煙氣在線監測系統應用及常見問題

謝華（郴州市環境監測站，湖南郴州 423000）

煙氣在線監測系統應用及常見問題

謝華
（郴州市環境監測站，湖南郴州 423000）

煙氣在線監測系統（Continuous Emission Monitoring System，簡稱CEMS）是排污管理和環境綜合治理的關鍵工具，但是CEMS在實際應用中問題比較多。本文從煙氣在線監測系統的概念出發，簡要介紹了CEMS系統的組成和應用，針對CEMS系統在運行中的常見問題，提出了解決方法。

CEMS 煙氣 在線監測系統 應用現狀 冷凝器

1　引言

我國環保部門曾經在十五計劃中明確指出，要將加強污染源的在線檢測工作作為未來幾年工作的重中之重，同時號召全國一線城市中區域污染負荷高達60%以上的工業企業必須安裝水質和煙氣在線檢測設備，在全國范圍內實現污染源科學化、網絡化管理。近幾年，環境污染問題變得越來越嚴重，國家對環境監測的建設投入逐漸加大，同時環境自動監測技術也日益成熟，煙氣在線監測系統在全國得到了越來越廣泛的應用。煙氣在線監測系統獲取的連續、大量、完整的基礎數據，為政府和決策部門提供了及時、全面的煙氣排放信息。

2　煙氣在線監測系統概述

煙氣在線監測系統也稱為煙氣自動監測系統、煙氣排放連續監測系統，是對向大氣中排放顆粒物或者氣態污染物等污染源的濃度和排放總量進行連續檢測的高科技設備，同時將系統實時檢測到的各種信息及時傳輸給有關部門，便于上級領導對整個地區的環境污染情況有宏觀的了解。煙氣在線監測系統主要由以下幾個部分組成：煙氣參數監測子系統、顆粒物監測子系統、數據采集處理與通訊子系統以及氣態污染物監測子系統等組成，下面分別對這幾個系統作簡單的講解。

首先，煙氣參數監測子系統是用來對煙氣的含氧量、流速以及溫度等指標進行準確的測量，并根據測量值，計算煙氣的排放總量和濃度，估算煙氣等污染源對大氣可能造成的危害。

其次，顆粒物監測子系統主要是對煙塵等顆粒物進行準確的監測。

再次，數據采集處理與通訊子系統是由計算機系統和數據采集器兩個部分組成，這個系統在正常運行的過程中，可以對參數進行實時采集，同時還可以根據各個污染源排放量和濃度值所對應的折算濃度、濕基以及干基等，生成污染源在不同時間的排放數量，此外，這個系統還可以及時補償丟失的數據，將其及時傳送到主機中。

最后，氣態污染物監測子系統相對于其他監測系統而言，監測對象的種類比較多，但是主要監測的污染物是氮氧化物、二氧化硫等氣態污染源［1］。

3　煙氣在線監測系統應用現狀

3.1國外煙氣在線監測系統的應用現狀

國外的燃煤電站和化工廠等化工企業從五六十年代開始，就已經開始在煙囪上安置CEMS系統來完成污染物排放源的在線監測任務。國外生產CEMS的廠家主要集中在英國、美國、德國和日本，使用的標準為美國的EPA標準，這一標準是美國環境保護署于1971年制定的，全稱為“新能源執行標準”（New Source Performance Standard）。標準中規定了CEMS采樣點位置必須設置在煙囪1/3高度處，由于此高度煙道氣均勻性和穩定性好，方便監測到真實的、有代表性的數據，同時此處設有作業平臺，方便安裝和日常維護［2］。由于EPA標準中要求采樣探頭必須安裝在煙囪上，這就導致下管路較長，因此美國大部分的煙氣排放連續監測系統（CEMS）都是以稀釋采樣法為主，而日本和德國生產的煙氣排放連續監測系統（CEMS）多為直接抽取法。在美國制定的和煙氣在線監測系統有關的規章制度中，根據污染源的不同種類制定了針對性、科學的監測計劃，并采取電子審核、現場屯核等措施，來達到提高煙氣在線監測系統監測質量的目的。

3.2國內煙氣在線監測系統的應用現狀

通過調查研究，我國的能源結構中，煤炭的數量高達75%左右，而在煤炭中，含硫量也比較高，達到5%左右。在火電廠中，主要的燃料就是天然氣、石油、煤炭等通過燃燒可以產生電能的物質，是煙氣污染物的主要排放源頭之一。近幾年，環境問題凸顯，各地霧霾天氣出現頻率越來越高，工業的迅速發展對環境造成了嚴重影響，同時人們的日常生活和身體健康也遭受著威脅。這就要求火電技術必須不斷提高，政府不斷加強對各種污染物排放源的檢測和管理，火電廠才能更適應和諧社會的要求。

從70年代開始，我國首先在冶金系統方面引進國外煙氣排放連續監測系統，也是在這個時期，我國開始逐漸認識到傳統的污染物監測方法已經不能滿足我國發展的需要，迫切需要一種比手工采樣更方便、更快捷的方法，來對煙氣中的污染物進行準確、科學的監測。8 0年代后，我國電力行業也引進了煙氣排放連續監測系統（CEMS），如上海石洞口二廠、浙江北企、山東石橫等。1986年廣東從日本引進了首臺火電廠煙氣連續監測系統。由于我國引進機組配置的煙氣測量平臺沒有設計專用電梯，且裝置在數十米高煙囪上的CEMS缺少日常維護，大部分CEMS運行狀況不佳，沒有達到應有的使用效果。據調查資料顯示：在調查的36家火電廠中，安裝全套的CEMS裝置的有23家，正常運營的僅有6家，占總投運數的26.1%，另有1/3間斷運行，1/3根本無法運行。

20世紀后期，我國也跟上時代發展的腳步，開始加大對煙氣在線監測系統的研究力度，嘗試生產煙氣在線監測系統。與此同時，我國開始制定和頒布和煙氣在線監測系統有關的規章制度、法律法規等，如《火電廠大氣污染物排放標準》《火電廠大氣污染物排放標準》等。在此背景下，國內涌現出上海發電設備成套設計研究院、中綠環保技術有限公司、南京國電環保設備有限公司等一批具有煙氣在線監測系統研制和生產能力的機構、企業，投入了大量的人力、物力和財力，對煙氣在線監測系統進行長期的研究和生產嘗試，不斷生產出全新的煙氣在線監測系統，并且獲得了自主知識產權，這在很大程度上推動了煙氣在線監測系統在我國的生產和推廣應用［3］。

到20世紀末時，以差分吸收光譜方法、紫外熒光法、吸收法以及電位電解法等可以有效測量煙氣中污染物的高科技儀器不斷被研發成功，并在一定程度上實現了儀器的產業化。目前，我國雖然在CEMS的使用細節上與歐美國家存在一定的差距，但是CEMS分析技術并不比發達國家落后。但是在使用煙氣在線監測系統對煙氣中的有害物質進行檢測時，仍然還存在一些嚴重的問題，尤其是在人機交互界面方面，我國的技術仍然不夠完善，依賴國外進口儀器的情況比較嚴重。

我國環保部門曾經在2008年頒布了《污染源自動監控設施運行管理辦法》等法律文件，在這些文件中，極大的完善了煙氣在線監測系統管理和運行方面的要求。2010年初，國內安裝的煙氣在線監測系統已經達到上萬套，一線城市的政府部門正在大力號召企業應用煙氣在線監測系統，90%的國控重點污染源正式安裝了煙氣在線監測系統。同時以上海市為例，我國開始在國內一線發達城市創辦煙氣在線監測系統試點工程，以試點的過程和結果為基礎，上海市在2007年開始全面推進煙氣在線監測系統的推廣和應用。2009年初，我國為了更好的監控火電廠等國控重點污染源的有害煙氣排放情況，嘗試在煙囪旁邊正式安裝煙氣在線監測系統，盡量避免有害物質從煙囪向大氣中排放。據不完全統計，到2014年年底，僅上海市，就已經正式安裝了500套左右的煙氣在線監測系統，其中，75%的煙氣在線監測設備運行效果較好，日常數據的審核工作也在順利開展［4］。

4　煙氣在線監測系統存在的問題及解決方法

4.1采樣管路發現液態水

如果系統采樣管路中出現了超過固定數量的液態水，系統中的濕度報警裝置就會自動報警，與此同時，采樣泵的工作也會停止，雖然造成的影響較大，但是在煙氣在線監測系統中安裝濕度報警器很有必要。因為如果不安裝濕度報警器，就很難發現系統采樣管路中是否存在數量過多的液態水，一段時間之后，采樣泵就不能正常開機，無法工作，氣體分析儀等其他部件也會逐漸被腐蝕，在很大程度上影響了煙氣在線監測系統工作的科學性和準確性，所以安裝濕度報警器具有非常重要的意義［5］。

4.2取樣管路吹掃時數據無法保持

在煙氣在線監測系統中，二氧化硫的含量也參與到脫硫系統的自動調節工作中，所以當煙氣在線監測系統中取樣管路吹掃時，系統檢測到的數據就會出現很大的變化，從而影響到脫硫系統的自動調節。如果使用半干法進行脫硫工作，脫硫率仍然會在取樣管路吹掃時發生較大的變化，并且，由于脫硫塔中噴入的消石灰量是以煙氣中二氧化硫含量的計算結果為基礎，所以在煙氣在線監測系統取樣管路進行吹掃時，由于二氧化硫含量計算結果不準確，所以消石灰量也不正確，這就在很大程度上影響到實際的脫硫率。在實際工作過程中，如果要想得到準確的脫硫率，就要在煙氣在線監測系統取樣管路吹掃之前，就退出消石灰的給定自動。但是由于煙氣在線監測系統的取樣管路吹掃頻率為每兩個小時一次，所以需要退出消石灰給定自動操作會比較頻繁，為了有效解決這個問題，可以在煙氣在線監測系統取樣管路吹掃時，將吹掃指令交給可編程邏輯控制器發出，同時在集中控制室的分散控制系統中引入該指令，使分散控制邏輯中回路，從而達到數據自保持的目的［6］。

4.3伴熱控制回路不合理

一般情況下，脫硫主要有兩種方法：濕法脫硫和干法脫硫。其中，濕法脫硫是在煙囪和引風機之間正式安裝一個脫硫塔，以噴淋的形式在脫硫塔中加入石灰石漿液，而干法脫硫是在除塵裝置含有煙氣之前，就在煙氣中加入石灰、石粉，從而達到脫硫的效果。這兩種方法都會造成脫硫之后，水分較多且煙氣溫度非常低，從而導致煙氣取樣管路發生結露，造成測量值不準確。此外，半干法進行脫硫時，由于煙塵的含量較大，遇到水分之后就很容易導致取樣管路發生堵塞，所以這幾種方法都不可取，目前，為了解決這些問題，達到較好的脫硫效果，可以采取取樣管路增加伴熱的方法。伴熱主要有電伴熱管、電拌熱帶伴熱以及蒸汽伴熱等三種方式。由于煙氣在線監測系統中，煙氣取樣管的伴熱主要使用電伴熱管持續加熱的方法，所以要對溫度進行合理的控制，將120攝氏度作為是否啟動伴熱的關鍵因素，但是為了維持120攝氏度，就會使溫度一直在120攝氏度周圍發生較大的變化，使固態繼電器需要頻繁的操作，導致固態繼電器容易發生損壞，從而造成嚴重的后果。后果主要分為兩種情況：其一，由于煙氣中的結露水汽、取樣管路不能加熱以及固態繼電器無法閉合等原因導致管路被腐蝕、測量結果不準確等，甚至造成管路堵塞的情況。其二，取樣管路持續加熱以及固態繼電器無法斷開導致伴熱燒壞。如果出現了這兩種情況，就必須重新更換取樣管路，給企業帶來了嚴重的經濟損失。所以必須對煙氣取樣管的伴熱控制回路進行優化改造，將120攝氏度單點控制改為兩點控制：當溫度高于120攝氏度時，停止加熱；當溫度在100攝氏度以下時，開始加熱［7］。

4.4采樣系統堵塞

煙氣在線監測系統中的采樣系統主要包括三級精密過濾器、冷凝器、伴熱管線、二級精密過濾器以及采樣探頭等組成部分，一旦采樣系統發生堵塞，就會導致采樣的流量比較低，后果比較嚴重。有關部門在發現采樣系統堵塞時，首先要確定堵塞的具體部位，可采用以下方法：由于伴熱管線和采樣探頭通常都是在煙囪或者煙道等距離地面較高的地方，檢查不方便，所以可以先對分析機柜內部的三級精密過濾器、二級精密過濾器以及冷凝器等進行仔細的檢查。但是要求對機柜內部檢查的人員具有較高的專業素質，必須要熟悉采樣系統，確保排查結果準確［8］。

4.5氣體分析儀發生故障

通常情況下，氣體分析儀發生故障主要分為兩種情況：量程和零點的頻繁變動導致線性誤差較大、氣體室受到污染。首先，量程和零點的頻繁變動導致線性誤差較大，主要原因在于煙氣在線監測系統儀表的供應商有很多，不同的供應商在設計氣體分析儀時會具有不同的特點，所以要想準確判斷故障發生的位置和原因比較困難。所以在排查時，要先確定氣體分析儀顯示面板是否提示故障報警，根據報警信息來確定故障發生的位置。同時由于氣體分析儀設計原理主要是光學測量原理，所以還要對光源進行檢查，確定是否因其老化而引起的故障，但是要嚴格按照儀器說明書檢查，如果檢查結果表明光源過弱或者過強，就要及時更換光源。排除這些原因之后，還要對檢測器進行檢查，確定其是否正常工作，但要注意檢測器的檢查比較困難，要求檢測人員的業務素質較好，所以必要時可以聯系生產廠家進行仔細的檢查。其次，氣體室是否收到污染直接會影響到光學鏡面是否可以正常使用，如果預處理系統存在先天缺陷或者無法正常工作而導致灰塵、水汽進入氣體室，就會嚴重影響測量結果的科學性和準確性，要解決這個問題，首先要用干凈的水對氣體室進行全面的清洗，然后使用壓縮空氣進行吹干［9］。

4.6冷凝器發生故障由于氣體冷凝器是煙氣在線監測系統中預處理系統的核心部件，種類比較多，但是無論是電子冷凝器還是壓縮機式冷凝器，企業在選擇時，考慮的重點因素就是冷凝器的使用質量。一般情況下，冷凝器故障的發生原因主要有兩種情況：其一，由于使用時間過長，導致冷凝器發生堵塞，在處理時，可取出冷凝罐，進行仔細的清洗。其二，由于冷凝器的溫度沒有達到事先規定的溫度，從而發生故障，這種情況通常是由于溫控裝置和電源裝置運行錯誤而導致。

5　結束語

國家在十年內將投入2萬個億對環境進行監控治理，其中用于分析監測裝備不少于l0%，目前已經開始的煙囪煙氣排放監控治理試點工作將在全國全面發展。并且隨著中國經濟的飛速發展和人們環保意識的增強，能源短缺和由于工業發展帶來的生態環境的破壞成為了亟待解決的矛盾，受到社會各界的普遍關注。為解決這一矛盾，政府提出了“節能減排”的方針措施。煙氣在線監測系統提供了監測煙氣中污染物的簡便、有效的方法［10］，在煙氣節能減排中是不可缺少的環保設備。希望在今后的發展中，煙氣在線監測系統將擁有更有廣闊的發展空間。

［1］朱法華，李輝，邱署光.煙氣排放連續監測技術的發展及應用前景［J］.環境監測管理與技術，2010，22（4）：10-14.

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［3］郜武.煙氣連續監測系統（CEMS）技術及應用［J］.中國儀器儀表，2009（1），43-47.

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［5］張昱，龔蘭芳.基于CEMS系統的數據采集與處理模塊的設計［J］.信息技術，2005（11）.

［6］于玲，孫淮林.國內外同類CEMS技術問題與市場現狀［J］.江蘇電機工程，2004，23（6）：6-8.

［7］李晶，孟祥亮，張玉梅.山東省生態環境遙感監測及其動態變化研究［J］.環境監測管理與技術，2009，21（3）：71-74.

［8］周至祥，段建中，薛建明.火電廠濕法煙氣脫硫技術手冊［M］.中國電力出版社，2006.

［9］環境保護部科技標準司.煙塵煙氣連續自動監測系統運行管理［M］.北京，化學工業出版社，2008.

［10］蘇靜，吳海平，王金奇.EMS煙氣在線連續監測系統常見問題的探討［J］.污染防治技術，2011 （3）：73-75.