超低排放监测助力煤炭清洁利用
——国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项
“燃煤电厂超低排放监测仪器项目”获准立项
 
煤炭是我国最主要的一次能源,占我国一次能源消费总量的70%以上。煤炭在为国家的发展提供能源动力的同时,也带来了SO2NOx和粉尘的排放问题。为适应我国生态文明建设的要求,国家针对燃煤场所,如燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂等实施更为严格的排放控制。这虽然降低了SO2NOx的污染,但在脱硝中产生的SO3量几乎与SO2量相当。因此,对低浓度的SO2SO3NOx目标气体和无机粉尘的监测成为当前监测的主要目标。
 
当前,国内外相关监测仪器的检出限、量程、响应时间和稳定性等性能指标还无法满足对低浓度SO2SO3NOx等目标气体和无机粉尘进行监测的要求。对SO2NOx的监测,国外采用的技术主要有非分光红外吸收法(NDIR)、紫外吸收法和差分吸收光谱法(DOAS)等。我国主要应用NDIR技术,其检出限在10×10-6左右;也有部分采用紫外吸收法技术,但其检出限为几个10-6,都无法满足超低排放10-6检出限要求。对SO3的监测,国外采用二极管激光吸收光谱法,我国尚无针对SO3监测方法的研究。对低浓度粉尘监测,国外主要采用光散射法、射线法、微量振荡天平法,我国采用光散射法,但检出限、量程、响应时间、稳定性都无法满足超低排放的监测要求此外,煤燃烧过程中的烟气成分复杂,除SO2SO3NOx目标气体和无机粉尘外,还有大量的水汽、CO2以及微量二噁英等,这些因素都会影响目标气体、粉尘的分析结果。而我国对这些因素的影响研究比较少,导致排放监测设备可靠性、稳定性不高。因此,我国的烟气排放监测仪器市场绝大部分被国外产品占领,每年需要支出数十亿购买监测设备。
 
研发具有自主知识产权的超低排放监测设备已成为我国环境保护的迫切需要。燃煤电厂超低排放监测仪器项目基于这种需要,主要研究内容是:为精准监测超低浓度大气污染物提出相应的方法研发出超低排放的监测仪器,从而精确定性、定量分析大气污染源,为提出具有针对性的大气治理方案提供数据支撑。
 
该项目整体上遵循应用基础研究关键技术开发仪器设备研制现场应用反馈的仪器开发技术思路,开展燃煤电厂超低排放监测仪器装备的研制,并最终实现产业化。首先,项目将开展基础性研究:排放颗粒物散射特性及β放射源的探测器计数结果分布之间的相关规律;温度、湿度、气压对SO2NOx光谱性质的影响规律;H2OSO3H2SO4的三相相图的确定,以及SO2和水汽与SO3的重叠光谱的分解等。其次,以此为基础,建立一系列的关键技术,包括:用于SO2NOx精准监测的紫外光谱分解后的积分光谱技术;针对SO3监测的二极管激光吸收光谱技术;基于光散射与β射线技术融合的颗粒物监测技术。再次,利用上述技术研制相应的仪器设备,包括:低浓度粉尘监测仪、高灵敏粉尘检测仪、低浓度SO2NOx气体分析仪、便携式超高灵敏SO2NOx气体分析仪及SO3和硫酸雾分析仪等。最后,将研制的仪器进行现场试验,采取保湿增温等烟气预处理方法,降低水汽流失对检测和监测结果的影响;采用水汽化形成可控瑞利散射背景,以实现颗粒物浓度的精准测量;对测量数据进行集约化处理,以降低整套设备成本;通过现场试验的反馈信息,进一步完善和改良仪器设备。
 
根据试验反馈情况制定仪器的操作规范和现场实施技术方案、起草相关技术国家/行业标准(草案)、制定生产工艺规划、标准和管理体系文件,建设生产线、制定生产工艺、提出技术规范,并在23个电厂建立应用示范基地。
 
该项目牵头承担单位是中煤科工集团重庆研究院有限公司,参与单位有哈尔滨工业大学、重庆大学、西安交通大学、哈尔滨工程大学、重庆摩天环保工程公司、国电大连热电公司。中煤科工集团重庆研究院有限公司是国资委下属的中央企业,其依靠“煤矿安全技术国家工程研究中心”、“安全生产技术支撑体系国家级中心实验室”和“瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室”等基础实验室及技术平台作支撑,建有1976年由国家计委投资600余万元立项建设瓦斯煤尘试验基地;项目组主要成员均为博士生导师或博士,多年来一直从事与本项目相关的研究,且覆盖面完整,具有丰富的研究经验;项目组成员先后主持并完成了国家重点科技攻关项目、“973”、“863”、国家重大科学仪器设备开发专项、重大技术装备创新等项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目等20余项,具有自己的研究特色,其技术水平已达到国际先进水平,甚至国际领先水平。主要代表性研究有:研发生产的粉尘浓度传感器GCG500、粉尘浓度传感器GCD1000和基于β射线的直读式测尘仪已应用于工业现场;项目团队研发的激光雾粒测定仪荣获国家科技进步二等奖;研制的二氧化硫分析仪样机的探测限达10×10-9量级;研发的YQJK井口气远程测定仪可同时准确分析7种轻烷烃、CO和CO2,已在中石油推广应用,并获陕西省科技成果一等奖;基于吸收光谱技术的SO2、NOx等气体分析仪样机,在实验室环境下,分辨率可达10-9量级等,这些前期的基础研究为该项目的顺利完成提供了坚实保障。