煙氣排放連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）監(jiān)測技術現(xiàn)狀綜述

向一銘

摘 要：本文綜述了煙氣排放連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）的氣態(tài)污染物（二氧化硫、氮氧化物）、煙氣參數(shù)（煙氣流速、含氧量、溫度、濕度）、顆粒物的監(jiān)測技術現(xiàn)狀，分析了對不同污染物監(jiān)測的測定原理、技術特點、優(yōu)勢及缺點，為比對監(jiān)測準確實施及CEMS在線管理提供一定的借鑒，同時實現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享，加強對數(shù)值的合理化管理，從而規(guī)范環(huán)保局對各企業(yè)的在線管理，為在線監(jiān)測整體水平提供有力的支持。

關鍵詞：CEMS 監(jiān)測技術 現(xiàn)狀

中圖分類號：X84 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0116-02

煙氣排放連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）是由氣態(tài)污染物監(jiān)測單元、顆粒物監(jiān)測單元、煙氣參數(shù)監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元傳輸組成。且通過連續(xù)采樣和分析（抽取法24h連續(xù)不斷監(jiān)測），測定煙氣中的氣態(tài)物濃度、顆粒物濃度、煙氣溫度、煙氣流速、煙氣壓力、煙氣濕度、煙氣含氧量等；同時通過計算得到污染物的濃度和排放總量。而CEMS比對監(jiān)測是保證污染源自動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確性的有效措施和方法。本文結(jié)合煙氣排放連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）中各監(jiān)測單元的測定原理，對CEMS的氣態(tài)污染物、煙氣參數(shù)、顆粒物的監(jiān)測技術現(xiàn)狀進行綜述，為比對監(jiān)測準確實施及CEMS在線管理提供一定的借鑒。

1 CEMS氣態(tài)污染物測量技術現(xiàn)狀

1.1 直接測量法

直接測量法分二種：電化學法和差分吸收光譜法，主要是由直接安裝在煙道上的煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)對煙氣進行實時的測量。電化學法是將煙氣傳感器安裝在探頭端部，探頭直接插入煙道，使用電化學或光電傳感器測量小范圍內(nèi)的污染物濃度（相當于點測量）。而差分吸收光譜法是傳感器和探頭直接安裝在煙道或管道上，利用煙氣的特征光譜（紅外/紫外/差分吸收）對污染物進行分析并測量污染物的濃度（相當于線測量）。目前直接測量的技術主要是紫外波段的差分吸收光譜技術（DOAS）、可協(xié)諧調(diào)半導體激光吸收光譜技術（TDLAS）、差分吸收激光技術。

直接測量法的特點是系統(tǒng)簡單，既沒有采樣預處理裝置，也沒有采樣管線，避免了被測煙氣會被前端干擾或破壞，同時可以避免組分之間的干擾，其監(jiān)測數(shù)值響應速度快，且為實時數(shù)值，具有代表性。并且其測量精度高，可以用于低濃度數(shù)值的測量。其缺點是該方法受到煙氣溫度壓力等因素的限制，需要經(jīng)常進行修正，使用維護不是很方便，而且由于存在水分和振動等因素的干擾，測量精度會很低。由于系統(tǒng)直接安裝在煙道上，很難實現(xiàn)線性標定。且因系統(tǒng)安裝在煙道上，分析儀表與未經(jīng)過預處理的煙氣直接接觸，很容易遭到煙氣的腐蝕以及煙氣中雜質(zhì)的堵塞，從而影響系統(tǒng)的正常運行。在我國已安裝的煙氣連續(xù)監(jiān)測設備中，使用直接測量法的較少，約有5%[1]。

1.2 直接抽取法

直接抽取法是采用專門的加熱探頭將煙氣從煙道內(nèi)抽取出來，煙氣經(jīng)過溫度為120-130的伴熱管線，然后經(jīng)過系統(tǒng)的預處理進行除塵、除水等步驟，最后進入氣態(tài)物分析儀進行氣體檢測分析。現(xiàn)階段常用的直接抽取法法主要分為二種：稀釋采樣法、完全抽取法。

（1）稀釋采樣法。

稀釋采樣法：是根據(jù)直接抽取的方法，用干凈的空氣將煙氣稀釋至可以直接測量的干煙氣，而后通入氣態(tài)物分析儀進行測量。二氧化硫采用的是紫外熒光法測量、氮氧化物采用的是化學發(fā)光法測量。由于零氣的預處理在前，消除了空氣中水分對測量的干擾，無須加熱和保溫，大大減少了維護量，后期的煙氣監(jiān)測采用國際通用的物理光譜測試技術，監(jiān)測精度高，實時性好，因而被列為美國EPA的優(yōu)選方法。此種方法目前安裝比例大約占25.5%。

其優(yōu)點是系統(tǒng)的采氣量較小，不受煙氣溫度的限制，連續(xù)運行時間長，測量準確度高，可全程標定，采樣管線無需進行加熱及除濕，可防止在氣體傳輸及測量過程中出現(xiàn)水分凝結(jié)和管路堵塞的現(xiàn)象。其缺點為系統(tǒng)復雜，尤其是采樣探頭系統(tǒng)，對維護人員的要求較高；煙氣經(jīng)過稀釋，需采用精度較高的分析儀器進行測量，因此對分析儀的要求較高；煙氣經(jīng)過稀釋，會造成檢測的靈敏度降低，系統(tǒng)測量誤差變大，不適宜低濃度的煙氣測量；煙氣經(jīng)過稀釋，因需要高純度氣體對氣體過濾要求較高，需經(jīng)常更換氣體過濾裝置，使得耗材及維護量增多[2]。

（2）完全抽取法。

完全抽取法是最經(jīng)典的煙氣自動監(jiān)測方法，煙氣通過采樣探頭與加熱管線進入系統(tǒng)預處理，再通過冷凝器、干燥器，進入氣態(tài)物分析儀進行測試，二氧化硫、氮氧化物的測量方法主要采用紅外光譜法、紫外光譜法、熱導法。煙氣采樣過程需全程加熱，進入系統(tǒng)預處理后需立刻冷凝，對系統(tǒng)所有設備的質(zhì)量要求較高，儀器維護的工作量較多，整個系統(tǒng)造價成本偏高。完全抽取法又可分為冷干法和熱濕法，其主要區(qū)別在于冷干法測量的氣態(tài)污染物無水分，而熱濕法測量的氣態(tài)污染物含水分，所以冷干法氣態(tài)污染物濃度為干基值，熱濕法氣態(tài)污染物濃度為濕基值。在我國冷干法被廣泛的應用約占測量設備的90%，其測量原理主要是非分散紅外技術。其他還有紅外分析、化學發(fā)光分析、紫外熒光分析等技術。

其優(yōu)點是具有很強的適應性，可以分析各類煙氣組分的氣體，在各個污染行業(yè)都有廣泛的應用；該方法對煙氣進行預處理后，煙氣比較干凈，對分析儀器的污染較小，不會損壞分析儀器，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性較高，便于長期運行，且后期維護成本較低、維護量較少；該方法的分析儀器均在專門的監(jiān)測小室內(nèi)，安裝了空調(diào)，長期室溫環(huán)境，保證了分析儀器的工作環(huán)境，延長了分析儀器的使用壽命。其缺點為因采樣探頭與煙氣長時間接觸，采樣探頭容易腐蝕，且煙氣中的水分和粉塵會附在采樣探頭上，造成采樣探頭堵塞，更有甚者會造成伴熱管堵塞，從而影響氣體的抽取；因分析儀器對經(jīng)過預處理的煙氣要求較高，需去除水分和粉塵，所以必須有一套完整的加熱、除水、除塵、冷凝系統(tǒng)，煙氣經(jīng)過的管理接頭較多，容易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，從而影響測量；由于該方法預處理系統(tǒng)復雜，且分析儀器精度較高，一套完整的煙氣測量系統(tǒng)造價較高，投資成本遠遠高于其他系統(tǒng)[3]。

2 CEMS煙氣參數(shù)測量技術現(xiàn)狀

（1）煙氣流速。流速測量分為皮托管式測量、熱導式測量、超聲波法測量。皮托管式測量主要是測量煙氣的總壓和靜壓，計算煙氣差壓，依照伯努利方程，得出煙氣流速。通常使用的皮托管式測量有S型和L型二種。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，易于維護，運行可靠，缺點是容易產(chǎn)生堵塞。大部分煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)大部分采用的就是皮托管式測量，主流產(chǎn)品是羅斯蒙特流量計。

（2）煙氣含氧量。煙氣含氧量是作為判斷鍋爐燃燒時過剩空氣是否稀釋煙氣濃度的重要指標，也是對濃度進行折算時的重要依據(jù)。煙氣含氧量測量方法主要是氧化鋯法和氧電池電化學法。氧化鋯法是利用二氧化鋯在高溫時的電解催化作用，形成煙氣一側(cè)的電極和與含有氧氣的標準氣體（通常為空氣）接觸的參考電極產(chǎn)生電位的不同，從而測量出煙氣中的含氧量。一般測量探頭壽命約為1～2年，且測量的含氧量數(shù)值為濕氧數(shù)值。而氧電池電化學法運用的是電化學傳感器原理，一般使用壽命是1～3年，且測量的含氧量數(shù)值為干氧數(shù)值。目前，煙氣含氧量的測量技術較為成熟，存在的問題較小。

（3）煙氣溫度。主要采用的是鉑電阻溫度傳感器PT100，溫度大致為-200℃～650℃電阻約為100歐姆，并配合-50℃～350℃量程的溫度變送器進行測量。

（4）煙氣濕度。濕度測量一般有干濕球法，濕度傳感器法，紅外吸收法等。由于濕度只是用于計算干基值和濕基值的轉(zhuǎn)換，目前在CEMS的技術要求規(guī)范中，沒有嚴格地對濕度的連續(xù)自動監(jiān)測作出特定要求，所以可采用手工測量其數(shù)值，并輸入儀器采用特定值得方法[4]。

3 CEMS顆粒物（煙塵）測量技術現(xiàn)狀

煙塵測量方法主要有BETA射線法、光學投射法、后散射法、電荷法等[5]。

BETA射線法是目前唯一一種抽取式在線煙塵濃度測量儀，它是利用顆粒物在紙帶上堆積使紙帶產(chǎn)生的密度變化，從而造成BTEA射線的衰減，測量顆粒物的濃度。其技術特點是能夠直接測量顆粒物的質(zhì)量濃度，不受顆粒物特性影響水分影響，但抽取方式困難，較多應用于環(huán)境空氣，不易應用于工業(yè)廢氣。

光學投射法主要是測試光束含有煙塵的煙氣時，光強因煙塵的吸收和散射作用而減弱，通過測定光束通過煙氣前后的光強比值來定量煙塵濃度。其技術特點是可以連續(xù)監(jiān)測顆粒物濃度，但會因振動等因素發(fā)生光路偏移，容易受煙氣污染，需定期維護，不適合低濃度監(jiān)測。

后散射法基于煙塵粒子的背向散射原理，用于對固定污染源顆粒物進行在線連續(xù)測量。其原理是經(jīng)過調(diào)制的激光或紅外平行光束射向煙氣時，煙氣中的煙塵對光向所有方向散射，經(jīng)煙塵散射的光強在一定范圍內(nèi)與煙塵濃度成比例，通過測量散射光來定量煙塵濃度。其技術特點是易安裝，方便維護，但受水分影響。

電荷法是煙氣和煙塵在與探頭探桿摩擦時所產(chǎn)生的電荷傳遞，由此所產(chǎn)生的電荷差，被監(jiān)測儀監(jiān)測到，通過計算電荷差，得到煙氣濃度。其技術特點是適合于檢測濾袋泄露，但監(jiān)測因子較多，定量不太可靠。

4 結(jié)語

通過研究和了解CEMS系統(tǒng)監(jiān)測技術現(xiàn)狀，促進環(huán)保管理和監(jiān)測部門對企業(yè)在線監(jiān)測的質(zhì)量管理，可根據(jù)CEMS氣態(tài)污染物、煙氣參數(shù)、顆粒物的不同監(jiān)測技術的應用，為企業(yè)CEMS穩(wěn)定運行提供有益的建議或幫助，同時為日常比對監(jiān)測和管理提供技術支持，積累更多的經(jīng)驗。為在線數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，環(huán)保管理部門的監(jiān)管行，設備儀器整體的使用性，提供合理的依據(jù)，有效的更正以及行之有效的解決途徑。

參考文獻

[1] 錢學森.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的配置[J].化工管理，2016（8）：212-213.

[2] 劉立才.關于大氣污染環(huán)境監(jiān)測分析[J].黑龍江科技信息，2013（23）：23.

[3] 鄒正偉，董文嫻.直接抽取采樣法CEMS的測量誤差分析.[J]電力科技與環(huán)保，2009，25（6）：68-72.

[4] 楊威.煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）在環(huán)境管理中的應用研究[D].大連理工大學，2013.

[5] 萬亨.煙氣脫硫脫硝中煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的應用介紹與分析[J].能源環(huán)境保護，2010，24（6）：57-60.