Мониторинг промышленных выбросов: измерение концентрации загрязняющих веществ в отходящих газах стационарных источников

Обращается внимание на то, что мониторинг промышленных выбросов стационарных источников загрязнения атмосферы, выполняемый как лабораториями, аккредитованными на контроль (испытания) выбросов загрязняющих веществ (ЗВ), так и системами непрерывного мониторинга выбросов (СНМВ), следует развивать на базе единого комплекса ТИПА, включающего в себя МВИ, ТКП, ГОСТы. Дано описание разработанных гибких пробоотборников с несущим тросом и телескопической удочкой, копюрые позволяют при измерении полей концентрации ЗВ. Гибкие пробоотборники могут применять регулярно - сотрудники различных лабораторий на отметках до +50 м дымовых труб и на магистральных газоходах; периодически - специалисты по СНМВ на отметках до +150 м дымовых труб и на магистральных газоходах. Отмечается: техническая возможность оборудовать на кирпичных и железобетонных дымовых трубах необходимое измерительное сечение и установить в нем гибкие зонды; возможность автоматизировать в гибком пробоотборнике с несущим тросом измерительные и вычислительные операции для получения характеристик полей концентрации ЗВ; необходимость найти изготовителя гибких зондов и устройств с кареткой.

Введение

В СНГ 20 лет назад для контроля режимаработы котлоагрегатов и других технологических установок. а затем и их выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферный воздух стали применять переносные газоанализаторы фирм Testo, MRU. Afriso, Dregeг (Germany), СПО «Аналитприбор» (Россия). Были созданы лаборатории, аккредитованные на контроль (испытания) выбросов ЗВ. При этом измеряют концентрации окиси углерода, окиси азота, двуокиси азота, ДВУОКИСИ серы, двуокиси углерода, кислорода (Ссо, CN0, CN02, CS02, CCQ2, С02) в отходящих газах. Скорость газов измеряют напорными НИОГАЗ или трубками Пито, крыльчатками, термоанемометрами.

Стало необходимым контролировать выбросы ЗВ (т.с. измерять поля концентрации ЗВ и скорости газов) в потоках газов в дымовых трубах и других магистральных газоходах с поперечным (измерительным) сечением большой площади. Требования к таким измерениям изложены в работах 11, 21.

На практике кроме контроля выбросов с измерением концентрации ЗВ и скорости (расхода) отходящих газов реализуются и другие методы контроля. Так в энергетике зачастую применяется инструментально-расчетный метод контроля выбросов ЗВ для источников выделения (отдельных котлоагрегатов). При этом объемный расход газов определяют расчетом по результату измерения расхода газа или мазута и коэффициента избытка воздуха или по обратному7 тепловому балансу, а концентрацию ЗВ измеряют указанными газоанализаторами.

Известно, что газоанализаторы фирмы Testo комплекту ются пробоотборными зондами с погружаемой в газоход прямой металлической или керамической тру бкой длиной до 3 м. Зонд длиной 3 м может быть образован соединением трубок длиной 1 м. Такие зонды, рассчитанные на температу ру анализируемых газов 600, 1 200, 1800 °С, предназначены для контроля режимов работы технологических установок. Зонды переносных газоанализаторов других фирм короче.

В случае зонда с одной трубкой длиной 2 или 3 м значительная часть газоотборной трубки при измерениях концентрации ЗВ в точках, находящихся на небольшом удалении, остается снаружи дымовой трубы. При отрицательных температурах окружающего воздуха конденсирующиеся из анализируемых газов в этой части тру бки пары воды перекрывают проходное сечение зонда ледяными пробками, что делает отбор пробы невозможным.

Такие зонды зачастую также не обеспечивают получения представительной пробы при реализации десятков различных инструментально- лабораторных методов измерений состава газовой смеси 131.

В белорусской методике выполнения измерений |4| аналогичной российской [1| требования к измерению полей концентрации ЗВ отсутствуют. Это привело к тому, что природопользова- тель, которому предписано оборудовать точки отбора [5], не делает их в упомянутых сечениях и в лучшем случае закрепляет в стене дымовой трубы или магистрального газохода одну пробоотборную трубку.

В настоящее время в странах СНГ в дополнение к существующему контролю выбросов стационарных источников загрязнения атмосферы переносными средствами измерения получают широкое распространение системы непрерывного мониторинга выбросов (СНМВ). Так в Беларуси проектируют и устанавливают СНМВ, в которых измерение концентрации ЗВ выполняется стационарными пробоотборными газоанализаторами фирм Siemens, MRU, ABB (Germany), Codel или беспробоотборными с расположенными в локальной зоне потока сенсорами газоанализаторами фирмы Codel (England), значительно реже - газоанализаторами «с лучом на просвет» фирмы Sick/ Maihak (Germany).

Спроектированные компанией Simatek (партнер фирмы Siemens) СНМВ, в которых пробоотборный зонд газоанализатора Ultramat 23 (Gcnnany) и ультразву ковые измерители скорости (у льтразвуковой лу ч пересекает газоход под углом к поперечному сечению) фирмы Durag (Germany ) установлены на дымовых трубах Гродненской ТЭЦ-2, Гомельской ТЭЦ-2 и Минской ТЭЦ-4. Диаметр поперечных (измерительных) сечений, в которых системами выполняются измерения концентрации ЗВ и скорости (расхода) газов в тру бах, равен 1... 10 .Vi.

При этом отверстия, проделанные в стенах дымовых труб для ввода в поток отходящих газов пробоотборника газоанализатора Ultramat 23 и других сенсоров системы, настолько малы, чтоневозможно ввести внутрь трубы зонды переносных газоанализаторов фирм Tcsto, Afriso или СПО «Аналитприбор». Это необходимо чтобы выполнить сравнительные измерения концентрации ЗВ газоанализатором, сенсоры которого реализуют другой принцип измерения (электрохимический), отличный от принципа измерений газоанализатора Ultramat 23 (поглощение инфракрасного излучения). Невозможно ввести в газы и трубку Пито.

В дымовые трубы Гомельской ТЭЦ-2 и Минской ТЭЦ-4 посту пают дымовые газы от двух котлоагрегатов. В дымовую трубу Гродненской ТЭЦ-2 поступают дымовые газы от большего числа котлоагрегатов. Соответственно, во входной части труб имеется несколько газовых потоков с разными концентрациями ЗВ. имеются присосы воздуха. Кроме того, вывод части оборудования в ремонт, снижение нагрузки или его остановка, например, в летний период, значительно уменьшают скорость отходящих газов. Поэтому в измерительном сечении дымовой трубы, даже организованном по работам 11, 2], нет достаточного перемешивания газов, поля концентрации ЗВ неравномерны. И как следствие - при измерении концентрации ЗВ в дымовых трубах пробоотборными газоанализаторами и газоанализаторами с сенсорами, расположенными в локальной зоне потока, доминирующая составляющая погрешности результата измерения вызывается неравномерностью полей концентрации ЗВ |6|.

Такие же системы проектирует для предприятий СНГ Новополоцкий филиал РУП «БЕЛТЭИ».

Проектирование упомянутых СНМВ без учета характеристик полей концентрации ЗВ (средней по сечению концентрации, коэффициента неравномерности поля (КНП)) стало возможным потому, что в белорусских ТИПА [5, 7] нет требований по измерению полей концентрации ЗВ |8|. Погрешность результата измерения (контроля) концентрации ЗВ в упомянутых системах неизвестна. В дальнейшем, по мере уточнения результатов измерения концентрации ЗВ, может оказаться, что она значительно больше ±10 %, что вынудит модернизировать или списывать такие системы. Упомянутые СНМВ являются достаточно экономичными, т.к. одна такая система, установленная на дымовой трубе, заменяет 2 или даже 4 системы, которые было бы необходимо установить на подсоединенных к трубе «боровах» или газоходах. Нами разработаны вспомогательные средства измерений (устройства с кареткой), уменьшающие трудоемкость и повышающие точность выполняемых одновременно измерений концентрации ЗВ и скорости отходящих газов в дымовых трубах и газоходах с поперечным сечением большой площади [9, 10].

С целью получения возможности в дымовых трубах и магистральных газоходах с большим поперечным сечением измерять концентрации ЗВ без измерения скорости газов нами разработаны гибкие пробоотборники.

Гибкий пробоотборник по рисунку 1 состоит из неподвижного несущего протянутого по линии диаметра дымовой трубы 2 троса (провода) 5, концы которого закреплены в блоках 3 и к которому подвешена гибкая пробоотборная трубка 4 с грузами //, которая может быть вывешена волнообразно или в виде спирали. К концу трубки 4 с входным отверстием прикреплен приводной трос с метками 7. Конец трубки 4 с выходным отверстием через переходник 8 присоединяется к зонду- 9 газоанализатора 10. При этом образуется комбинированный зонд с гибкой пробоотборной трубкой 4 в случае необходимости длиной до 15 м. Несущий провод или трос 5, приводной трос 7 и трубка 4 пропу щены через гребенку 6. На дымовой трубе 2 имеется круговая площадка обслуживания /.

Гибкие пробоотборники позволяют выполнять измерения одновременно в 4-ех равноудаленных от стенки газохода точках поперечного сечения. На пробоотборник получен патент 1111.

Рис. 1. Гибкий пробоотборник с тросом;

1- круговая площадка обслуживания; 2 - дымовая труба; 3 блок крепления тросов; 4 гибкая трубка; 5 - неподвижный несущий трос; б - гребенка; 7 - приводной трос с метками; 8 - переходник; 9 - зонд газоанализатора; 10 - газоанализатор; 11 - груз.

Гибкий пробоотборник состоит из гибкой пробоотборной трубки 5, прикрепленной к телескопической удочке 4. Конец трубки 5 с входным отверстием прикреплен к вершине удочки 4, а конец с выходным отверстием через переходник б присоединяется к зонду 7 газоанализатора#. Пробоотборник вводится в дымовую трубу 2 через закладную трубу 3. На дымовой трубе 2 имеется площадка обслуживания типа «балкон» 1 (рис. 2).

Отдельные характеристики гибких пробоотборников

Пробоотборник (рис. 1). В качестве гибкой трубки 4 применяют шланг гофрированный из нержавеющей стали для газов с температурой до 450 °С и фторопластовую трубку для газов с температурой до 260 °С. Пробоотборная трубка 4 может быть составлена из нескольких частей, которые могут быть гибкими или нс гибкими трубками, соединенными гибкими переходниками. Она может крепится в измерительном сечении без провисаний. При этом часть сс находится снаружи трубы.

Пробоотборник может оснащаться в случае необходимости фильтром, датчиками температуры, давления и влажности газов. Такое устройство является гибким зондом.

Высокая коррозионная активность отходящих газов не представляет проблемы, т.к. гибкая трубка применяется периодически кратковременно, а несущий неподвижный провод или трос 5, а также приводной трос 7, сделанные из коррозионно- стойкого металла с антикоррозийным покрытием, находящиеся постоянно в дымовой трубе 2, легко заменить на новые по мере их коррозии. Для этого к тросу (проводу) 5 и тросу 7 крепят новые куски и их затягивают внутрь трубы 2, вытаскивая из нее ранее находившиеся там провод 5 и трос 7. Стоимость этих кусков незначительна.

Рис. 2. Гибкий пробоотборник с телескопической удочкой: 1 - балкон; 2 - дымовая труба; 3 - закладная труба; 4 телескопическая удочка; 5 гибкая трубка; б - переходник; 7 - зонд газоанализатора; 8 - газоанализатор: 9 - приводной трос с метками.

Измерительное сечение по возможности выбирают в зоне обслуживания существующей круговой площадки 1 с учетом работ [1, 2] или монтируют новую площадку: Желательно его оборудовать согласно рисунку 3. При этом диаметр отверстий должен быть не менее 150 мм, что позволяет через них ввести в трубу датчики температуры, давления, влажности газов СНМВ и одновременно установить гибкие зонды или у стройства с кареткой. Нет проблемы в том, чтобы проделать отверстия в существующей кирпичной или железобетонной дымовой трубе. Так для установки пробоотборников газоанализаторов и датчиков ультразву ковых измерителей скорости СНМВ были проделаны отверстия в стенах железобетонных труб Гродненской ТЭЦ-2, Гомельской ТЭЦ-2, Минской ТЭЦ-4 на высоте 50... 130 м. Нет проблемы и в том, чтобы протянуть трос по линии диаметра трубы.

Операции измерения полей концентрации ЗВ и вычисления их характеристик могут быть автоматизированы.

Рис. 3. Оборудование измерительного сечения:

А, Б, В, Г - отверстия в стене дымовой трубы; АБ, ВГ линии измерений; Л/ расстояние между двумя горизонтальными плоскостями, в которых расположены линии измерений АБ и ВГ.

Пробоотборник (рис. 2): в качестве гибкой пробоотборной трубки 5 применяются упомянутые шланг и фторопластовая трубка. Удочка 4 изготовлена из трубок с нержавеющей стали. Ее длина-3 м. На дымовых трубах 2 диаметром до 3 м, нс имеющих круговых площадок обслуживания, но на которых имеется соответствующая площадка типа «балкон» /, ограничиваются измерениями в точках, расположенных вдоль одного диаметра. На трубах диаметром 2...6 м с круговой площадкой обслуживания могут применяться пробоотборники (рисунки 1, 2).

Гибкие пробоотборники могут найти применение:

• с переносными, возимыми и стационарными газоанализаторами, в том числе с газоанализаторами СНМВ;
• в сечениях, имеющих форму круга, квадрата или прямоугольника;
• на предприятиях энергетики, производства строительных материалов, нефтепереработки, металлургии и др.

Порядок работы и измерений с гибкими пробоотборниками

Персонал лабораторий в процессе измерений с пробоотборником (рис. 1) конец гибкой трубки 4 с выходным отверстием с помощью приводного троса с метками 7 вручную устанавливает в измерительную точку 1 (рис. 3) и выполняет газоанализатором /0 измерения концентрации ЗВ в газах, отбираемых в этой точке. Перемещают конец пробоотборной трубки 4 с входным отверстием во вторую точку и повторяют измерения.

При этом выполняют измерения и в контрольной точке [1] . В каждой точке проводят три измерения, и так для всех остальных точек. Измерения выполняют по двум взаимно перпендикулярным диаметрам сечения. Их проводят в течение 20 мин. С помощью калькулятора вычисляют средние по сечению концентрации Сс (ССО, CNO, CN02, CSCE, СС02, СО:) и КИП.

Если в измерительном сечении контроль выбросов ЗВ выполняется только переносными средствами измерений, то не нужно проводить измерения в контрольной точке и определять КНП. В этом случае достаточно определить средние по сечению концентрации ЗВ в отходящих газах. После окончания измерений гибкую трубку 4 оставляют снаружи трубы или уносят, отсоединив се от несущего 5 и приводного 7 тросов, которые остаются внутри дымовой трубы 2.

Вычисляют погрешность результатов измерения средних по сечению концентраций ЗВ.

Измерения с пробоотборником по рисунку 2 начинают с точки наиболее удаленной от закладной трубы J, переходя последовательно на более близкие измерительные точки посредством укорачивания удочки 4 с помощью приводного троса 9.

Заключение

Мониторинг промышленных выбросов стационарных источников загрязнения атмосферы как аккредитованными лабораториями, так и СНМВ следует развивать на базе единого комплекса ТИПА, включающего в себя МВИ, ТКП, ГОСТы. Эти ТИПА должны содержать требования по выполнению в дымовых трубах и магистральных газоходах с измерительным сечением большой площади измерений полей концентрации ЗВ и скорости отходящих газов, определения средних по сечению концентрации ЗВ и скорости газов, а также КНП.

Разработанные гибкие пробоотборники с несущим тросом и телескопической удочкой позволяют при контроле выбросов ЗВ стационарных источников с измерительными сечениями большой площади, а также при инвентаризации их выбросов:

• сделать возможным круглогодичное проведение измерений концентрации ЗВ в сечениях дымовых труб, газоходов независимо от их формы, размеров и высоты над землей;
• уменьшить трудоемкость измерений полей концентрации ЗВ газоанализаторами посредством перемещения конца гибкой пробоотборной трубки с входным отверстием приводным тросом с метками, устанавливая его в нужные измерительные точки;
• уменьшить погрешность результата измерения концентрации ЗВ переносными, возимыми и стационарными газоанализаторами, определив характеристики полей концентраций (средние по сечению концентрации и КНП);
• уменьшить погрешность от недостаточной представительности пробы отходящих газов в инструментально-лабораторных методах измерений, найдя координаты точки, в которой концентрация равна средней по сечению, и отбирая в ней пробу, или принять решение отбирать пробу в нескольких измерительных точках;
• при применении СНМВ улучшить их результат измерения концентрации ЗВ внесением поправок или определением доминирующей составляющей погрешности, вызываемой недостаточной представительностью пробы газов или даже избежать установки СНМВ, например, на технологических установках с постоянным режимом работы, заменив сс контролем выбросов переносными средствами измерений;
• отказаться от закупок неэффективных длинных прямых зондов иностранных фирм.

В свою очередь, для этого требуется организовать применение гибких пробоотборников следующим образом:

• сотрудники лабораторий, аккредитованных на контроль (испытания) выбросов или реализующих различные инструментальнолабораторные методы измерений состава газовой смеси, применяют их регулярно на отметках до +50 м дымовых труб и на магистральных газоходах;

специалисты по СНМВ применяют их периодически на отметках до +150 м дымовых труб и на магистральных газоходах:

1. при определении характеристик полей концентрации ЗВ на этапе исследования объекта контроля, проектирования и при метрологической аттестации СНМВ;
2. при обязательных регулярных метрологических работах по СНМВ с интервалом в шесть месяцев.

При применении упомянутых пробоотборников следует различать количество газовых потоков на входе в дымовую трубу или магистральный газоход: 1) один или два; 2) три и более.

В первом случае основную часть погрешности от недостаточной представительности пробы можно исключить, применяя средние по сечению концентрации или введением в результат КНП. Во втором случае сделать это удастся не всегда из-за большого числа сочетаний потоков с различными концентрациями ЗВ и скоростями газов. Поэтому здесь, возможно, придется ограничиваться только определением величины погрешности от недостаточной представительности пробы. В этом случае возрастает количество необходимых измерений и становится целесообразным автоматизировать измерительные и вычислительные операции [8].

При этом следует принимать во внимание, что быстродействие электрохимических ячеек переносных газоанатизаторов (/90) составляет 20...40 с. Это ограничивает количество измерений на интервале 20 мин. Поэтому в случае большого количества измерительных точек вместо газоанализаторов с электрохимическими ячейками нужно применять стационарные газоанализаторы с /90 равным 1... 5 с, например, в основе которых лежит принцип поглощения инфракрасного излучения.

---

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СТО ВТII11.001-2012. Методика выполнения измерений массовых выбросов загрязняющих веществ от котельных установок с применением газоанализаторов с электрохимическими датчиками. М.: ОАО «ВТИ». 2012. 22 с.
2. ГОСТ 17.2.4.06 90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения. Минск: Госстандарт. 17 с.
3. Короленко Л.И., Синицина О.Р. Методы измерения концентраций загрязнений в промышленных выбросах // Экология производства. 2011. № 11.
4. МВИ.МН. 1003 2007. Методика выполнения измерений концентраций и выбросов загрязняющих веществ, скорости газов, температуры, влажности, давления электронными переносными приборами. Минск.
5. Инструкция об организации производственного контроля в области охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов. Минск: ООО «Центр экономических проектов». 2014. 22 с.
6. Росляков П.В.. Закиров И.А.. Ионкин И.Л. и др. Исследование полей скоростей и концентраций продуктов сгорания в дымовой трубе ТЭС // Теплоэнергетика. 2006. № 5. С. 17...25.
7. ТКП 17.13-01 2008 (02120). Правила проектирования и эксплуатации автоматизированных систем контроля за выбросами загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосферный воздух. Минск: Минприроды. 20 с.
8. Емсльянчиков В.И. Автоматизированная система контроля выбросов вредных веществ в атмосферу для дымовых труб ТЭЦ и котельных // Энергетика и ТЭК. 2011. № 7/8. С. 46. 47.
9. Емсльянчиков В.И., Елисеенко Ю.Ю. Развитие мониторинга промышленных выбросов стационарных источников загрязнения атмосферы // Экологические системы и приборы. 2013. № 10. С. 3...8.
10. Емсльянчиков В.И.. Елисеенко Ю.Ю. Устройство для измерения поля концентрации вредных веществ и поля скорости потоков отходящих газов. Патент России М 136574 МПК. G 01N 1/00, подано 25.01.2013. опубликовано 10.01.2014.
11. Емсльянчиков В.И. Устройство для отбора проб из газового потока. Патент Беларуси № 9097 МПК G 01N 1/22. подано 16.12.2011. опубликовано

Информация об авторах

Емельянчиков Виктор Иванович, канд. техтг. паук E-mail: emelianschiko@gmail.com

Елисеенко Юрий Юрьевич, аспирант Гомельский государственный технический университет им. 11.0. Сухого 246746, г. Гомель, Республика Беларусь, Проспект Октября, 48