簡述CEMS中氣態污染物監測單元的采樣方法

王文長，夏余歡

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

為應對日益嚴峻的環境問題，中國制定了完善的環境法律及標準體系以加強源頭監管，將工業企業作為重點納入固定污染源排放監測體系，實施污染物排放總量控制與排污許可證制度及排污收費制度，在企業的生產排放口設置大氣污染物排放在線監測設備即煙氣連續排放監測系統(CEMS)，強制跟蹤、計量和管理工廠的排放狀況，為環境執法機構提供監管依據。

1 煙氣連續排放監測系統的基本組成

CEMS由顆粒物監測單元、氣態污染物監測單元、煙氣參數監測單元、數據采集與處理單元以及傳送單元等組成。該系統通過采樣和非采樣方式，測定煙氣中顆粒物濃度、氣態污染物濃度，同時測量煙氣溫度、壓力、流速或流量、濕度、含氧量等參數；計算煙氣中污染物排放速率和排放量；顯示、記錄和打印各種參數，形成相關圖表并通過數據、圖文傳輸系統傳輸至監管部門。

顆粒物監測單元當前以光學法為主流，相對單一；煙氣排放參數測量一般包括煙氣流速、溫度、壓力、濕度、氧含量等，技術成熟，其核心目的在于補償修正，計算排放量。

2 氣態污染物監測單元

氣態污染物檢測單元是CEMS中最重要的組成部分，在整個CEMS中有著舉足輕重的地位。氣態污染物監測單元檢測對象最常見的有氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳等；某些涉及廢物焚燒、污水處理、可揮發性有機物治理等的特定項目，根據相關標準及環境評價要求，有時也會要求檢測鹵化物(如氯化氫、氟化氫)，非甲烷總烴，可揮發性有機物(VOCs)等，檢測對象及背景工況復雜而多樣。

因此，根據環保要求及工況條件選擇恰當的取樣處理方式和分析儀表對于監測系統應用的成功與否無疑是決定性的。

3 樣氣取樣處理系統

樣氣取樣處理系統是分析儀系統集成的核心。工業企業的排放廢氣通常含水、含塵且溫度較高，樣氣的采樣、傳輸及處理甚為關鍵，必須滿足取樣連續可靠、氣體組分不受影響，并保證分析儀表正常工作等要求。通常，對于絕大部分的在線氣體分析系統來說，樣氣處理系統一般包括除水干燥部分，工程實踐表明這一環節也是整個氣體分析系統中故障率最高的環節。在以紅外分析儀等主流光學分析儀的應用中，氣相水是很多待測對象的交叉干擾組分，冷凝水也嚴重干擾光學鏡片的正常工作，為保證儀表性能，減少誤差，必須控制進氣氣體的水分。實際應用中主要通過抽取采樣系統與原位采樣(直接測量)系統從不同角度消除水、顆粒物等干擾組分的影響。

3.1 抽取采樣法

抽取采樣是CEMS中最為經典的方法。它將樣氣從排放管路中抽取出來再送入分析儀表測量，可分為完全抽取式和稀釋抽取式。

3.1.1完全抽取式

完全抽取式是直接從煙道或管道抽取樣氣、濾除顆粒物，將樣氣送入分析儀的取樣方式。根據與之配套的樣氣處理系統的不同，可進一步分為冷/干法與熱/濕法兩大類。

3.1.1.1冷/干法

冷/干法在過去是應用最為廣泛的抽取采樣方法，其主要特點是在樣氣進入分析儀前，對樣氣進行除塵、除水，獲得“冷”和“干”的樣氣。樣氣處理可以在取樣處進行，也可在分析小屋內進行。冷/干法樣氣處理流程如圖1所示。

圖1 傳統冷/干法樣氣處理流程示意

傳統冷/干法普遍采用帶過濾器的采樣探頭以防止其堵塞，過濾器一般通過反吹或拆卸清洗的方式維護，保證采樣探頭的正常工作。過去相當長的一段時期，在分析小屋/機柜內處理樣氣是燃煤電廠CEMS的主流預處理方案。樣氣經粗過濾后通過帶伴熱的輸送氣管路，在分析柜內冷凝除水，最后經精密過濾器過濾后送入分析儀表。該系統構成較為簡單，維護難度較低，工程適應性好，還可根據工況靈活調整冷凝、過濾級數等方案，以更好地保證分析儀表正常工作。但該方式存在被測組分被冷凝液吸收的問題，特別是在當前嚴格的“超低排放”(即燃氣輪機組排放限值)標準下，這種吸收往往是不可接受的，因而今后其應用可能將日趨受限。

在國家排放標準不斷提高的背景下，為避免被測組分被冷凝液吸收，一種在冷凝器前端加注磷酸(pH為1)的方法得到認可。該方法本質是人為生成酸性凝液，影響化學平衡，大幅降低酸性氣(如二氧化硫)與水結合生成酸，減少樣氣中被測組分的損失。加注磷酸處理方法，氣體出口露點只能到5 ℃左右，對于低量程的非分光紅外分析儀仍存在較大干擾，其應用有較大局限性；而在紫外波段不存在干擾，與紫外分析儀系統配合使用效果最佳，常應用于對已有的紫外分析儀系統的改造工程中。

隨著材料技術的不斷進步，一種以滲透干燥管為核心的冷/干法采樣系統在工程中得到應用。滲透干燥原理近似于膜分離技術，即利用干燥管半透膜對氣相水分子的選擇性透過達到分離水分的目的。典型的干燥管如Nafion管——一種以聚四氟乙烯為基體發展而來的聚合物材料。基于滲透干燥管的冷/干法采樣系統需要維護的部件更少，可安裝在分析小屋，也可與取樣過濾探頭整體集成并且更具技術優勢，基于滲透干燥管的冷/干法采樣系統樣氣處理流程如圖2所示。

圖2 基于滲透干燥管的冷/干法采樣系統樣氣處理流程示意

經過處理后的樣氣干燥、潔凈程度高(露點為-20 ℃，理論最低甚至可達-45 ℃)，后續輸送管線一般無須伴熱。滲透干燥法在氣相狀態除去水分子，避免冷凝水的出現，有效解決了被測組分的吸收問題。為達到理想的應用，在工程實際中防堵設計非常關鍵，必須避免進入干燥管的樣氣中帶有冷凝液滴及顆粒物等，因而前端的取樣探頭等部件的伴熱及過濾設計須根據排放氣體組分合理配置，必要時還應增大干燥管直徑。另外，在一些煙氣處理工藝中，排放氣中含有氨氣，會對干燥管造成永久性破壞，氣體降溫后也可能產生銨鹽結晶，此時應在前端配備氨去除器。

3.1.1.2熱/濕法

在垃圾焚燒、廢物處理等工藝流程中，由于燃料的因素，排放氣濕度更高，而且通常還含有鹵化氫、氨等物質，常溫下易結晶，且它們溶于水后一方面將造成組分損失，大幅降低測量值；另一方面其凝液具有很強的腐蝕性，對采樣系統甚至分析儀表產生嚴重損壞，降低儀表使用壽命，對于常規的CEMS維護量極大，甚至直接癱瘓。為解決該難題，伴隨著分析儀技術特別是紅外技術的進步，出現了高溫紅外分析儀，它與保持采樣、分析系統全程處于高溫狀態的熱/濕法采樣系統組合使用取得了很好的效果。

早期的CEMS中，熱/濕法采樣系統通常與可抗粉塵、水分干擾的紫外-可見光分光光譜儀配合使用。熱/濕法不經降溫、除水處理，而是通過全程加熱的管線將樣氣送入分析儀表，分析儀中配置高溫(一般高于排放氣溫度)氣室。系統中的樣氣僅經過了前端的過濾除塵處理，因而進入分析儀的是“熱”且“濕”的樣氣。熱/濕法采樣系統近十年來廣泛匹配傅立葉紅外分析儀或具有干涉濾波(和/或氣體濾波)相關技術的高溫多組分紅外分析儀，可以滿足生活垃圾焚燒等工藝的排放氣中絕大多數被測組分的可靠測量。熱/濕法采樣系統氣路如圖3所示。

從圖3可以看出，熱/濕法抽取采樣系統氣路更為直接。取樣部件主要由加熱的取樣探頭和帶加熱反吹的過濾器組成。從取樣部件到分析儀間的樣氣管線，包括氣泵、流量計、反吹/校準部件等均處于加熱系統內，構成整體高溫測量系統。標準氣和反吹氣也是經過加熱的，防止冷凝。加熱系統具有自動溫度控制功能，保證樣氣溫度高于露點(或酸露點)至少10 ℃，通常在185 ℃左右，同時也配備測溫元件檢測伴熱溫度。

采用全程高溫的熱/濕法采樣系統測量方法，能夠同時測量包括鹵化氫、氨和水在內的更多組分氣體污染物。測量過程中氣體成分不變，腐蝕減少，過濾、取樣和反吹也在高溫狀態下進行，維護量小，效率高。熱/濕法最為關鍵的是必須保持整個高溫系統的可靠性和穩定性，保持樣氣溫度高于露點至少10 ℃。在實際應用中通常還配置伴熱溫度失控報警聯鎖功能，通過及時切斷進樣，并全流程吹掃等措施以保護取樣系統及儀表的安全。

圖3 熱/濕法采樣系統氣路示意

3.1.2稀釋抽取式

稀釋抽取法即使用不含被測組分的潔凈、干燥的氣體(零氣)稀釋樣氣，使混合氣露點顯著降低的抽取采樣方式。稀釋抽取采樣在美國市場占主導地位，主要因美國環保署(EPA)對煙氣排放量的統計以濕煙氣為基準，稀釋抽取測量系統直接契合其要求。稀釋抽取測量系統的構成如圖4所示。

圖4 稀釋抽取測量系統的構成示意

由圖4所示，其關鍵部件為稀釋探頭、稀釋氣(零氣)處理裝置和低量程的分析儀表。該系統的樣氣采集與稀釋處理在現場同時進行。在采樣探頭頂部，通過一個音速小孔進行采樣，并用干燥的氣體(零氣)在探頭內部進行稀釋混合后再向分析儀輸送。

通過計算選擇合適的稀釋比(選擇范圍在100∶1～250∶1)，一方面使稀釋后樣氣露點低于現場的最低環境溫度，避免樣氣冷凝；另一方面確保分析儀的測量范圍與樣氣稀釋后的實際濃度相匹配。與熱/濕法類似，稀釋后的樣氣無需經過除水而直接進入分析儀，樣氣管線一般也不需要伴熱。

稀釋采樣也能解決樣氣中水的冷凝所帶來的一系列問題，是一種“冷”、“濕”的采樣分析方法，在國內“超低排放”的燃煤電廠也有較多應用。但其構成決定了它并不能解決抽取采樣系統應用中遇到的全部問題，其探頭的音速小孔更易受煙道中煙氣溫度和組分的波動影響而堵塞；或者由于儀表空氣質量的不穩定導致系統無法正常工作，而不得不配置一套專用的稀釋氣處理系統。

3.2 原位采樣(直接測量)方式

抽取采樣的種種弊端催生了原位采樣(直接測量)方式，原位測量一般分為點測量和線測量，本文僅討論點測量方式。原位測量方式沒有復雜的樣氣處理系統，主要由1臺高度集成的分析儀構成，原位采樣(直接測量)系統結構如圖5所示。原位氣體分析儀采用擴散式采樣探頭，一體集成分析模塊，直接插入煙道內部安裝，煙氣經過濾器后進入探頭的測量區域(相當于氣室)測量。由于采用的是自由擴散方式，所以煙氣中的粉塵只是落在探頭過濾器表面，可以通過儀表設置的自動吹掃程序，將粉塵吹回煙道，避免過濾器堵塞，實現長周期運行。

原位采樣(直接測量)系統多用紅外測量技術，1臺儀表可同時測量包括水在內多種組分的氣態污染物，有些產品甚至可以檢測氯化氫。

圖5 原位采樣(直接測量)系統結構示意

傳統意義上，原位采樣(直接測量)方式的典型應用是對顆粒物的測量。對于氣態污染物來說，復雜的樣氣處理，長距離的取樣管線，無疑增加系統的維護量，降低系統的響應時間，對分析結果的準確性造成負面影響。原位采樣分析系統構成簡單，可即時得出分析結果，無滯后，便于安裝，維護工作量小，在一些非惡劣工況下應用于氣態污染物的分析具有明顯的優勢。但由于它一般直接安裝在戶外，環境惡劣，干擾因素多，穩定性受影響，而且在一些濕度大、腐蝕性強的煙氣環境下應用有局限性，必須特殊設計，存在維護難度較大，成本較高的缺陷。

3.3 采樣系統與分析儀表的選擇匹配

用于環保監測氣態污染物的分析儀表種類較多，尤以紫外法、紅外法或它們的衍生方法為代表的光學法應用最為廣泛。這些分析儀由于儀表結構和分析原理的各不相同決定了對樣氣的不同要求，需要采取不同的采樣處理方式。當今工程應用中常用的組合方案見表1所列。

表1 氣態污染物監測單元的常見方案

4 結束語

工程上沒有完美的技術，但有恰當的設計。CEMS方案的選擇和設計不但需要考慮工業在線氣體分析儀的特點，同時又必須符合相關環保法規和標準，對特定污染源的監測需有良好的適應性和可靠性。不同的氣體采樣方式和分析方法在煙氣樣氣的凈化、處理方法上差異較大，應根據污染物濃度、具體背景組分以及環保處理工藝等因素選用。分析系統在保證監測準確性及響應時間的同時也應易于工程化實施，兼顧防腐、防堵的要求，以滿足長周期運行的要求，并盡可能提高系統的自動化程度，減小維護工作量。