动、由丝杠螺母机构带动皮托管自 动进给,实现连续移位、等距取样。 图4监测装置结构图 Fig.4 The detecting device structure 采用皮托管可在位移方向上取足够多的点进行监 测,在烟道全监测截面内获取足够多的动压值△P ,然 后由系统自动计算其平均值。根据式(7)可方便地确 定某一时刻的平均流速,再取一合适固定测点的动压 值△尸n,即可计算出速度场常数 ,进而推算出烟道 全截面的烟气平均流速。 《自动化仪表》第32卷第9期2011年9月 烟气二氧化硫排量在线监测系统王丽娜,等 3.4烟气流量的计算 ①速度场常数 的计算 的表达式为: K = —=互 ̄/△P n ̄/APo (1o) ②烟气平均流速的计算 由式(7)和式(1o),可得烟气平均流速为: Fo=0.076×Kp×Kv× 273+t× ̄/△P0(11) 式中: 为皮托管修正系数(出厂标定值)。 ③烟气流量(排放量)的计算 根据烟气平均流速和烟道截面有效截面积,可计 算出烟气流量(排放量)为: Q=3 600×Fo XA (12) 式中:F 为烟气平均流速,m/s;A为烟道截面有效截面 积,m 。 ④干烟气流量的计算 根据有关标准规定,SO 在线监测系统须采用标准 状态下的干烟气流量参数参与sO:排放总量的计算, 干烟气流量的表达式为: Q 3 60o× ×A× × ×(一Xs(一1 w ) (13) 式中:t为烟气温度,oC;P鲍为烟气绝对压力,kPa;X 为烟气中水分含量体积百分数,%;A为烟道截面有效 截面积,m 。 4烟气SO:排放总量的计算 根据前面求得的标准状态下(过剩空气系数为 1.4时)的烟气sO:的质量浓度和干烟气流量,即可计 算出烟气sO 排放总量。 干烟气排放总量Q 为: Q =Q…t (14) 式中:tz为总排放时间,h。 烟气SO,排放总量为: Mso=,Q ・t ・c: (15) 5 结束语 将所研发的烟气sO 在线监测系统安装于中国一 汽集团热电厂锅炉烟道,进行了长时间的调试和运行。 经省级环境监测中心站检测表明,该系统各项技术指 标均达到设计要求和国家标准。 (下转第56页) 中央空调水系统变频节能改造分析与实践徐凤平,等 表2空调水系统主要设备 hE :E后冷冻水一E前冷冻水=5 129 kWh (3) Tab.2 Major equipment of the water system 冷却水部分节电率为: 卵=(5 957/18 630)X 100%=32% (4) 冷冻水部分节电率为: 叼 =(5 129/15 525)X100%=33% (5) 综上所述,该工程水系统部分变频节能改造的节 改造前,系统工频运行,即冷冻水和冷却水系统均 电率约为33%。 按工频运行。运行过程中出现电机电流远超过电机的 额定电流,电机外壳发热严重,甚至出现启动电流过大 4 结束语 直接导致系统不能启动的情况。按照文中的控制原理 依据空调水系统变频技术和控制原理,对现场空调 和方法对现场系统进行改造,分析对比了系统改造前 系统进行改造,使现场运行系统的稳定性得到提高,系 后的能耗状况。改造前,水系统每天的能耗基本相等; 统设备的使用寿命延长。结合具体改造工程的的耗电 改造后,每天水系统的能耗会根据当天天气情况导致 量及节电率的分析计算,可以得出中央空调水系统变频 空调房间制冷量的变化。系统改造前后水系统单月的 改造的节能优越性。因此,应用中央空调系统水系统变 耗电量如表3所示。 频节能改造技术,系统运行稳定可靠,室内温湿度满足 表3耗电量 要求。在现代制冷技术的不断完善和成熟下,变频改造 Tab.3 Power consumption 水系统将成为中央空调节能的重要方法之一。 参考文献 [1]高养田.空调变流量水系统设计技术发展[J].暖通空调,1996, 26(3):20—26. [2]王凡,徐玉党.中央空调水系统变流量分析及其改进[J].建筑 热能通风空调,2006,25(1):49—52. [3]张谋雄.冷水机组变流量的性能[J].暖通空调,20O0,30(6):56—58. 其中,E前冷却水为改造前冷却水系统所消耗的总能 [4]李玉云,高春雪,翁维安.中央空调水系统的节能改造技术与实 量;E前冷冻水为改造前冷冻水系统所消耗的总能量; 践[J].节能,2008,27(1O):34—36. E后冷却水为改造后冷却水系统所消耗的总能量;E后冷冻水 [5]蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机[M].4版.北京:中国建筑 工业出版社,1999. 为改造后冷冻水系统所消耗的总能量。 [6]马最良建筑物暖通系统水力平衡及其应用——空调水系统的 该工程冷却水部分节省电能计算式为: 节能要点[J].中国建设信息:供热制冷,2008,10:12—15. AE=E后冷却水一E前冷却水:5 957 kWh (2) [7]李财均.大温差空调水系统方案分析[J].广东建材,2008(7): 冷冻水部分节能电能为: 225—.227 (上接第53页) 2003火电厂大气污染物排放标准[s].北京:中国标准出版社, 实践证明,所研制的烟气sO 在线监测系统监测 oo3・ 原理正确、方法先进、结果稳定可靠。所研制的速度 [ ]国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局・GB 13271- 场常数自动监测装置具有创新性、实用性等特点,解 2001锅炉大气污染物排放标准[ ]・北京:中国标准出版社, 决了烟气平均流速和SO2排放总量自动监测的技术 [5]蔡惟谨,郭振铎.烟气自动检测技术及其产品开发研制现[J]. 难题。该系统适用于我国各种烟道烟气二氧化硫的 铁道劳动安全卫生与环保,2002,1(1):36-39. 在线监测。 [6]国家环境保护总局.HJ/T 76-2007固定污染源排放烟气连续监 参考文献 测系统技术要求及检测方法(试行)[s].北京:中国标准出版 [I]中华人民共和国环境保护部.2008中国环境状况公报[R]. 社,2007. 2009. [7]卢秀娟.半固态、全固态控制电位电解型气体传感器的研制[D]. [2]国务院国务院关于环境保护若干问题的 ̄[EB/OL].[1996-08一 长春:中国科学院长春应化研究所,1998. 03].http:ffwenku.baidu.corn/view/346a428002dZ76aX/)2q2e5f.htm1. Is]徐丽.锅炉烟气二氧化硫在线监测系统[D].长春:长春工业大 [3]国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局.GB 13223 学,2003. 56 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 32 No.9 September 2011