煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的設(shè)計(jì)

王秀宏

摘? 要：煉油廠加熱爐加裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS），并將信號引入DCS系統(tǒng)，同時遠(yuǎn)傳至環(huán)保部門，實(shí)現(xiàn)對固定污染源煙氣排放的集中監(jiān)測和監(jiān)管，提高環(huán)保水平。

關(guān)鍵詞：CEMS

目前我國的大氣污染治理已經(jīng)到了刻不容緩之際，在加強(qiáng)環(huán)保方面的監(jiān)管力度的同時，國家對煙氣排放的標(biāo)準(zhǔn)要求也不斷提高。依據(jù)《排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范石化行業(yè)（HJ853-2017）》和《排污單位自行監(jiān)測技術(shù)指南石油煉制工業(yè)（HJ 880-2017）》規(guī)定：單臺額定功率≥14MW的工藝加熱爐排氣筒須安裝煙氣NOx排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS），自2018年1月1日起實(shí)施。

目前國內(nèi)很多煉油廠已運(yùn)行多年的、達(dá)到上述規(guī)模要求的工藝加熱爐沒有安裝CEMS，已無法滿足環(huán)保要求。因此在老裝置內(nèi)加裝符合《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ75-2017）》要求，且滿足與政府環(huán)保部門在線監(jiān)測平臺聯(lián)網(wǎng)要求的CEMS勢在必行。

1 CEMS簡介

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System，簡稱CEMS），是指連續(xù)監(jiān)測固定污染源顆粒物和（或）氣態(tài)污染物排放濃度和排放量所需要的全部設(shè)備。

CEMS系統(tǒng)由氣態(tài)污染物（SO2、NOX）監(jiān)測子系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)（溫度、壓力、流速、濕度、含氧量）測量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)等組成。

氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)采用光譜分析儀測量煙氣中的SO2 、NOX 氣體含量。該子系統(tǒng)由采樣探頭、采樣預(yù)處理單元和分析儀組成。采樣探頭安裝在煙道上，采樣預(yù)處理單元和分析儀安裝在分析小屋中。

顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)采用激光測塵儀測量煙氣中粉塵的濃度。

煙氣排放參數(shù)測量子系統(tǒng)負(fù)責(zé)煙氣溫度、壓力、流速、濕度和含氧量的測量。測量設(shè)備盡量采用集成化設(shè)計(jì)，減少在煙道上的開口數(shù)量。

數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與處理單元、在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測軟件構(gòu)成。在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測軟件匯總所有的氣體濃度信息和工作狀態(tài)信息，具有生成報表、存儲數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄等功能。數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)安裝在分析小屋中，可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式與環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)。

2 現(xiàn)場加裝CEMS設(shè)計(jì)的一般性原則

2.1 分析小屋：

小屋配套可燃?xì)怏w/毒性氣體/低氧檢測器各1臺，以及供電、防爆空調(diào)、接線箱、標(biāo)氣瓶等配套設(shè)施。小屋高度應(yīng)≥2.8m，安裝在地坪標(biāo)高≥0m 處，與采樣點(diǎn)之間的距離應(yīng)盡可能近，原則上不超過70m。若小屋內(nèi)僅放置單臺機(jī)柜，面積應(yīng)≥2.5×2.5m2。若放置多套分析儀表的，每增加一臺機(jī)柜，站房面積應(yīng)至少增加3m2，以便于運(yùn)維操作。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)氣體配備：

配備不同濃度的有證標(biāo)準(zhǔn)氣體，且在有效期內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)氣體應(yīng)當(dāng)包含零氣和CEMS 測量的各種氣體（SO2、NOX、O2）的量程標(biāo)氣，以滿足日常零點(diǎn)、量程校準(zhǔn)、校驗(yàn)的需要。其中零氣為含SO2、NOX濃度均≤0.1μmol/mol 的標(biāo)準(zhǔn)氣體，一般為高純氮?dú)猓兌取?9.999%;當(dāng)測量煙氣中二氧化碳時，零氣中二氧化碳≤400μmol/mol，含有其他氣體的濃度不得干擾儀器的讀數(shù)。

2.3 采樣點(diǎn)的選取：

若一個固定污染源排氣先通過多個煙道或管道后進(jìn)入該固定污染源的總排氣管時，應(yīng)盡可能將CEMS安裝在總排氣管上，但安裝位置的選擇要便于采用參比方法校驗(yàn)CEMS;不得只在其中的一個分支上安裝CEMS，并將測定值作為該源的排放結(jié)果;允許在每個分支上安裝CEMS。

采樣點(diǎn)應(yīng)位于固定污染源排放控制設(shè)備的下游和比對監(jiān)測斷面的上游，應(yīng)優(yōu)先選擇在垂直管段和煙道負(fù)壓區(qū)域，注意避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。對于圓形煙道，顆粒物CEMS和流速CMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向≥4倍煙道直徑，以及上游方向≥2倍煙道直徑處，且不宜安裝在煙道內(nèi)煙氣流速<5m/s 的位置;對于氣態(tài)污染物CEMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向≥2倍煙道直徑，以及上游方向≥0.5倍煙道直徑處。對于矩形煙道，以當(dāng)量直徑計(jì)，要求一致。

對于新建排放源，采樣平臺應(yīng)與排氣裝置同步設(shè)計(jì)、同步建設(shè)、確保采樣斷面滿足上述要求;對于現(xiàn)有排放源，當(dāng)無法找到合適的采樣位置時，應(yīng)盡可能選擇在氣流穩(wěn)定的斷面安裝，并采取相應(yīng)措施保證監(jiān)測斷面煙氣分布相對均勻，斷面無紊流。

2.4 參比采樣孔的設(shè)置：

在CEMS 監(jiān)測斷面下游應(yīng)預(yù)留參比方法采樣孔，采樣孔位置和數(shù)目按照GB/T16157 的要求確定。現(xiàn)有污染源參比方法采樣孔內(nèi)徑應(yīng)≥80mm，新建或改建污染源參比方法采樣孔內(nèi)徑應(yīng)≥90mm。在互不影響測量的前提下，參比方法采樣孔應(yīng)盡可能靠近CEMS 監(jiān)測斷面。當(dāng)煙道為正壓煙道或有毒氣時，應(yīng)采用帶閘板閥的密封采樣孔。

2.5 采樣平臺設(shè)置：

采樣或監(jiān)測平臺長度應(yīng)≥2m，寬度應(yīng)≥2m 或不小于采樣槍長度外延1m，周圍設(shè)置1.2m 以上的安全防護(hù)欄，有牢固并符合要求的安全措施，便于日常維護(hù)（清潔光學(xué)鏡頭、檢查和調(diào)整光路準(zhǔn)直、檢測儀器性能和更換部件等）和比對監(jiān)測。采樣平臺應(yīng)易于人員和監(jiān)測儀器的到達(dá)，當(dāng)采樣平臺設(shè)置在離地面高度≥2m的位置時，應(yīng)有通往平臺的斜梯（或Z字梯、旋梯），寬度應(yīng)≥0.9m;當(dāng)采樣平臺設(shè)置在離地≥20m位置時，應(yīng)有通往平臺的升降梯。

2.6 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)：

采樣方法有完全抽取法、稀釋抽取法和直接測量法三種形式。兩種抽取法宜采用吸收光譜法、發(fā)光法和電化學(xué)分析法等檢測技術(shù);直接測量法宜采用吸收光譜法、光散射法和電分析法等檢測技術(shù)。其中SO2分析儀采用脈沖熒光法原理;NOx分析儀采用化學(xué)熒光法原理。

完全抽取法樣品采集裝置應(yīng)具備加熱、保溫和反吹凈化功能，連結(jié)采樣探頭和分析儀的采樣管線采用電伴熱復(fù)合管，電壓為220VAC，加熱溫度在120℃以上。稀釋抽取法由于稀釋樣品的露點(diǎn)低而無需跟蹤加熱，所以連結(jié)采樣探頭和分析儀的采樣管線是無需加熱型的。

2.7 顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)：

較高濃度煙塵（0～100g/m3）測量采用雙光程透射式測塵儀表，較低濃度煙塵（0～200mg/m3）測量采用散射式測塵儀表。

工藝加熱爐粉塵濃度較低，采用激光背散射原理，由于煙道的機(jī)械振動及煙氣溫度不均造成的折射率不均造成的光束擺動對儀表本身影響可忽略。

2.8 煙氣排放參數(shù)測量子系統(tǒng)：

含氧量采用氧化鎬法檢測，溫度、壓力、流速、濕度可采用一體式傳感器進(jìn)行檢測，避免在煙道上開口過多。

2.9 數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)：

數(shù)據(jù)采集與處理單元以工業(yè)級PC機(jī)為主體，配置電話或網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，配有與環(huán)保部門監(jiān)控中心、用戶DCS系統(tǒng)的通訊接口。數(shù)據(jù)采集傳輸儀的技術(shù)要求應(yīng)滿足HJ477-2009第4章的規(guī)定，并由CEMS供應(yīng)商負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)試。與DCS系統(tǒng)的接口采用RS485 Modbus RTU協(xié)議;通過GPRS、CDMA 等無線方式與市政環(huán)保部門通訊。

在線監(jiān)測軟件至少應(yīng)具備以下功能：

數(shù)據(jù)監(jiān)控和轉(zhuǎn)換功能：顯示各測量值的干基值、濕基值和折算值;顯示過程變量的實(shí)時數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);能夠按照環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)制表和打印日報、月報、年報表;

數(shù)據(jù)的存儲和檢索功能：能夠檢索任意時間點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和任意時間段的報表，CEMS系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)保留時間應(yīng)不低于一年。

監(jiān)測參數(shù)設(shè)置功能：可設(shè)置各測量數(shù)據(jù)的報警上下限;可設(shè)置4-20mA 模擬輸入量有關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)輸入開關(guān)量所代表報警含義;可設(shè)置管道橫斷面面積;系統(tǒng)具有多級管理權(quán)限，可以根據(jù)需要設(shè)置管理權(quán)限和登陸密碼。

3? 現(xiàn)場加裝注意事項(xiàng)

3.1 抽取法取樣管線長度原則上不能超過70m，敷設(shè)時禁止 “U”型彎出現(xiàn)，不能有死彎，禁止中間截取。

3.2 因現(xiàn)有裝置內(nèi)空間有限或地下管網(wǎng)復(fù)雜，分析小屋的擺放位置、采樣梯子平臺的設(shè)置、采樣點(diǎn)的選取應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合業(yè)主意見、CEMS供應(yīng)商技術(shù)要求等統(tǒng)籌考慮。

3.3 設(shè)計(jì)時應(yīng)注意采樣點(diǎn)儀表設(shè)備、分析小屋與現(xiàn)有裝置區(qū)內(nèi)防爆要求一致;現(xiàn)場電動儀表防護(hù)等級不低于IP65;現(xiàn)場儀表須具有防雷功能，儀表信號進(jìn)數(shù)據(jù)采集單元也要采取防雷措施。

4? 結(jié)束語

該項(xiàng)目實(shí)施后，現(xiàn)有裝置中煙氣排放滿足規(guī)范要求，達(dá)到合法合規(guī)目的。