基于cems系统的在线煤质分析系统

1、华中科技大学硕士学位论文基于CEMS系统的在线煤质分析系统姓名：赵亮申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：熊友辉20060428摘要煤质成分的在线监测对电站运行的经济性和安全性都有着十分重要的意义。通过煤质成分的实时监测可以相应的调节入炉风量及给水流量使电站锅炉的运行处于较好的经济水平，避免锅炉事故；通过煤质数据还可以实时计算出煤质发热量和锅炉效率等重要锅炉参数。目前普遍使用的煤质在线监测仪器大多价格昂贵，使用复杂，难以得到广泛利用，而运用软测量技术在线计算煤质成分节约了大量电厂成本，填补了我国煤质在线监测技术的空白。随着软测量技术的发展以及硬件传感器监测的灵敏度和精确度提高，设计了利用烟

2、气参数计算煤质元素成分的计算模型。运用在汽车油耗量监测中使用的碳平衡法，直接将入炉煤和烟气排放相对应，得到煤质成分的在线数据，并根据计算模型确定需测量的参数。在目前的 CEMS(烟气排放连续监测系统)中应用适合现场测量、反应快速的非分光红外气体分析仪和毕托管流量计等高精度测量仪器。在烟气监测软件的基础上由实时采集的烟气数据加入分析计算过程，完成煤质收到基、煤质发热量以及锅炉效率的计算，并将得到数据存入数据库。关键词：CEMS 系统烟气监测煤质分析在线测量IAbstractThe real time identification of coals quality analysis is very

3、 important to powerboilers safety and efficiency. Based the real time monitoring of coals quality analysis,stoker can adjust the amount of the air entering boiler and the amout of feedwater toimprove the boilers efficiency in time, and avoid the boiler accident. Further more theon-line monitoring of

4、 coals quality analysis can determine the coals calorific value andboiler efficiency. Almost current rapid coal analysis apparatus are too expensive andcomplicated to use for power plants, so they cant be utilized broadly. The softwarecalculating of coals quality analysis could take place of these a

5、pparatus and save the plantsa lot of cost.As the development of soft measuring technique and sensor hardware, this paperpresents a model using the gas parameters to calculate the coals quality. Base the currentmethod, choose more suitable parameters using the carbon balance method which is used inve

6、hicles gasoline consumption measuring to simplify the calculation. Use the coals grossentering the boiler and its corresponding gas emission to evaluate the coals quality. Choosethe NDIR air analysis apparatus and Pitot tube using in the CEMS (continuous emissionmonitoring system) which are more sui

7、table for plants environment and more precise. Thecalculating software is based the CEMS data collection system, adding the coals qualityanalysis and boiler efficiency calculating part, and create a database for user to inquire andcompare the history data.Keywords: CEMS system gas monitoringIIcoals

8、analysison-line identification独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数

9、据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在_年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日1绪论1.1 前言煤炭作为我国最丰富的化石资源，为我国的工业生产、人民生活以及其他产业的发展提供了稳定的能源支持，我国的电力能源结构中火电占70%以上，因此火力发电在电力工业中有着非常重要的地位。目前，我国火力发电的总装机容量已达4.4亿千瓦，而且仍以每年5050万千瓦的速度递增。而在我国大部分电站运行中还存在着巨大的资源浪费，如果仅通过改造锅炉的燃烧效率，节能效率就可达26%，按2003年能源消费水平计算，

10、可节约燃煤约4.35亿吨。1煤质的在线监测针对煤质的多变性，对锅炉运行的安全性和经济性都有十分重要的意义。我国幅员辽阔，煤产地众多，火电生产动力用煤品种繁杂，成分区别较大。火电厂燃煤煤质多变，如果调整不及时，就会严重影响电厂的安全经济运行。锅炉运行时，一旦煤质发生变化，给煤、送风调节不及时会对锅炉燃烧经济性产生一定影响，甚至会引起燃烧不稳定、燃尽率低、集灰结渣、超温爆管等一系列问题，而燃烧设备对煤种的通用很难实现，因此实现煤质成分在线监测对优化燃烧系统、及时调整燃烧条件、最大程度地使锅炉运行与煤的燃烧特性相适应都会有相当大的益处。在燃烧设备无法变动的情况下，由在线得到煤质成分对入炉煤进行混配，

11、使其更接近设计煤质，从而提高整个锅炉机组的效率。同时，由煤质成分得到的发热量数据不仅是燃煤计价的依据，同时也是进行发电机组实时效率监测和能损诊断的重要参数，实时计算得到的锅炉效率对锅炉燃烧优化的研究，锅炉故障的分析都有十分重要的作用。23目前电厂大多缺乏煤质成分的在线监测手段，传统的煤质分析方法主要为离线取样化验，其滞后时间长，缺乏时效性，而且不可避免的带有取样误差。而近年来新兴的在线煤质快速分析装置大多价格昂贵、操作复杂、不易维护，因此难以得到广泛的应用。通过软测量技术获得煤质在线数据既为电厂节约成本又可以实现电厂的实时运行监控、经济性评估，这对实际生产的指导有着重要的意义。11.2 课题研

12、究的背景及现状在传统的煤质分析化验中，一般采用干燥法或蒸馏法测量水分，用灼烧法测量灰分和挥发分，用氧弹测量煤质发热量。这些方法过程繁琐，分析时间较长，一批煤样的分析周期为6-8小时。往往是今天取样，明天提供煤质分析报告，这将不能及时、有效地得到入炉煤的煤质情况，远远不能满足锅炉燃烧调整和事故分析的需要。因此需要煤质的在线监测系统来弥补这方面的空白。目前应用于煤质在线快速分析的技术主要有放射性射线煤质灰分监测，微波法煤质水分检测，近红外煤质分析以及瞬发 射线中子活化煤质分析法。其普遍的特点是结构复杂，成本较高，维护不便。其中灰分和水分仪只能对煤质元素的部分成分作出测量，较难对煤质情况作出全面的判

13、断。以上缺点使得煤质在线快速分析设备较难在我国得到广泛应用。同时，这种监测手段直接在燃煤入炉前进行测量，而无法获得燃煤进入锅炉后燃烧时的信息，缺乏对锅炉运行时的全面监控。使用这类在线测量技术仍需要烟气测量参数以及蒸汽参数等来完成锅炉效率的计算，因此其煤质在线测量数据对锅炉运行的指导作用有限。近年来，随着传感器硬件以及多种测量技术的进步，以计算机为核心，建立软测量模型，利用较容易测量的辅助变量和离线分析信息去映射不可测或难于测量的变量，使通过烟气参数计算煤质成分并实现在线监测成为可能。另一方面虽然我国自04年开始实施火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2003）4规定08年以前所有火电机组

14、均应安装符合火电厂烟气排放连续监测技术规范5（HJ/T75-2001）的烟气排放监测系统，但实际上在已安装的近400套CEMS系统中能够正常使用获得完整数据的仅占20%，这一方面是由于系统硬件上的不完善，同时也表明各电厂对烟气参数不重视、使用率低。通过软测量技术利用烟气参数计算煤质成分既达到了锅炉运行监测的目的，又合理利用了现有资源，为电厂节约了大量成本，为CEMS系统在我国的推广、应用起到了一定的促进作用。基于软测量技术在线计算煤质成分这一设想最早由美国的Energetic System公司62于88年开始进行研究，并成功开发出Input/Loss技术 ，这种技术由各种烟气参数入手，从烟气参

15、数中提取煤质信息，并结合汽轮机参数对锅炉效率进行在线监测，同时这种技术利用发散测量的烟气参数还能对烟气管道泄漏或异常的热力损失进行监控。输入损失技术经过10年的测试研究已成为一种较成熟的技术开始应用于各国的电厂中。而我国至02年才有山东电力研究院开始从事煤质在线分析的软测量实时监测技术的研究7-9，已成功在一台300MW的机组上试运行成功。但这种煤质在线监测软测量技术的稳定性、普遍适用性还有待改善，尚未得到广大电厂的认可，还有大量的研究测试工作需要做。1.3 课题研究的主要内容和方法煤的组成分析方法主要分为工业分析和元素分析两种。工业分析组成是用工业分析方法得到的规范化组成，该组成可以给出燃料

16、中可燃成分和不可燃成分的含量，主要包括水分、灰分、挥发份和固定碳四种成分。该分析方法常用于电厂的煤质分析，对燃烧器结构及操作运行条件影响很大。10-12元素分析是测定煤中碳、氢、氧、氮、硫五种基本元素的质量百分比。这五种元素是煤的主要成分，其中碳、氢、硫是煤中的可燃元素，碳是煤中有机质的主要组成元素，是发热量的主要来源。与碳相比氢元素具有较大的反应能力，单位质量的燃烧热也更大，但是含量较少。硫发热量较低，含量也较少，其燃烧产物SO2、SO3为烟气排放中的主要污染物，是造成环境污染的主要元素。氧、氮元素并不参与燃烧，但氧元素在燃烧时会约束可燃元素碳、氢，并影响煤液化、炼焦等过程，氮元素在燃烧中生

17、成NOx，也是主要的气体污染物，但氮元素在煤质中含量一般较少。对于煤质的元素组成根据不同的计算标准常采用四种“基”来表示。应用基（收到基）：以包括全部水分和灰分的燃料作为100%的成分，亦即锅炉燃料的实际应用成分，应用基成分的表示符号为 Car , Sar , Oar , Nar , Har , Aar , Mar 。分析基：以去掉外在水分的燃料作为100%成分，亦即实验室内进行燃料分析时的分析试样成分。分析基成分的表示符号为： Cad ， Sad ， Oad ， Had ， Nad ， Aad ， Mad 。干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%成分。燃料在开采、储存及运输过程中，水分会变

18、化，这将引起应用基其他成分的变化，为了准确比较燃料中的灰分，采用干燥基成分，它不受水分变3化的影响，它的表示符号为 Cd ， Sd ， Od ， Nd ， Hd ， Ad 。可燃基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分。同一种燃料的灰分随开采、贮运、加工情况而变，燃料的可燃基成分能更准确的反映出燃料的实质，便于区别燃料的种类，它的表示符号为Cdaf ， Sdaf ， Odaf ， Ndaf ， Hdaf 。13动力煤的主要性质还表现在发热量、灰熔点、可磨性等方面。煤的发热量是指单位质量的煤在完全燃烧时所释放的热量，根据是否计入燃烧产生的水蒸汽汽化潜热还可分为高位发热量和低位发热量。煤灰的熔

19、融性指煤灰在一定的高温区间逐渐熔化的特性。可磨性则表示煤被磨碎的难易程度。本课题提出的是入炉煤收到基分析和发热量的实时监测技术，以煤质的收到基成分为主要监测对象，同时可以得到煤质元素分析成分以及低位发热量等煤质参数。它首先利用煤质的组成特性的基础性研究结果和物质守恒原理，建立煤质元素成分与烟气成分之间的平衡方程，直接计算煤质收到基含量，再由煤质元素成分计算发热量，结合烟气参数和锅炉参数计算锅炉效率。然后由需要测量的参数出发，选取适当的烟气成分分析仪、流量仪等测量设备，构建一套完整的监测烟气参数和为计算煤质成分服务的锅炉运行在线监测系统，它不但包括硬件传感器等测量仪器，而且提供了一套计算软件，可

20、以实时采集烟气、入炉煤流量等锅炉运行相关的参数，并建立数据库储存测量和计算所得的数据。其技术难点在于选取烟气和锅炉监测参数求解煤质元素成分以及根据需测量参数构建包括烟气监测，数据采集，数据分析、储存在内的一套完整监测系统。根据课题研究计划，主要工作内容有：1）分析研究火电厂烟气连续监测系统的工作原理，控制流程以及各种气体分析仪器的工作原理。2）根据煤质发热量和锅炉效率计算方法设计其他在线测量参数（包括入炉煤流量，飞灰含碳量等）及掌握其在线测量方法3）建立煤质元素成分计算模型，并由煤质元素数据计算发热量及锅炉效率4）由煤质发热量及发电量的在线数据对燃煤质量进行评估5）编写数据采集、计算软件，实现

21、数据的实时采集和计算，并建立历史数据库进行存储42煤质在线监测技术简介2.1 硬件式煤质在线监测技术从上世纪70年代开始，以快速 中子活化分析技术为代表的一系列在线煤质元素分析检测设备开始起步研究，并逐步在实际中得到应用。这些在线监测技术和设备主要的特点是无需采样，不受煤质变化的影响，在入炉煤的运输带上即完成煤质成分的分析。但由于这类设备大多投资较高，至今还没有得到普遍应用。本章对主要的几种煤质在线监测技术进行介绍并作出简单的比较。14-182.1.1 放射性煤质灰分监测对应用放射性监测灰分，依据放射性射线与煤炭的相互作用的不同，通常有低能 射线法、电子对生成淹没法和中子辐射活化法三种，此外还

22、有天然 射线法。低能 射线法因其仪器结构较简单、价格也较低廉，因此被工业部门广泛采用。此法主要是采用铯和镅这类发射低能 射线的核素作为放射源，检测灵敏度较高。其基本原理为：当一束准直 射线透射被测煤层时会发生衰减作用，其衰减程度取决于煤样层的质量厚度（ x ）和质量衰减系数 L 两个因素，并遵循下列指数方程衰减：I = I 0 exp L x（2-1）煤对低能 射线的质量衰减系数与煤中所含的高原子序数元素的质量百分含量有关。在某一确定条件下，x 可视为不变，I 和 I 0 可通过多（单）道仪实测，这样就可以求出煤对低能 射线的质量衰减系数，然后得到煤中灰分值。由于单源低能 射线在用于在线监测，

23、特别是带式输送机上煤流中灰分的监测时， 图2-1 双能 射线穿透法在线灰分检测原理图5受到质量厚度影响较大，监测精度低。为了克服这一缺点，澳大利亚 MCI 公司成功研制了双放射源在线灰分监测仪。目前华能上海石洞口电厂使用的 LB420 测灰仪和西北电力集团燃料公司研制的 TN-200 型测灰仪都是采用双能 射线穿透法进行煤质测量的。放射性射线灰分监测技术相对开发较早，技术较为成熟，目前陆续开发出的单源 射线反散射法，天然 射线法都具有较高的测量精度，且其放射性危害逐渐得到控制，已得到一定范围内的应用。但由于测量数据单一，性价比不高，所以仍未得到广泛的使用。2.1.2 微波法煤质水分检测用于燃煤

24、水分在线检测的技术较常见的有电容法和微波法两种。后者较前者相对抗干扰能力强、稳定性好、检测速度快，同时还具有不接触、不破坏被测煤样的优点，所以近年来被广泛应用于在线实时检测。微波法的基本原理为：煤炭是一种不良导体，其介电常数大致在 23 左右，随着煤的变质程度而各不相同，而水的介电常数却高达80 左右。因此，当煤中含有水分时，其煤的介电常数发生很大的变化。而微波有一种特性，在传输过程中遇到任何介质都要产生电磁场能量的衰减，即任何介质对微波电磁场能量都有吸收，具有不同介电常数的物质吸收微波能量的能力也不相同。微波能量的吸收（衰减）值，可按下式计算：L(dB) = 8.686 B N Kl + r

25、（2-2）在线微波水分仪就通过测量通过煤层的微波的强度和速度来计算煤中水分的含量。通常将水在煤中的附存状态分为三种，一是存在于煤的外表面及其裂缝间的水分叫做表面水分或自由水分。二是与其他矿物质相结合形成含水化合物称为结晶水；再者就是存在于煤中细微毛细管中的水分，由于这种水分子具有双极性，极易被煤中的最活跃中心固体饱和配位的原子所吸附而成为物质分子的叫做内在水，但这种水与煤结合脆弱，很容易受到微波作用而被检测到。表面水分和内在水分之和称为全水分。从理论上讲，微波法检测的水分，只包括表面水和内在水而不包括结晶水，因为它和冰一样受微波照射后，其中水分子不能按照介电场结构发生旋转，因而也就不会6产生微

26、波能量的衰减或相位移现象。由于微波水分监测仪仅能获得煤质中水分的含量，一般不单独使用，而是与灰分仪等搭配使用以获得较全面的参数。2.1.3 近红外煤质分析近红外线是指波长在780-2526nm范围内的光线。当近红外线照射到要分析的物体上时，由于组成物体的化学键不同，会产生某些特征波长的吸收，吸光度的多少与成分含量的大小有密切关系。由于固体对近红外线波长的吸收较弱，因此适用于漫反射技术，根据其漫反射光谱就可以分析物体成分。图2-2 近红外测量原理煤质的近红外线检测就是从煤质的漫反射光谱上，得到煤质的特征波长，通过对煤质特征波长的吸光度分析可以得到煤质分析结果。分析方法是首先找到要测煤中成分的所有

27、相关特征波长，根据相关波长吸光度的大小，通过数学模型计算可以得出要测成分含量的高低。一般来说，成分含量大，吸光度就高。该技术在应用中尚有不少难点需要解决，包括开发的在线检测仪器要精密、耐用以适应电厂的恶劣工作环境；煤样的近红外漫反射信号很弱，现场煤粉的细度、堆积密度等状况对近红外光谱方法的影响都较大。2.1.4 瞬发射线中子活化煤质分析法瞬发射线中子活化分析法最近由美国 Gamma Metric 公司和澳大利来 MCI 公司7相继推出的一种检测煤质成分的新方向，简称 PGNNA 技术。它实际上是放射性射性灰分监测技术的一种扩展技术，在测量煤质灰分含量的同时还可检测煤中其它众多成分含量（含间接计

28、算）。其基本原理是：利用热中子和原子核之间的亚原子反应，当热化中子或慢化中子冲向煤样中各元素原子核附近时就被原子核吸收，此时原子核变成激发态，激发态原子核是极不稳定的，它立即释放出表征该元素的特征 射线，从而恢复到稳定态，并释放出 射线，我们就可依据这种特征 射线的强度确定煤中各成分含量。由于各元素原子核活化后发射出不同能量的 射线，这种 射线能量与元素本身的属性相关。因此可依据特征 射线识别元素，再按 射线峰值高低检测出各元素在煤中所占份额，同时，也可依据各元素与煤质相关性间接获得煤中某些成分和若干与成分相关性较好的物理特性如发热量、灰熔融和可磨性等。PGNNA技术近来已逐渐得到电厂的认可，

29、但由于所需投资较高还难于被一些中小电站所接受。2.2 煤质在线监测的软测量技术与以上通过硬件设备直接在皮带上测量煤质成分的技术相比，软测量技术通过排放的烟气参数来反向计算煤质成分。烟气参数不但含有煤质成分的信息还带有煤粉在锅炉内燃烧时的信息，因此使用软测量方法能更全面的判断锅炉的运行情况。同时软测量只需烟气测量装置以及一台计算机即可完成，相比煤质在线监测装置投资较省，易于被电厂接受。最早开始进行软测量煤质在线分析技术研究的是美国的EnergeticSystem公司，并开发出Input/Loss技术投入实际应用，获得较好的效果。我国山东电力研究院也与02年开始从事这方面的研究，也取得了一定的成果

30、。2.2.1 Loss/Input 技术19-25输入损失技术自88年开始研究开发，经过10年的实验测试已形成一套完整锅炉运行监控系统。该技术由烟气成分分析数据出发，通过发散测量方法对CO2、O2的排放进行测量，通过烟气与入炉煤的物质平衡建立方程，求解煤质元素成分含量以及发热量，8再由汽轮机的蒸汽参数计算锅炉的有效吸热，采用反平衡法计算锅炉效率，并得到进入锅炉的热量，最终获得入炉煤的流量。输入损失技术不仅通过软测量技术获得煤质成分，锅炉效率，入炉煤流量等重要参数的在线监控，而且通过烟气排放的发散测量对整个锅炉的能流率和散热损失进行监控。该系统的功能已扩展到烟气管道泄漏的探测以及其他锅炉故障的预

31、警和在线监控。该技术主要运用发散测量技术并采用多为最小化技术加以校正以获得较高精确度的测量参数，因此需要安装较多高精度测量仪器，提高了成本。同时该方法采用摩尔含量为计算标准，不适合国内的电站采用。2.2.2 国内开发的软测量技术02年始，山东电力研究院的刘福国在输入损失技术的基础上开发了适合于国内电站使用的煤质在线测量的软测量技术。其基本原理与输入损失技术基本相同，在煤质成分计算中采用国标GB10184为计算标准，将摩尔成分改为收到基含量。计算煤质成分的平衡方程组中加入C-H，C-O含量的线性关系经验方程。煤质成分的迭代方程为：(0.0889 yCO 2 0.01866)Cdaf + 0.03

32、3 yCO 2Sdaf + 0.265( 0.21) yCO 2 Hdaf+0.033(0.21 ) yCO 2Odaf + 0.008 yCO 2 Ndaf = 00.0889 ySO 2Cdaf + (0.033 ySO 2 0.007)Sdaf + 0.265( 0.21) ySO 2 Hdaf+0.033(0.21 ) ySO 2Odaf + 0.008 ySO 2 Ndaf = 0Hdaf = A1Cdaf + B1Odaf = A2Cdaf + B 2Cdaf + Sdaf + Hdaf + Odaf + Ndaf = 100（2-3）（2-4）（2-5）（2-6）（2-7）其中

33、yCO 2 ， ySO 2 为测量的烟气中的 CO2、SO2气体体积百分含量； 为空气过量系数； Cdaf ， Sdaf ， Hdaf ， Odaf ， Ndaf 为煤质干燥无灰基。该方法在计算煤粉的水分时仅考虑了入炉煤处的水分散失，它利用入炉煤流量、环境温度、风粉混合物的温度、磨煤机功率等参数经过较复杂的迭代计算得到入炉煤中水分的含量，对于实际进入锅炉的煤粉水分仅通过经验公式由磨煤机出口风温和煤粉细度计算得到。该技术的关键是灰分的迭代计算。首先通过预设的灰分值分别采用正反平衡法计9算锅炉效率，再通过两者的差值对预设的灰分值进行修正。采用正平衡法计算锅炉效率时还需要计算锅炉的有效吸收热量，因此

34、还需要部分汽轮机参数。该迭代算法对数据的扰动较为敏感，锅炉效率数据如产生 0.1 的变动，计算灰分值则会有大约 1 左右的变动。因此对测量精度要求较高。与输入损失技术相比，国内的算法同样也能对锅炉的整体运行进行监控，只是迭代算法过程有较多因素的干扰，如锅炉本体的泄漏，烟气各级管道的泄漏，飞灰含碳的影响等，因此须对计算结果进行一定的修正。而且该方法对入炉煤的煤种适应性不高，在每次计算前都需要计算经验公式中系数，因此需取实验分析数据作为参考。103CEMS 系统的组建烟气排放连续监测系统（Continuous Emission Monitoring System，简称CEMS），是监测烟气污染物排

35、放的现代化手段，可连续监测污染物（SO2、NOx、烟尘等）以及烟气内其他气体的排放浓度和排放总量。自1997年开始实施火电厂大气污染物排放标准首次从法规层面上对我国电厂提出装设CEMS的要求，自此我国大批电厂开始安装CEMS系统。煤质在线监测的软测量需要全面的烟气参数，包括CO2、SO2、O2等气体成分的百分含量、烟气流量、烟尘浓度、烟气温度、压力、湿度等，这些都可以通过CEMS系统获得在线数据，同时由于软测量技术是通过直接测量的在线数据去映射未知参数，这就需要较高精确度的烟气在线数据。因此合理选择测量仪器和测量方法组建CEMS系统是实现煤质在线监测的首要条件。26-283.1 CEMS 系统

36、的结构及工作流程CEMS由烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数测试子系统、系统控制及数据采集处理子系统等组成，如图3-1所示。CEMS通过采样方式或非采样方式，测试烟气中的污染物浓度，并同时测试烟气温度、烟气压力、烟气流量、烟气湿度、含氧量等参数，按国家有关标准显示与记录，实现烟气排放监测的在线性、连续性、准确性及数据处理的完整性。其流程图如3-2所示。一般说来，CEMS包括以下部分：1）气体采样系统：包括采样探头，探头控制器等2）气体分析仪：SO2、NOx、CO2、CO等3）激光测尘仪4) 流量计5）测氧系统6）稀释空气系统：包括空气净化装置、除水器、缓冲罐等7）校准系统：包括

37、零气系统和各种标准气体SO2、NOx、O2等11图3-1 CEMS系统的结构组成图3-2 CEMS系统的流程图烟气连续监测系统按取样方式的不同通常可分为三类：采样式烟气连续监测系统、在线式烟气连续监测系统、遥感监测系统。3.2 CEMS 系统的技术分类3.2.1 采样式 CEMS 系统采样式 CEMS 系统，从烟道中抽取样气并进行调节和分析，分为冷采样法、热采样12法和稀释采样法。一套采样式烟气连续监测系统可带多套采样探头。冷采样法获取的是去除了颗粒物和水分的烟气中气态污染物浓度。系统由各自独立的多个辅助单元组成，用于完成气样的抽取、输送、调节、处理和分析。气样在进入采样探头前经过滤器去除颗粒

38、物，然后经采样管输送到远端的分析柜中，分析柜中集成了气样调节，预处理单元以及各种分析仪器(如:SO2、NOX分析仪等)。受采样泵功率和响应时间的影响，该输送距离一般不宜大于 120m；输送距离越长，所需采样泵的工作功率越大，系统响应时间就越长。冷抽取式 CEMS 对气样的抽取，调节和处理要求非常高，必须尽可能减小腐蚀性，以利于系统的保养、维护、延长系统寿命并提高测试的准确度。此类 CEMS 的缺点是在冷凝除水的同时，有些可溶性的气态污染物(如 SO2、NOx)被部分除去，造成测量误差。一般情况下，此误差在允许范围之内。热采样法除了样品必须保持高温和不必预先除水外，和冷抽取式 CEMS 系统一样

39、，烟气中的颗粒物在进入探头之前必须被除去，然后，气样经加热器，加热管路输送到远端的分析仪。为了防止水汽凝结，要求烟气在通过整个 CEMS 系统(包括抽取管路，输送管路和分析仪样品池)时，温度必须保持在烟道气温度之上，一般为 120-150。加热单元是此类 CEMS 中比较重要的部件，可防止出现酸性气体在气样管路和分析仪中凝结而导致系统腐蚀，测量误差等问题。加热方式有电加热和蒸汽伴热。目前一般采用电加热方式，加热管的加热功率为 50-100W/m。该系统的优点是气样未经任何处理，保持了烟气中各类物质的物理，化学状态，无可溶性气体溶解损失，提高了测试结果的准确性，但价格比较高。3.2.2 稀释采样

40、法 CEMS 系统稀释采样法是通过空压机把洁净的零气送至稀释器，瞬间稀释并降低高浓度的烟气露点和温度，然后再分析其中污染物的浓度。由于采用干燥、无油、清洁的空气来精确稀释气样，一般不需要对气样进行加热或其他处理。同样，颗粒物必须在烟气进入探头之前除去。由于通常采取大比例稀释，抽烟气量少，探头过滤器的使用时间大大延长；同时由于采用了精确稀释，降低了烟气露点，且稀释比越高，气样的露点越低，酸性气体腐蚀和凝结问题就越小。该系统的优点是不必去除烟气中的水分，污染13物的浓度可以通过常规监测仪器进行测量。使用稀释抽取式 CEMS 准确进行烟气连续监测的核心在于如何正确地选择稀释比，若稀释比选择不正确，烟

41、气露点不能降低到最低环境温度以下，将导致酸性气体腐蚀，水分凝结，测量误差等。稀释比的选择有定性和定量两种方法，当定性和定量法所得结果不一致时，优先选用定量法。根据不同情况，稀释比可从 12：1 到 700：1。考虑到对测试结果的放大效应，稀释比一般不宜超过 250：1，否则要考虑对采样管线进行伴热。根据气样稀释场合的不同，稀释抽取式 CEMS 又可以进一步分为烟道内稀释和烟道外稀释两种。烟道内稀释是在探头尖嘴端安装过滤器和临界小孔，过滤器由玻璃绒或绕结材质制成，耐腐蚀，过滤性能好。必须注意，该系统的采样探头必须定期从烟道中取出进行维护。烟道外稀释是指气样在抽出烟道之后进行稀释，该系统采用惰性过

42、滤技术，利用引导器或者其他高流速装置引导气样通过过滤器。该系统不需要取出采样探头来维护。3.2.3 在线式 CEMS 系统在线式 CEMS 系统又称横跨烟道烟气连续监测系统或现场监测系统，不抽取烟气，而是直接测量烟道中的烟气成分。分为两类：“点”和“线”系统。“点”监测系统，由电化学或光电传感器组成，传感器安装在探头的端部，插入烟道，测量离传感器仅几厘米范围内的烟气中污染物的浓度。“线”监测系统，是使光通过烟气，利用烟气中被测污染物对光的吸收，进行测量。该系统又分单光束和双光束两种。单光束是由烟道一侧的发射装置发射，通过烟道后被烟道一侧的接收器接受。双光束是发射的光被烟道另一侧的反射镜反射回来

43、，发射器同时又是接受器，它检测返回的光强。该系统的优点是几乎不考虑烟气组分，仅根据气流分布状况，将其安装在烟道的合适位置；湿基分析时不必进行样气预处理，瞬时性强。此类 CEMS 采集的是不连续的截面浓度或者是横贯烟道的平均浓度。该系统的缺陷:(1)不能现场动态校准零点和满量程校准时必须排除烟道或烟囱内部的烟气，由校准气体取代。(2)受烟道或者烟囱的直径(光程)限制光程越长需要的发射光强度就越强。(3)系统直接安装在烟道或者烟囱上。设备体积较大，同时由于安装场合的热力、14腐蚀以及本体的振动影响，致使仪器易损且维护工作量和强度较大。(4)单点测量，多点测量时要求配置多套系统。因此，在线式 CEM

44、S 在我国应用较少。3.3 CEMS 主要测量参数根据国家环境保护局的规定，烟气排放连续监测（CEMS）的项目主要包括：1） 颗粒物：颗粒物是指燃料和其他物质在燃烧，合成，分解以及各种物料在机械处理中产生的悬浮于排放气体中的固体和液体颗粒状物质，如烟尘。2）气态污染物：包括二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NO、NO2、NOx）。3）烟气参数：为了计算标准状况下的烟气体积，需要测量烟道内的压力，温度；为了计算总的排放量，需要测量烟气的流量，同时还必须测量烟气的湿度。本课题采用碳平衡法计算煤质成分，该方法原应用于汽车油耗量的检测计算中，其基本原理为通过检测汽车尾气排放流量及成分含量对应燃油的主要物质

45、成分来计算燃油的消耗量。将此方法应用于锅炉中，取烟气排放的气体成分含量和总排放量数据对应同时间内的入炉煤流量可以得到煤质中主要元素成分的含量。由这一思想为出发点，可以得到需要的烟气参数包括主要气体CO2、SO2、O2等的百分含量，烟气流量，烟气温度。在计算中还需要飞灰含碳量数据对碳元素含量进行修正，因此也需要烟尘百分含量的检测数据。计算中，烟气成分含量，烟气流量直接与煤质成分直接相关，对计算结果影响较大，因此测量精确度要求较高，需采用较为精确的方法进行测量。3.4 采样系统为提高设备使用寿命和精确性，采用稀释采样式CEMS系统进行测量。稀释采样式CEMS系统中采样设备有较高的要求。1） 采样探

46、头稀释采样的采样探头只不过是插入烟道的一根贯通的金属管，它仅适合于在没有颗粒物的烟气中采样。然而用连续排放监测系统测量的排放烟气中不含颗粒物的情况几乎是没有的。由于贯通式金属管易被烟气中的颗粒物堵塞，特别是烟气含湿量高时，15水蒸气可能冷凝，与颗粒物结合在一起形成块状物，更易使探头堵塞。为减少堵塞，应在探头的一端安装过滤器。过滤器由烧结不锈钢或多孔陶瓷材料制成，防止颗粒物进入采样管。烧结金属由微米粒径的金属颗粒物在高温，高压下压缩而成，金属形成的孔隙度与压力有关。烧结不锈钢能滤去 10-50m 粒径的颗粒物，常作为探头过滤器。对任何一个完好的抽取系统，都可能出现堵塞过滤器的问题。为了减少堵塞，

47、采用高压气体，即工厂的压缩空气或 4.22-7.04kg/cm2的空气，与正常气流流向相反的方向反吹过滤器。反吹持续时间和周期可由用户根据烟气中的颗粒物的特性和浓度设定。使用反吹系统时，必须注意防止反吹气体冷却探头，造成酸性气体和其他气体冷凝。2） 采样管采样管把进入探头的样气送至调整系统或分析仪。为了使连续排放监测系统顺利的运行，需要确保采样管线中的烟气不会结露。因此为了确保测量精度和保证测量系统尽可能小的维护工作，应加热输送气体，加热温度应等于或高于烟气温度，故选用具有伴热特性的耐腐蚀聚四乙烯采样管线。采样管的长度离安装在烟道上的系统不少于 61-91cm，但最常见的长度为30.5-72.

48、6m。加热采样管与探头以及加热采样管与除湿系统之间的连接处的加热与保温也是重要的，否则冷却部位可能扩展，最终导致管路被堵塞和腐蚀。气体流过采样管的时间取决于采样管的直径，长度和流速。由下式可粗略计算滞后时间：t = V / QSL（3-1）式中： t 滞后时间，minV 采样管体积，LQSL 气体通过采样管的流速该式是简单的表达式，前提是气体流动时管壁没有摩擦力。但它说明，如果采样管的长度增加，滞后时间将随体积增加而延长。3） 冷凝系统和干燥器在热烟气进入采样泵前，通常要除去湿气，因为水蒸气和酸雾容易在未加热的泵16上冷凝并腐蚀内部器件。烟气受冷超过露点（空气被水饱和时的温度）时就会引起湿气冷

49、凝。许多除湿系统设计成将烟气温度降低到露点以下。在采样实习系统中，最常见的是冷凝系统和干燥器，与预计的采样流速和烟气的含湿量相匹配，能快速的从气流中分离冷凝水，减少湿气与干气的接触。3.5 气体分析仪的选取及其原理气体成分含量是CEMS系统的主要测量参数，因此气体成分分析仪成为CEMS系统的主要测量设备。气体分析仪经过数十年时间的发展已开发出多种不同类型不同功能的产品。其基本原理均由不同气体对特殊射线的光谱吸收为出发点，现有分光红外和非分光红外两大类气体分析仪，且在CEMS系统中都有一定的应用。本课题既需要高精度的气体成分分析数据同时也考虑投资成本和现场环境测试需要选用非分光红外气体分析仪进行测量。29-313.5.1 分光型红外分析仪29红外分光型气体分析仪器由以下基本部分组成:红外光源(红外热辐射型，波段在2-15m)、调制器、分光系统、气室、探测器和电子系统。分光型仪器的多样性在于分光系统组成部分的变化和改进。目前分光系统主要有滤光片、光栅、干涉仪、声光调制滤光器和傅立叶变换型等。1）滤光片型 滤光片型应