烟尘烟气连续自动监测系统

烟尘烟气

连续自动监测系统

（CEMS）烟气连续排放监测系统：ContinuousEmissionMonitoringSystem，简称

CEMS该系统对固定污染源颗粒物浓度和气态污染物浓度以及污染物排放总量进行连续自动监测，并将监测数据和信息传送到环保主管部门，以确保排污企业污染物浓度和排放总量达标。1概述1.1CEMS的含义污染物烟气参数主要监测对象（“十一五”期间）颗粒物气态污染物SO2NOxCO、HCl氧含量烟气流速烟气湿度温度、压力颗粒物监测子系统气态污染物监测子系统烟气排放参数监测子系统数据处理子系统1.2CEMS的组成要求符合HJ/T75—2007和HJ/T76—2007气态污染物测量原理颗粒物测量原理含氧量测量原理流速测量原理烟气湿度测量原理1.3CEMS的测量原理红外光谱法紫外光谱法紫外荧光法（SO2）化学发光法（NOX）紫外差分吸收光谱（DOAS）法1.3.1气态污染物测量系统原理完全抽取系统稀释抽取系统直接测量法？浊度仪光通过烟气时光强度的变化，测量透过率光散射检测仪光通过烟气时，在预设角度测量散射光的强度闪烁法1.3.2颗粒物测量系统原理氧化锆分析仪（湿基氧浓度）顺磁氧分析仪化学电池（便携式）1.3.3含氧量测量系统原理皮托管差压法热传感系统超声波流速检测仪1.3.4流速测量系统原理直接测量：电容式传感器干湿氧法1.3.5烟气湿度测量系统原理气态污染物连续监测的对象主要为二氧化硫、氮氧化物、氯化氢、硫化氢等有害气体和一氧化碳、二氧化碳等燃烧物，主要对其进行排放浓度和排放量的计算，同时监测氧含量。2气态污染物监测系统连续监测的采样方式直接抽取法是直接抽取烟道中的样气进行分析的方法。存在问题：1烟气中气态污染物的浓度范围大2分析仪器对样品气体的洁净度要求很高3样气进入分析仪器时待测组分没有损失2.1直接抽取式CEMS采用红外吸收和紫外吸收等测量原理配套烟气处理系统直接抽取系统是直接从烟道或管道抽气、滤除颗粒物，将烟气送入分析仪的系统。依据配套的烟气处理系统的区别，该系统可分为三种类型：“热—湿”系统；在探头后装有“冷凝—干燥”系统；在分析仪前装有“冷凝—干燥”系统烟气中气体成分复杂，含水量高，有些成分如HCl、NH3极易被吸附，测量难度很大，例如垃圾焚烧排放。SO2和NOx遇冷凝水造成损失，并且腐蚀管路和分析仪器。热—湿法是采用专用的加热采样探头将烟气从烟道中抽取出来，过滤后经过伴热传输，使烟气在传输中不发生冷凝，然后进入分析仪进行分析检测。2.1.1热—湿系统采用直接高温测量方法，能够对包括水和HCl、NH3在内的污染物进行多组分同时测量。测量过程中气体不降温，气体成分不变，腐蚀减少。在高温状态下进行粉尘过滤，取样和反吹操作，提高了效率。2.1.1.1热—湿系统的特点必须小心维持从探头到分析仪所抽取的气样的温度高于露点。如果加热系统发生故障，湿气将迅速地冷却并污染整个系统，由此可能会腐蚀系统的部件、造成堵塞，甚至会引起分析仪故障和损伤，致使整个系统崩溃。不利于检修2.1.1.2热—湿系统的特点2.1.1.3热—湿系统流程图样气处理：在气体进人分析仪前，在不损失或尽量少损失待测组分的前提下，对样气进行除尘以及降温除湿处理，获得冷却和干燥的样气。处理位置可在探头后面或分析仪器柜前面。采样后直接在探头后处理的方式称为前处理方式，采样后将样气输送到分析仪器柜前处理的方式称为后处理方式。2.1.2前处理方式测量结果为干烟气计量分析仪器多样化样气采样后经过除尘、除湿处理，输送过程中可避免水冷凝造成的有关问题。无需加热采样管系统相对简单，组件易于改进和更换。探头部分比较复杂，不利于检修。虽然采样气体是干气，传输距离仍然影响样气浓度。2.1.2.1前处理方式的特点样气经过过滤器后被输送至伴热带输气管路，通过两级冷凝脱水，再经细过滤器后进入分析仪，对烟气含量和浓度进行分析。与热—湿系统不同：经过降温、除湿处理，可以选用多种分析仪2.1.3后处理方式需要加热采样管存在冷凝水的相关问题系统简单，能灵活适应工程变化系统组件易于改进或更换2.1.2.1后处理方式的特点抽取系统的基本部件主要包括：采样探头采样伴热管过滤器除湿系统采样泵气体分析仪等。2.1.4抽取系统的部件2.1.4.1采样探头采集烟气，安装过滤器和加热器过滤器：过滤烟气中的颗粒物。一般由烧结不锈钢或多孔材料制成。加装反吹功能（0.4—0.7MPa的空气反吹）加热器：安装在组件上或绕在过滤器支撑物的外面

安装探头时与烟道成一定角度，冷凝在探头中的水和酸就会返回到烟道。2.1.4.2采样伴热管连接采样探头和分析仪器用于在样品输送过程中，加热样气，使样气的温度始终高于烟气中介质冷凝的温度。用于热—湿系统和后处理系统2.1.4.2采样伴热管实际问题：保持整个采样伴热管均匀的温度比较困难在冷凝器的低凹处，冷凝的水和酸会导致系统的腐蚀增加如果在探头处没有充分滤除细颗粒物，管路会堵塞，而从加热管中除去颗粒物是很困难的如果加热丝断了，难于发现断裂处采样管会因冷凝物或与采样管发生反应的物质而被污染，消除污染同样是困难的2.1.4.2采样伴热管安装注意事项：现场安装时要尽量减少伴热管的长度。——不超过76m从探头到除湿装置或分析仪器的整条管路，倾斜度不得小于5°避免管路弯曲，避免与其他管路绞在一起加热采样管的长度每一节不超过15m，管路内必须有3个测温探头。实际上，很多企业CEMS系统伴热管的温度传感器测量点在伴热管的末端，不能很好的反应管内温度2.1.4.2采样伴热管类型1恒功率电热带：恒功率电热带是将两根相互平行的镀镍铜绞线外缠绕铬合金电热丝，每隔一固定距离即将电热丝与导线焊接，形成一连续并联的电阻。

通过改变加热功率调节加热温度。2.1.4.2采样伴热管类型2自控温电伴热带：采用PTC材料进行加热技术PTC效应：电阻正温度系数效应(PositiveTemperatureCoefficient)，特指材料电阻随温度升高而增大，并在某一温区急剧增大的特性。具有PTC效应的材料称为PTC材料。加热时，PTC材料的电阻随之增加，当PTC达到转化温度时，PTC材料之电阻激增并大到可阻断电流，使电伴热带之温度不再升高，由此达到其自控温度的目的。2.1.4.3除湿系统将烟气温度降到水蒸气露点温度以下，除去烟气中的水份。常用方法为使用冷凝系统和干燥器。（1）半导体制冷利用帕尔贴效应制冷。两个不同导体组成的回路通电时，一个接头吸热，另一个接头放热。特点：轻便，几乎没有移动部件；无噪声，无污染；制冷量小，对环境要求苛刻。2.1.4.3除湿系统（2）机械制冷原理与冰箱类似，用循环制冷剂和散热片冷却环境温度。（3）渗透干燥器结构与换热器类似，不同之处在于采用合成材料做成的管道。这种管道的特点是只允许水蒸气通过。当管内走烟气，管外走干燥空气时，烟气中的水蒸气大于干空气中水蒸气分压，产生一个渗透压，使烟气中的水蒸气水蒸气通过管壁进入干空气中，达到除湿目的。2.1.4.3除湿系统（3）渗透干燥器特点：没有机械部件。不需要冷却水。增加干燥管的数量和长度可以调节干燥能力。当样气过滤布正常时易发生堵塞。温度控制失当时易发生冷凝。2.1.4.4采样泵采样泵是抽取系统的重要组件，用以将样气从烟道传输到分析仪器中。泵的能力应满足分析仪对抽气量的要求:够流量，够压力，不漏气，不会因润滑油而被污染。

隔膜泵和射流泵2.1.4.4采样泵（1）隔膜泵打气筒可在样气调节系统前使用隔膜泵，甚至能够在受热条件下运行。气体需要充分的过滤，泵受热要适当，最好安装在一级冷凝除湿器的后面。通过旁路阀控制流量。（2）射流泵类似于真空泵。通过喷射空气使采样系统产生真空。2.1.4.5细过滤器

粗过滤器除去样气中的大颗粒物，由于气体分析仪几乎要求完全除去0.5μm以上的颗粒物，所以要用细过滤器，放置在分析仪的前面。表面过滤器可以是除去一定粒径颗粒物的滤纸。为使气体通过，滤纸是多孔的。微孔的大小能阻止细颗粒物穿过的块状烧结滤料也用于制造过滤器，可滤去更细的颗粒物。2.1.4.6氮氧化物转换器

样气中存在的氮氧化物，常具有NO、NO2、N2O4等多种形态，其中除NO外，其他形态的相互转化极不稳定，分析NOx总量是有意义的，需要将NOx转化为NO才可对仪器进行标定和测量。

2.1.4.6氮氧化物转换器

原理：在转换器外部通过加热器加热，使转换器内部温度达到气体与转换器内转换介质催化物质工作条件，样气从转换器一端进入，在转换器内通过吸附作用将NOx转化为成分稳定的NO

2NO2→2NO十O2

2.1.5气态污染物连续监测分析仪器

一般来说，一台分析仪包含整个系统的控制/显示单元；测量单元(光学部件单元)；信号处理单元等。

2.1.5.1非分散红外分析仪

杂原子分子，即含有2个或2个以上不同原子的分子，在红外光谱区域有独特的吸收特征。

SO2和NO等许多其他气体吸收红外光和紫外光(例如，SO2吸收7300nm，NO吸收5300nm的红外光；SO2吸收280～320nm，NO吸收195～225nm的紫外光)。利用污染物分子吸收特征波长光的特点，根据朗伯-比耳定律，能够测量出不同种类的污染物含量。2.1.5.1非分散红外分析仪

对只含有相同原子分子，在红外区域不产生特有的振动，因此红外吸收技术不能够测量同原子分子，所以尽管烟气样品中含有大量的氮或氧，它们不会掩盖样品中其他气体的吸收。2.1.5.1非分散红外分析仪

非分散红外分析仪主要检测二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、氯化氢等。常用的检测方法有:简单非分散红外(SimpleNonDispersiveInfraredNDIR)；Luft检测器；红外PAS(photo-acousticspectroscopy,光声法)测量法；气体过滤相关GFCNDlR(GasFilterCorrelation)；傅立叶变换FTlR(FourierTransformIn-FrarcdSpectroscopy)；差分光学吸收光谱法(DOAS)。

2.1.5.1非分散红外分析仪

（1）简单非分散红外简单NDIR分析仪用滤光片或其他的方法测量目标分子在吸收峰中心波长比较狭窄范围内的光吸收量。通过待测物质对光能量吸收的程度检测其浓度。（朗伯-比尔定律）2.1.5.1非分散红外分析仪

（1）简单非分散红外二氧化硫在红外区域(7300nm)附近的光吸收进行浓度测量，当一束恒定的7300nm的红外光通过含有二氧化硫气体的介质时，被二氧化硫吸收，光通量被衰减，测出衰减光通量，即可求出二氧化硫的浓度。氮氧化物和二氧化硫一样，只是NO吸收光谱较弱。

2.1.5.1非分散红外分析仪

（1）简单非分散红外为了克服光源的强度和其他因素的干扰，在简单NDIR分析仪中，由光源发出光穿过两个气室：参比气室和样品气室。参比室：氮气或氢气，不吸收仪器使用波长的光，光强度的变化为光源强度变化及气体对光的散射等样品室：待测气体，待测物吸收仪器使用波长的光强度的变化为光源强度变化、气体对光的散射以及待测物对光的吸收。2.1.5.1非分散红外分析仪

（1）简单非分散红外特点：适用于测量一种待测组分价格低，可靠耐用存在光谱干扰：干扰物与待测物吸收波长范围的光水蒸气和CO2干扰较大，需要除去2.1.5.1非分散红外分析仪

（2）Luft检测器或串联气动检测器2.1.5.2非分散紫外非分散紫外分析仪在UV区运行，应用差分吸收技术。仪器测量SO2对紫外光的吸收，SO2吸收带中心波长为285nm。然后与在578nm波长处的吸收进行比较，578nm的波长处没有SO2吸收。采用差分技术，用参比波长代替了参比气室，从而计算出污染物含量。2.1.5.3紫外荧光紫外荧光方法测量二氧化硫的原理是当190～230nm附近的紫外光照射到二氧化硫气体后，二氧化硫分子吸收紫外光的能量受激发从高能级返回基态时发出荧光，荧光强度的大小反映出二氧化硫的浓度。2.1.5.3紫外荧光2.1.5.3紫外荧光

紫外荧光法对SO2的检测灵敏度很高，可以检测到ppb级的低浓度SO2，同时动态范围和线性度也比较好，因此被广泛地应用在环境空气质量监测系统中。使用紫外荧光法测量高浓度SO2气体时，需要配接稀释采样器。2.1.5.4化学发光法NOx检测仪器化学发光是由于化学反应产生的光能发射。氮氧化物等化合物吸收化学能后，被激发到激发态，在由激发态返回至基态时，以光量子的形式释放能量。测量化学发光强度对物质进行分析测定的方法称为化学发光法。2.1.5.4化学发光法NOx检测仪器由若干方法可以对NOx进行化学发光测定，最广泛使用的是臭氧的发光反应。其反应式为:NO

+O3=NO2*+O2NO2*

=NO2

+hv该反应的发射光谱在600～3200nm范围内，最强发光波长为1200nm。2.1.5.4化学发光法NOx检测仪器2.1.5.4化学发光法NOx检测仪器化学发光法测量NOx的灵敏度高、选择性好，对于多种物质共存的气体，通过化学发光反应和发光波长选择，可以不经分离地有效测定至ppb级。

线性范围宽达5～6个数量级。因此在环境监测、生化分析等领域应用广泛。因为光电倍增管信号正比于NO分子数，而不是NO浓度，所以必须小心地控制样品的流量。稀释抽取式系统在采样探头顶部，通过一个音速小孔进行采样，并用干燥的仪表空气在探头内部进行稀释，然后将稀释后的样气送入分析仪进行分析

。

由于样品气进入分析仪之前未经除湿，因此稀释抽取式CEMS的测量结果为湿基浓度。2.2稀释抽取式CEMS需要根据稀释比计算浓度。2.2.1.1稀释比稀释比=(Q1十Q2)/Q2Q1是稀释气流量(升/分)，通过调节其值，稀释比可以在一定范围内改变。将经稀释后的样品（Q1+Q2）经采样管线送至烟气检测仪。2.2.1稀释采样系统2.2.1.2确定稀释比标准1使用的监测仪的测量范围应与实际抽取的样品的预计的浓度(稀释后)一致。

例如，预计烟气中SO2最大浓度为560mg/L。SO2监测仪的测量范围为0～10mg/L。因此稀释比最小为：

560/10=56/1。2.2.1.2确定稀释比标准1

实际抽取样品稀释后的预计浓度与使用的监测仪的测量范围应一致。

例如：预计烟气中SO2最大浓度为560mg/L。SO2监测仪的测量范围为0～10mg/L。因此稀释比最小为：

560/10=56/1。2.2.1.2确定稀释比标准2

稀释比应保证在最低环境温度下采样管线内不发生水蒸气凝结。应该取得以下系统参数：最低环境温度；实际烟气中水蒸气百分含量的最大值。

例如：最低环境温度为5℃，实际烟气水蒸气最大百分含量为24%。

首先查表2-1，5℃，1×105Pa时水蒸汽百分含量为0.396。计算出最小稀释比为24/0.396＝61:1音速临界小孔采取耐热玻璃和陶瓷材质，小孔前端由石英过滤棉过滤，并经过陶瓷孔板到达小孔。小孔的长度远远小于孔径，当小孔两端的压力差大于0.46倍以上时，气体流经小孔的速度与小孔两端的压力变化基本无关，而只取决于气体分子流经小孔时的震动速度，即：产生恒流。实验表明：当稀释探头的真空度大于13inHg(约合44kPa)时，在绝大多数烟道条件下都能满足音速小孔的恒流条件。2.2.1.3稀释原理（1）

烟道内稀释探头烟道内稀释探头完全暴露在烟气中的部分，需选用耐热耐蚀的铝铬镍合金In-conel600，镍基铝合金HastelloyC276或不锈钢304pyrex玻璃等材料，以避免探头在烟气中被腐蚀。2.2.1.4采样探头（1）烟道内稀释探头探头的取样动力来自文丘里管，一定体积的压缩空气

(一般是每分钟3～7L)通过尖喷嘴吹进文丘里管，造成真空。稀释探头采样流量通常为0.1L/min，而直接抽取式探头采样流量大约3.5L/min，因此稀释法探头过滤器堵塞的压力较小。（1）烟道内稀释探头（2）烟道外稀释探头稀释空气和零点校准气采用除尘、除水、除油，必要时需要除CO2、SO2和NOx的仪表空气，它应该是干燥的，露点为-30～-40℃，压力(620

±68)kPa。2.2.1.5稀释空气净化系统2.2.2.1SO2气体分析仪稀释抽取式SO2分析仪基本采用紫外荧光法。用波长190～230nm紫外光照射样品，则S02吸收紫外光被激发至激发态，即:SO2

+hv1=SO2*2.2.2分析系统NOx分析仪采用化学荧光法。样气经过滤，通过毛细管及模式阀门分别进入NO2转换室和反应室，在此室NO与O3反应产生特征荧光，荧光强度与NO浓度成正比，从光电倍增管得到荧光强度信号，从而得出NOx浓度。2.2.2.2NO-NO2-NOx气体分析仪仪表空气清洁系统由过滤器、无热除水器、SO2/NOx切割器(1)无热除水器现场提供的仪表空气压力应大于6kg/cm2，这个压力下的仪表空气在经过无热出水器内的过滤器时，水蒸气被吸附。无热除水器定期每30秒打开反吹电磁阀，将吸附在干燥器内的水分吹出去，以此连续给设备提供干燥仪用空气。(2)切割器切割器是在存储罐内填充特定的分子筛、活性炭或过滤物质，以此去除仪表空气内的SO2和NOx等组分，降低对于测量的影响。2.2.2.2仪表空气清洁系统直接测量

(in-situ)式CEMS一般有以下两类：一类传感器安装在探头端部，探头直接插入烟道，使用电化学或光电传感器，测量较小范围内污染物浓度(相当于点测量，如氧化锆法测量烟气含氧量)另一类传感器和探头直接安装在烟道或管道上，传感器发射一束光穿过烟道，利用烟气的特征吸收光谱进行分析测量，可以归为线测量，可以采用红外/紫外/差分光学吸收光谱/激光等技术。2.3直接测量式及DOAS原理CEMS2.3.1直接测量式CEMS的结构类型

2.3.1直接测量式CEMS的结构类型比较内容优点缺点适用场合内置式单端安装，安装调试简单只需要一个平台震动对测量影响小可以通过改变测量路径的长度来实现对不同浓度污染物的测量内置式探头在有水滴的场合易受到污染火力发电水泥厂外置式光学镜片全部在烟道外，不易受污染两端安装，需要两个平台受震动影响大在污染物浓度较高，烟道直径达的场合不适用金属冶炼硫酸厂垃圾焚烧直接测量式CEMS可以内置校准池，实现自动校准，也可以在光路中放置标气池，进行手工校准。为了保证标气在标定的过程中没有发生变化，如由于泄漏、吸附、反应等因素造成的浓度变化，一般采用流动气体来进行气体浓度的标定。2.3.2直接测量式CEMS的标定校准方法标准气体以恒定的流量通过吸收池，最终吸收池内气体的浓度可以达到标准气体的实际浓度，稳定后记录读数。一般情况下，标气池长度和仪器的测量光路不一定相同，这就需要计算等效浓度。按下式计算：N1L1=N2L2式中，N1为标准气体实际浓度;N2为等效气体浓度;L1为标准气池的长度;L2为测量路径的实际长度。2.3.2直接测量式CEMS的标定校准方法对于直接测量式CEMS，由于没有取样装置，结构简单，日常维护主要工作是清洁探头角反射镜、更换吹扫风机过滤器以及校准。2.3.3日常维护及常见故障处理故障现象原因处理办法备注光强弱光源老化更换光源系统应具备自动检测功能，信号弱时进行提醒镜片污染或探头堵塞清洁镜片或探头镜片易污染吹扫风机故障更换风机，清洁镜片过滤器必须定期更换颗粒物连续监测方法主要有对穿法、光散射法、动态光闪烁法、静电感应法。由于各种方法的原理不同、发展历史不同，各自都有不同的特点，其适用的条件也有不同。3颗粒物CEMS烟尘颗粒物一般呈现为多孔的不规则形状，由于燃烧过程和除尘过程的影响，实际的烟尘排放或监测口烟尘颗粒的粒径分布是各有不同的，大多数排放口烟尘颗粒的粒径范围在0～20µm。无论自然状态的颗粒还是烟尘颗粒一般是荷电的，荷电的大小取决于温度、比表面积、含水量及与摩擦碰撞相关的速度等，且与颗粒的物理化学成分及结构相关。3.1烟尘颗粒物的特性3.1.1颗粒物的物理特性颗粒物的光散射:光通过不均匀的介质颗粒时，介质颗粒中的偶极子所激发的次波和入射光相互叠加，介质颗粒把入射光向四面八方散射的现象称为颗粒物的光散射。散射截面:一个颗粒在单位时间内散射的全部光能与入射光强之比。散射系数:散射截面与颗粒的迎光面积之比。吸收截面:一个颗粒在单位时间内吸收的全部光能与入射光强之比。吸收系数:吸收截面与颗粒的迎光面积之比。3.1.2颗粒物的光学概念消光截面:一个颗粒在单位时间内移去的全部光能与入射光强之比。消光系数:消光截面与颗粒的迎光面积之比。(颗粒群的)浊度:单位体积内(颗粒群)的总消光截面。不相关散射:当颗粒之间的距离足够大，一个颗粒的散射不因其他颗粒的存在而受影响。当颗粒之间的距离大于颗粒直径的3倍以上时，可以认为颗粒群的散射为不相关散射。烟尘排放一般为不相关散射。3.1.2颗粒物的光学概念单散射及复散射:颗粒散射的光全部来自于入射光称为单散射，其他情况为复散射。颗粒群发生不相关单散射时，颗粒群的整体行为可用单个颗粒的散射行为代替。烟尘排放连续监测的条件下，一般认为当不透光度大约大于0.4后复散射的影响就不能忽略了，这时仪器在单散射原理上建立的线性关系就存在不可忽略的高次非线性成分，需要进行非线性修正。透光度:一束光通过介质层耗散后，光束的强度与入射光强度之比。3.1.2颗粒物的光学概念不透光度:一束光通过介质层耗散后，被耗散的光强与入射光强度之比。光密度:透光度与不透光度与介质颗粒浓度呈指数关系，对透光度取倒数后再取以10为底的对数形成的新的评价量称为光密度。因光密度与介质颗粒的浓度呈线性关系。对于对穿法而言使用光密度评价和描述测量过程更加方便。3.1.2颗粒物的光学概念(1)测量动态范围大(2)测量范围与现场条件相关(3)现场条件恶劣，对仪器安装工艺提出更