论烟气连续排放监测系统优化改造

摘要：本文综述了烟气排放连续自动监测系统（CEMS）的气态污染物（二氧化硫、氮氧化物）、烟气参数（烟气流速、含氧量、温度、湿度）、颗粒物的监测技术现状，分析了对不同污染物监测的测定原理、技术特点、优势及缺点，为比对监测准确实施及CEMS在线管理提供一定的借鉴，同时实现在线监测数据的网络共享，加强对值的合理化管理，从而规范环保局对各企业的在线管理，为在线监测整体水平提供有力的支持。

关键词：CEMS；监测；技术

引言

CEMS作为烟气排放连续监测装置，是监测环保排放和检测工艺过程的重要设备。CEMS由颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数测量子系统及数据采集、传输与预处理子系统等组成，通过采样和非采样方式，测定烟气中污染物的质量浓度，同时测定烟气温度、压力、流速或流量、含湿量、含氧量等参数，计算烟气污染物质量浓度、排放率和排放量，显示和打印各种参数、图表，并通过数据、图文传输系统传输至固定污染源监控系统。随着环保新标准的实施、超净排放改造的进行，到2020年燃煤锅炉重点地区要达到超净排放标准，即烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度（基准含氧量6%）分别不超过5 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，排放限值分别下降83%、75%和50%。CEMS测量的精度、原理、量程已经无法满足现场需要，所以目前现场CEMS监测仪表测量的可靠性及稳定性已显得尤为重要。

1、CEMS烟气参数测量技术

（1）烟气流速。流速测量分为皮托管式测量、热导式测量、超声波法测量。皮托管式测量主要是测量烟气的总压和静压，计算烟气差压，依照伯努利方程，得出烟气流速。通常使用的皮托管式测量有S型和L型二种。其优点是结构简单，安装方便，易于维护，运行可靠，缺点是容易产生堵塞。我厂烟气在线监测系统采用的就是皮托管式测量，测量准确，虽然堵塞时有发生，但是好处理维护简单。从经济性、稳定性来讲优点大于缺点。

（2）烟气含氧量。烟气含氧量是作为判断锅炉燃烧时过剩空气是否稀释烟气浓度的重要指标，也是对浓度进行折算时的重要依据。烟气含氧量测量方法主要是氧化锆法和氧电池电化学法。氧化锆法是利用二氧化锆在高温时的电解催化作用，形成烟气一侧的电极和与含有氧气的标准气体（通常为空气）接触的参考电极产生电位的不同，从而测量出烟气中的含氧量。一般测量探头寿命约为1~2年，且测量的含氧量数值为湿氧数值。而氧电池电化学法运用的是电化学传感器原理，一般使用寿命是1~3年，且测量的含氧量数值为干氧数值。目前，烟气含氧量的测量技术较为成熟，存在的问题较小，我厂采用氧电池电化学法嵌入在烟气分析仪内，在分析以内直接对抽取进来的样品气体进行测量，不用在现场安装氧化锆探头，而且测量准确维护起来也方便。

（3）烟气温度。主要采用的是铂电阻温度传感器PT100，温度大致为-200℃~650℃电阻约为100欧姆，我厂烟温采用铂电阻PT100传感器嵌入在烟气流量拍托管上，出线直接接入CEMS小间的PLC温度模块上。烟气温度测量技术目前很成熟测量也准确，维护方便。

（4）烟气湿度。目前在国内一般通过测量干湿烟气中的氧量，通过计算获得烟气水分，是一种间接测量的方法，这种方法存在的主要问题是测量值滞后而测量的精度低，不能满足高温烟气测量的需要。常见的水分测量方法有：冷凝法，干湿球法，称重法，露点法和电子式传感器法。电子式水分传感器产品及水分测量属于90年代兴起的行业，近年来，国内外在水分传感器研发领域取得了长足进步，气体水分的测量在国外目前的发展方向主要是利用电容式电子测量技术，但应用于高温烟气的测量，需要克服烟气高温、灰尘、酸性物质对高分子薄膜电容的磨损和腐蚀问题。针对上述现有技术的不足，我厂选用阻容式湿度仪。该湿度仪能克服高温烟气的粉尘、高温和酸性腐蚀问题、可以在线长期稳定的测量高温烟气中水分的防磨损和防腐蚀装置，以有效保护在线阻容式高温烟气水分仪，并在不影响测量精度的条件下实现长期可靠的工作。

2、CEMS颗粒物（烟尘）测量技术

烟尘测量方法主要有对穿式测量法、微电荷测量法、光散射法、抽取式测量法等。

对穿式测量法用一个激光二极管（测量距离最大可15米）作为发射端的光源，光线通过烟道发射到安装在烟道对面的反射器上，并经反射器反射后在次穿过烟道回到接收器，发射出的光源强度与反射回的光强度之间存在衰减，而这种衰减与粉尘浓度的高低存在一定的函数关系，通过这种函数关系计算得到粉尘浓度。

优点：在当前粉尘测量中，技术较为成熟可靠，在测量直径小的环境中使用时，测量稳定，随负荷变化明显。

缺点：对侧安装，对光要求高，在震动大的环境中使用时，测量稳定性差，特别是对于大尺寸烟道，一点点的对光偏差，将会导致粉尘数据的突变。当烟气中湿度大时，特别是测量湿烟气时，烟气中的水滴将对测量产生影响。维护量大，定期对污染镜片进行擦拭，并定期进行对光检查。

微电荷测量法当烟气流经插入烟道的探杆时，由于粉尘颗粒对探杆的撞击及摩擦作用，导致电荷的传递，会产生微电流，通过专用的微电荷测量仪器将电流信号转换为粉尘浓度信号。电路信号越强，粉尘浓度越大。

优点：维护量小，拆卸容易，检查方便。单侧安装，便于维护。

缺点：不适于静电除尘器后粉尘测量。烟气流速过低时对测量稳定性有影响。烟气中湿度过大时，对测量产生影响。

光散射法发射光源将发射至含有粉尘的烟道中，粉尘在光照射下回产生散射光，这种散射光的强度与烟道中粉尘的含量成正比，粉尘浓度高时，散射光强度大，反之亦然。

优点：此方法对振动要求较低，使用范围较广。单侧安装，便于维护。测量精度高，为当前主流粉尘仪。

缺点：定期检查光源镜片的干净程度。烟气中湿度过大时，对测量有影响。

抽取式测量法基于光散射法测量原理，不同之处在于，首先将烟气通过管道抽取至加热室进行加热，出去烟尘中的水分，处理后的粉尘经过测量室进行测量分析，避免了烟气中水滴对粉尘的影响，此测量方法多用于湿烟气的测量。

优点：粉尘不受烟气湿度影响，排除了烟气湿度对粉尘测量的影响。烟气经过加热管道后，变的相对平稳，测量稳定性好。

缺点：定期检查取样管的堵塞情况及腐蚀情况。现场安装空间要求较其他测量方式大。现场人员在维护过程中，应注意静电对激光光源的损坏。

我厂目前选用光散射法，但是随着环保指标下压，水对粉尘仪的干扰越来越突出，我厂烟羽脱白项目上马以后粉尘会将至5mg/Nm3，烟气温度加热到露点以上，排除了水分干扰，原有光散射法可以稳定测出5mg/Nm3的粉尘量，但是量程要重新选型。

3、CEMS气态污染物监测方法

紫外荧光法和非分散红外吸收法适用于SO2监测，化学发光法和非分散红外吸收法适用于NOX监测。

紫外荧光法原理：烟气在某个波长的紫外光照射下，其中的SO2分子吸收紫外光产生能级跃迁，从基态变为激发态，激发态SO2不稳定，返回低能量状态的过程中发射出特定的荧光，该荧光与烟气中SO2的浓度成正比，通过测量荧光强度，即可得到SO2的浓度值。其特点是灵敏度高。

非分散红外吸收法是指红外光源发出的红外辐射经过一定浓度待测的气体吸收之后，与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化，通过测量光谱强度的变化量得到气体的浓度。其特点是灵敏度偏低。

化学发光法原理；烟气中的NO与臭氧反应生成激发态的NO2，其返回基态时放出特定的光，该光的强度与烟气中的NO浓度成正比，测量发光强度即可得到NO浓度；同时，烟气中的NO2通过钼催化技术转化为NO与臭氧反应，测量光强即可得到NOX总浓度值。其特点是线性范围宽，低浓度下仍能有效测出浓度值。

4、CEMS设计方案

4.1原CEMS系统

原CEMS系统采用直接抽取法，烟气先经过采样探头内的初级过滤器对烟气中的粉尘进行过滤，然后通过已加热至150℃的探头和伴热管线，经过冷凝器二级冷凝除湿，最后进入烟气分析仪。烟气分析仪采用非分散红外法对SO2、NOX进行分析测量。原CEMS装置如表1。

表1 原 CEMS 装置

4.2 CEMS选型

随着环保要求的升级，烟囱入口SO2、NOX和烟尘浓度较低，对烟气分析仪的精度、灵敏度要求更高。对于SO2分析，紫外荧光法的灵敏度比非分散红外法要高几个数量级，常用于大气微量监测，故超低改造后的SO2采用紫外荧光法检测。对于NOX分析法，化学发光法线性范围宽，特别在低浓度和微量检测中应用较多，故NOX采用化学发光法检测。对于分析烟尘，超低排放改造后增加了换热器，将进入烟囱的烟气加热至露点以上，排除了含水量较大对烟尘测量的影响。烟尘测量的光散射法安装容易，灵敏度高，测量范围广，故选择光散射法进行烟尘检测。对于取样方法，考虑到直接抽取法会因为烟气中的水汽凝结造成溶解性污染物的成分损失，需增一级除湿装置，配磷酸滴定装置保护除湿过滤器。同时加装一路压缩空气提供稀释气体。新CEMS装置如表2。

表2 新CEMS装置

4、投运效果

新CEMS投运后，运行稳定，特别是在低浓度测量时，消除了测量不准确、数值晃动大的现象。通过第三方检测机构对CEMS测量结果比对显示，测量结果满足超低排放的要求。

结束语

CEMS作为污染物排放监测系统，合理的设计方案及分析仪表选型，对有效控制脱硫、脱硝效率具有举足轻重的作用，确保向环保监测站传送排放监测数据的准确性。CEMS设计方案及分析仪表选型是否合理需要通过工程实践来检验，并在工程应用中不断进行优化

参考文献：

[1]罗琰.浅谈烟气连续排放监测系统分析[J].自动化应用，2018（04）：32-33+35.

[2]张昊哲. 烟气连续在线监测系统设计[D].电子科技大学，2018.

[3]丁敏，慕军，郑智群.烟气连续排放监测系统分析 [J].中国环保产业，2018（02）：49-53.