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环保监测中数字化分析技术的应用

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摘要:火力发电厂发电过程中,烟气流量在线监测的准确性一直是困扰环保部门的一大问题。采用基于计算流体力学的数字化分析技术和工况标定的方法,对某电厂烟气在线监测装置实施了技术升级,提高了环保部门对烟气监测的准确度。结果表明,采用数字化分析技术,能够显著减小烟气的在线监测误差,真实反映工业企业的烟气排放情况,有助于更好地处理和控制烟气内有害物质,使排除烟气达到国家规定的环保排放要求。

关键词:烟气;数字化分析;在线监测;环保

引言

近年来,随着我国经济的迅猛发展及工业化和城市化进程的不断推进,生态环境遭到破坏的问题也接踵而至,严重影响到人们的生活[13]。烟气排放是造成我国大气污染的重要因素,而大部分的烟气排放是煤炭燃烧造成的,尤其是火力发电过程中排放的大量烟气占据了很大比重。火力发电是我国不可或缺的电力供应方式,因此,对其发电过程中产生烟气的在线监测尤为重要。电力工作者一直在寻找各种方法减少烟气的污染,除了对烟气中NOx、SO2和烟尘含量的在线监测外,还需要对烟气的流量进行准确监测。经除尘后的烟气流量在线监测的准确性直接影响到排入大气的实际烟气量以及对前期的脱硫、脱硝和除尘等工艺的控制。本文对某电厂除尘器出口的烟气管道进行了数字化分析[45],得到了合理的在线监测装置的安装位置,并进行了工况标定,解决了在线监测结果偏差过大的问题。

1在线监测工况

根据某电厂管道图纸(图1),建立三维模型如图2所示。烟气经静电除尘器后,分别从两出口进入两分支管道(图2),直管段长091D,存在安装监测装置的可能;两分支管向下游发展汇合后,进入竖直向下总管,总管中装有调节流量的百叶阀。原有监测装置安装在百叶阀上方,该位置管道水力直径只有053D,直管段严重不足,必将引起原流量监测不准确。除尘器出口管道内烟气的工作温度为330℃,工作压力3kPa,工况密度0562083kg/m3,动力黏度为3×10-5Pa•s。除尘后烟气分支管道为4m×5m×0005m,总管直径8m×5m,流向如图2所示。现场最小流量为300t/h,常用流量600t/h,最大流量800t/h,刻度流量1200t/h。静电除尘后烟气在线监测存在的问题:①管道直管段不足;②管道为方形管道并带有多处变径结构,属异形管道;③所测介质含粉尘,易导致在线监测传感器磨损堵塞。

2在线监测管道气流分布

采用现场提供的运行参数对除尘器出口烟气管道流场进行数字化分析,如图3所示。图3(a)、图3(b)分别为在线监测管道内烟气流动的速度和压力分布云图,烟气在除尘器中流速较慢,在出口处经缩径管后分别进入对应1号、2号支管,由于缩径的减缩结构,1号、2号支管中流场分布总体稳定。2条分支管道向后发展并汇入总管,总管气流在交汇段碰撞混合,流场紊乱,同时由于总管区域装有调节流量用百叶阀,百叶阀在调节流量的同时不断改变流场,原有流量计安装在百叶阀前侧,必然引起监测不准。1号、2号支管在整条管道模型中直管段最长,并且直管段上下游结构比较简单,适合安装在线监测装置。总体分析后,选取管道中具有代表性的切面,分析烟气在管道内的速度和压力分布。由图3(c)管道水平切面速度分布可知,1号、2号支管上游为除尘器出口变径结构,受渐缩管区域缓冲,对1号、2号支管的直管段区域影响较小,1号、2号支管直管段区域的速度场和压力场(图3(d))较稳定,预计可以得到较好的监测精度。1号、2号支管直管段下游流体开始碰撞混合,气流的速度场和压力场波动剧烈,不能安装在线监测装置。

3监测装置安装位置的选取

根据现场提供的工况,烟气经静电除尘后,粉尘含量降低,但并不纯净,为保证在线监测装置不堵塞,传感器必须具备防堵特性;粉尘的冲刷易引起传感器磨损变形,降低使用寿命,因此必须具备耐磨特性。综上工况条件和要求,选用防堵型插入式流量计作为在线监测装置,传感器结构如图4(a)所示。2支管结构对称,只需确定1号支管安装位置。在1号支管水平直管段,每隔05m取一横截面,共取7个(为方便观察,仅显示5个截面如图4(b)所示)。由图4(c)所示的各横截面平均流速分布曲线可知,在Z=-55m坐标前(靠近除尘器出口侧)截面平均流速存在波动,Z=-40m坐标后截面平均流速逐渐提高;在Z=-55~-40m,流速波动平缓,其中Z=-5~-45m最平稳。因此,选Z=-475m截面作为在线监测装置安装截面。确定流量计安装截面后,分析1号支管纵切面气流速度分布均匀的截面,X方向各剖面(1号支管纵切面)速度矢量如图5所示,在已选Z=-475m截面区域,X=-9m剖面(1号支管中心剖面)的速度分布合理,流速分布对称性好,适合安装在线监测装置,应将传感器插入到X=-9m剖面中心Y=0m处。2号支管安装位置与1号对称。

4在线监测装置工况精度

按上述安装位置将在线监测装置安装在除尘器出口烟气1号分支管道上,选取刻度流量12000t/h、最大流量8000t/h、常用流量6000t/h、最小流量3374t/h,采用数字化分析技术进行标定,获得的在线监测装置精度分析数据见表1。除尘器出口烟气管道安装监测装置后实标结果的平均仪表系数为1274417;仪表线性度044%,符合05级精度;刻度流量下差压2203954Pa,最小流量下差压值171247Pa,可以满足变送器的信号要求。

5结论

综上所述,该电厂静电除尘器出口烟气测量管道总管中百叶阀调节流量时改变管道流场,总管直管段严重不足,不能安装在线监测装置。根据数字化分析技术,对在线监测装置进行技术升级后发现其精度能够达到05级,该复杂工况下已属高精度,能够准确监测烟气流量,有助于更好地处理和控制烟气内有害物质,达到国家规定的环保排放要求,减轻由于烟气流量在线监测不准造成的排入大气烟气量增加对环境产生的危害。

参考文献(References):

[1]马双忱,孙云雪,马京香,等.电厂烟气中二氧化碳的捕集技术[J].电力科技与环保,2009,25(6):5862.

[2]赵明月.火电厂大气污染排放现状及烟气脱硫脱硝技术[J].科技创新与应用,2014(19):4243.

[3]齐书芳,左朋莱,王晨龙,等.我国火电厂大气污染防治现状分析[J].中国环保产业,2016(7):4650.

[4]董庆,耿胜松,刘博,等.复杂流态流体计量在高炉煤气中的应用[J].自动化与仪器仪表,2017(S1):8385,89.

[5]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

作者:杨磊 孟立辉 单位:陕西省西咸新区秦汉新城环境保护局

环保监测中数字化分析技术的应用责任编辑:张雨    阅读:人次