基于CEMS的瀝青混合料有害氣體排放監(jiān)測方法

蔣學(xué)海++徐璐

摘 要：煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）是監(jiān)測煙氣污染物排放的現(xiàn)代化手段，可以連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測污染排放源排放煙氣中的顆粒污染物、氣態(tài)污染物的濃度和排放總量，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測污染物排放總量的目標(biāo)，在如今的火電廠氣體排放監(jiān)測中廣泛應(yīng)用。該文通過對(duì)CEMS系統(tǒng)原理的分析，進(jìn)而對(duì)其測試儀器采樣系統(tǒng)和分析系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，得出一套完整的、能對(duì)瀝青混合料在攤鋪和碾壓過程中排放的有害氣體進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測的N-CEMS設(shè)備。

關(guān)鍵詞：CEMS 瀝青混合料 有害氣體 瀝青煙 監(jiān)測方法

中圖分類號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（b）-0087-02

自20世紀(jì)50年代以來，我國公路建設(shè)快速發(fā)展，交通量日益增大，車速逐漸提高，對(duì)路面性能提出了更高的要求。而瀝青路面憑借優(yōu)越的使用性能和行車舒適性，在我國已建成的高級(jí)和次高級(jí)路面中占了相當(dāng)大的比重，因此，對(duì)瀝青混合料的需求量也大大增加。

但是瀝青混合料的使用會(huì)產(chǎn)生各種的有害氣體，根據(jù)國外資料[1]， 瀝青混合料在拌和、攤鋪過程中分別會(huì)產(chǎn)生一氧化碳、二氧化硫、氧化氮類有害氣體以及瀝青煙，它們?cè)诓煌潭壬嫌绊懼覀兊纳姝h(huán)境。特別需要指出的是，瀝青煙中還包含著部分致癌和強(qiáng)致癌物質(zhì)，對(duì)我們的身體健康造成了極大的威脅。

然而對(duì)于瀝青混合料有害氣體的排放，卻沒有一個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測方法。我們依據(jù)廣泛應(yīng)用在火電廠氣體排放連續(xù)監(jiān)測的CEMS系統(tǒng)，結(jié)合瀝青道路攤鋪過程中排放的有害氣體的特點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)基于CEMS的瀝青混合料有害氣體排放連續(xù)監(jiān)測體系，為不同環(huán)境下瀝青混合料的排放，提供一個(gè)科學(xué)、定量的分析。

1 CEMS簡介

CEMS即煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System，簡稱CEMS），主要用于火電廠的煙氣有組織排放連續(xù)監(jiān)測，由煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測試子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)、信號(hào)輸送通訊系統(tǒng)等組成[7-11]。CEMS通過采樣方式或非采樣方式，測試煙氣中污染物濃度，并同時(shí)測試煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流量、煙氣濕度、氧量等參數(shù)，按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)顯示與記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物排放監(jiān)測的在線性、連續(xù)性、準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)處理和輸出打印的完整性[15]。

2 基于CEMS的瀝青混合料有害氣體連續(xù)監(jiān)測方法

針對(duì)瀝青混合料施工過程中有害氣體無組織排放特性， 基于原有的CEMS系統(tǒng)，我們?nèi)サ粜盘?hào)輸送通訊系統(tǒng)，簡化控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測試子系統(tǒng)，保留氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)，替換煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)為瀝青煙監(jiān)測子系統(tǒng)，并另行設(shè)計(jì)一套適用于無組織排放監(jiān)測的采樣系統(tǒng)，形成N-CEMS（即新型-CEMS）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 N-CEMS采樣系統(tǒng)

N-CEMS系統(tǒng)采樣部分主要由一個(gè)采樣罩、一個(gè)干燥和冷卻結(jié)構(gòu)組成。通過手動(dòng)操作，在瀝青混合料施工現(xiàn)場選取采樣點(diǎn)進(jìn)行樣品氣體采集

采樣罩是用于采集和捕捉氣體污染物的裝置，將瀝青在攤鋪和碾壓過程中排放的有害氣體在擴(kuò)散到大氣之前吸入罩內(nèi)，進(jìn)入干燥和冷卻系統(tǒng)，以減少施工現(xiàn)場環(huán)境對(duì)排放濃度的影響。同時(shí)，采樣罩的設(shè)計(jì)和構(gòu)造還考慮了操作的方便和靈活性，適合于多采樣點(diǎn)。

2.2 N-CEMS瀝青煙監(jiān)測子系統(tǒng)

瀝青煙監(jiān)測子系統(tǒng)主要監(jiān)測瀝青煙濃度。在原有CEMS中，瀝青煙的采樣和監(jiān)測沒有成熟的應(yīng)用，但是專門對(duì)瀝青煙的采樣和檢測已經(jīng)有一定的成果。其主要分析方法有重量法、紫外分光光度法、色譜法等。

重量法[14]是指將瀝青煙收集到已恒重的收集器中，除去水分后，由采樣前后收集器的增量計(jì)算瀝青煙的含量。

紫外分光光度法[15-16]是用環(huán)己烷作溶劑，采用紫外分光光度計(jì)測量吸收液在固定波長處的吸光度，再通過與標(biāo)準(zhǔn)曲線的矯正，從而得出瀝青煙的濃度。

色譜法是對(duì)瀝青煙定性、定量分析的另一個(gè)方法，就是氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用（GC/MS）技術(shù)。氣質(zhì)聯(lián)用以其用時(shí)少、精確度高等優(yōu)點(diǎn)備受人們青睞。氣質(zhì)聯(lián)用可以對(duì)瀝青煙準(zhǔn)確無誤的定性和定量，其測定濃度可以達(dá)到幾微克。

綜合以上的方法，我們采用色譜法，將其運(yùn)用到運(yùn)用到N-CEMS瀝青煙監(jiān)測子系統(tǒng)中，讓實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測瀝青煙濃度的功能。

2.3 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)

氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)采用稀釋采樣法，主要監(jiān)測CO、SO2、NOx等氣體的濃度。圖3為采樣狀態(tài)的流程簡圖。

2.3.1 CO的連續(xù)監(jiān)測方法

CO的連續(xù)監(jiān)測方法主要有非色散紅外吸收法、氣相色譜法兩種。

（1）非色散紅外吸收法：一氧化碳對(duì)4.67 nm，4.72 nm二波長處的紅外輻射具有選擇性吸收，在一定波長范圍內(nèi)，吸收值與一氧化碳的濃度呈線性關(guān)系（遵循朗伯—比耳定律），根據(jù)吸收值確定樣品中一氧化碳的濃度。

（2）氣相色譜法：本方法適用于連續(xù)測定空氣中的一氧化碳的濃度。采樣的一氧化碳可經(jīng)色譜柱分離后，進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐與氫氣反應(yīng)生成CH4，即

CO+2H2CH4+H2O

而甲烷濃度可由儀器直接測定，從而間接得到一氧化碳濃度。

本論文中對(duì)CO的連續(xù)監(jiān)測采用氣相色譜法。

2.3.2 SO2的連續(xù)監(jiān)測方法

SO2的連續(xù)監(jiān)測方法主要有紅外吸收法（NDIR法）、紫外吸收法（UV法）和紫外熒光法三種。

（1）紅外吸收法：通過測量SO2對(duì)7.3 μm附近的紅外線吸收量的變化，連續(xù)測定煙氣中SO2的濃度。該方法抗水分、CO 、CO2的干擾能力較弱。

（2）紫外吸收法：通過SO2在280～320 nm附近的紫外光吸收原理進(jìn)行測定。儀器維修容易，不易受氣流量、水蒸汽、CO2的影響。endprint

（3）紫外熒光法：通過一定波長的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的氣樣上，激發(fā)SO2產(chǎn)生熒光，用光電倍增管檢測熒光強(qiáng)度，測定煙氣中的SO2濃度。紫外熒光法受芳香烴和水蒸汽的干擾，適用于芳香烴和水蒸汽干擾可以忽略或消除的場合，較適用于稀釋采樣法。

本論文中對(duì)SO2的連續(xù)監(jiān)測采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的連續(xù)監(jiān)測方法

NOx的連續(xù)監(jiān)測方法有紅外吸收法、紫外吸收法、脈沖熒光法和化學(xué)發(fā)光法四種。

（1）紅外吸收法：通過測量NO對(duì)5.3 μm附近的紅外線吸收量的變化，連續(xù)測定煙氣中NO濃度。NO2是通過還原轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成NO再測量。抗水份、CO、CO2、SO2及有機(jī)物的干擾能力較弱。

（2）紫外吸收法：通過NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理進(jìn)行測定。儀器維修容易，不易受氣流量、水蒸汽、CO2的影響。

（3）脈沖熒光法：采用脈沖紫外光照射到含有NOx的氣樣上，激發(fā)NOx產(chǎn)生熒光，用光電倍增管檢測熒光強(qiáng)度，測定煙氣中的NOx濃度。受芳香烴和水蒸汽的干擾，較適用于稀釋采樣法。

（4）化學(xué)發(fā)光法：測量NOx是NO和O3反應(yīng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的NO2，激發(fā)態(tài)的NO2轉(zhuǎn)為常態(tài)的NO2時(shí)，伴隨著光子的發(fā)射，產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，測量發(fā)光強(qiáng)度即NO濃度。適用于共存的二氧化碳干擾可以忽略或消除的場合。

本論文中對(duì)SO2的連續(xù)監(jiān)測采用脈沖熒光法。

3 結(jié)語

基于CEMS系統(tǒng)，去掉信號(hào)輸送通訊系統(tǒng)，簡化控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測試子系統(tǒng)，保留氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)，替換煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)為瀝青煙監(jiān)測子系統(tǒng)，并另行設(shè)計(jì)一套適用于無組織排放監(jiān)測的采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瀝青混合料有害氣體排放的連續(xù)監(jiān)測。 文中以AC-20瀝青混合料為例，以室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M瀝青混合料生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)中的有害氣體排放實(shí)況，對(duì)N-CEMS系統(tǒng)的監(jiān)測效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)總結(jié)了在拌合、攤鋪、碾壓各環(huán)節(jié)中各類有害氣體的排放特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)各類有害氣體在拌合工序的排放量顯著高于其它工序。對(duì)于不同類型的瀝青混合料，具體的排放特性宜做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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[15] 閆向陽，穆曉宇.瀝青煙的紫外分光光度測定[J].北方環(huán)境，2004，29（3）：61-63.endprint

（3）紫外熒光法：通過一定波長的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的氣樣上，激發(fā)SO2產(chǎn)生熒光，用光電倍增管檢測熒光強(qiáng)度，測定煙氣中的SO2濃度。紫外熒光法受芳香烴和水蒸汽的干擾，適用于芳香烴和水蒸汽干擾可以忽略或消除的場合，較適用于稀釋采樣法。

本論文中對(duì)SO2的連續(xù)監(jiān)測采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的連續(xù)監(jiān)測方法

NOx的連續(xù)監(jiān)測方法有紅外吸收法、紫外吸收法、脈沖熒光法和化學(xué)發(fā)光法四種。

（1）紅外吸收法：通過測量NO對(duì)5.3 μm附近的紅外線吸收量的變化，連續(xù)測定煙氣中NO濃度。NO2是通過還原轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成NO再測量。抗水份、CO、CO2、SO2及有機(jī)物的干擾能力較弱。

（2）紫外吸收法：通過NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理進(jìn)行測定。儀器維修容易，不易受氣流量、水蒸汽、CO2的影響。

（3）脈沖熒光法：采用脈沖紫外光照射到含有NOx的氣樣上，激發(fā)NOx產(chǎn)生熒光，用光電倍增管檢測熒光強(qiáng)度，測定煙氣中的NOx濃度。受芳香烴和水蒸汽的干擾，較適用于稀釋采樣法。

（4）化學(xué)發(fā)光法：測量NOx是NO和O3反應(yīng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的NO2，激發(fā)態(tài)的NO2轉(zhuǎn)為常態(tài)的NO2時(shí)，伴隨著光子的發(fā)射，產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，測量發(fā)光強(qiáng)度即NO濃度。適用于共存的二氧化碳干擾可以忽略或消除的場合。

本論文中對(duì)SO2的連續(xù)監(jiān)測采用脈沖熒光法。

3 結(jié)語

基于CEMS系統(tǒng)，去掉信號(hào)輸送通訊系統(tǒng)，簡化控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測試子系統(tǒng)，保留氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)，替換煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)為瀝青煙監(jiān)測子系統(tǒng)，并另行設(shè)計(jì)一套適用于無組織排放監(jiān)測的采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瀝青混合料有害氣體排放的連續(xù)監(jiān)測。 文中以AC-20瀝青混合料為例，以室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M瀝青混合料生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)中的有害氣體排放實(shí)況，對(duì)N-CEMS系統(tǒng)的監(jiān)測效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)總結(jié)了在拌合、攤鋪、碾壓各環(huán)節(jié)中各類有害氣體的排放特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)各類有害氣體在拌合工序的排放量顯著高于其它工序。對(duì)于不同類型的瀝青混合料，具體的排放特性宜做進(jìn)一步研究。

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[15] 閆向陽，穆曉宇.瀝青煙的紫外分光光度測定[J].北方環(huán)境，2004，29（3）：61-63.endprint

（3）紫外熒光法：通過一定波長的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的氣樣上，激發(fā)SO2產(chǎn)生熒光，用光電倍增管檢測熒光強(qiáng)度，測定煙氣中的SO2濃度。紫外熒光法受芳香烴和水蒸汽的干擾，適用于芳香烴和水蒸汽干擾可以忽略或消除的場合，較適用于稀釋采樣法。

本論文中對(duì)SO2的連續(xù)監(jiān)測采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的連續(xù)監(jiān)測方法

NOx的連續(xù)監(jiān)測方法有紅外吸收法、紫外吸收法、脈沖熒光法和化學(xué)發(fā)光法四種。

（1）紅外吸收法：通過測量NO對(duì)5.3 μm附近的紅外線吸收量的變化，連續(xù)測定煙氣中NO濃度。NO2是通過還原轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成NO再測量。抗水份、CO、CO2、SO2及有機(jī)物的干擾能力較弱。

（2）紫外吸收法：通過NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理進(jìn)行測定。儀器維修容易，不易受氣流量、水蒸汽、CO2的影響。

（3）脈沖熒光法：采用脈沖紫外光照射到含有NOx的氣樣上，激發(fā)NOx產(chǎn)生熒光，用光電倍增管檢測熒光強(qiáng)度，測定煙氣中的NOx濃度。受芳香烴和水蒸汽的干擾，較適用于稀釋采樣法。

（4）化學(xué)發(fā)光法：測量NOx是NO和O3反應(yīng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的NO2，激發(fā)態(tài)的NO2轉(zhuǎn)為常態(tài)的NO2時(shí)，伴隨著光子的發(fā)射，產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，測量發(fā)光強(qiáng)度即NO濃度。適用于共存的二氧化碳干擾可以忽略或消除的場合。

本論文中對(duì)SO2的連續(xù)監(jiān)測采用脈沖熒光法。

3 結(jié)語

基于CEMS系統(tǒng)，去掉信號(hào)輸送通訊系統(tǒng)，簡化控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測試子系統(tǒng)，保留氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)，替換煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)為瀝青煙監(jiān)測子系統(tǒng)，并另行設(shè)計(jì)一套適用于無組織排放監(jiān)測的采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瀝青混合料有害氣體排放的連續(xù)監(jiān)測。 文中以AC-20瀝青混合料為例，以室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M瀝青混合料生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)中的有害氣體排放實(shí)況，對(duì)N-CEMS系統(tǒng)的監(jiān)測效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)總結(jié)了在拌合、攤鋪、碾壓各環(huán)節(jié)中各類有害氣體的排放特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)各類有害氣體在拌合工序的排放量顯著高于其它工序。對(duì)于不同類型的瀝青混合料，具體的排放特性宜做進(jìn)一步研究。

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