1、廢氣自動監(jiān)測設(shè)備基本原理及構(gòu)造,呂俊鵬 2014年4月,目錄,一、CEMS概要介紹 二、氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng) 三、常見煙氣分析儀分析原理 四、顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng) 五、煙氣排放參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng) 六、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng) 七、前沿技術(shù)交流,一、CEMS概要介紹,CEMS概念 英文Continuous Emission Monitoring System的縮寫。 煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)。 可對固定污染源長時(shí)間在線連續(xù)監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測污染物的排放濃度，計(jì)算排放率、排放總量。 并將數(shù)據(jù)上傳到上級（或幾級）環(huán)保部門的監(jiān)控中心，確保排污企業(yè)污染物濃度和排放總量達(dá)標(biāo)。 各種相關(guān)的環(huán)保設(shè)備如脫硫、脫銷等裝置，也依靠CEMS的

2、數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和管理，以提高環(huán)保設(shè)施的效率。 CEMS的主要測量參數(shù) 污染物主要有：二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、顆粒物（煙塵） 煙氣參數(shù)主要有：氧含量（O2）、煙氣流速（流量）、煙氣濕度、溫度和壓力等。 其他參數(shù)：CO、CO2、HCL、HF、H2S等。,CEMS組成框圖,顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng) 氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng) 煙氣排放參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng) 通訊子系統(tǒng),環(huán)保局監(jiān)控平臺,企業(yè)中控系統(tǒng),采樣伴熱系統(tǒng),煙氣參數(shù)信號,一體化溫壓流測量信號,固定污染源監(jiān)測小屋,傳輸?shù)江h(huán)保局,有線通訊傳輸,CEMS系統(tǒng)示意圖,通 過 無 線 通 訊 傳 輸,二、氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)分類 采樣方法分類，氣

3、體分析方法,完全抽取系統(tǒng)（熱管法） 紅外光譜吸收原理 紫外光譜吸收原理 稀釋抽取系統(tǒng) SO2-紫外熒光分析 NOX化學(xué)發(fā)光法 直接測量法 紫外差分吸收光譜法（DOAS）,分類依據(jù) 主要以煙氣從現(xiàn)場到分析房的取樣方法分類，主要涉及的參數(shù)是SO2、NOX等氣態(tài)污染物的濃度，與煙塵、流速、溫度、壓力等參數(shù)無關(guān) 稀釋法：將煙氣用零空氣稀釋后，是混合煙氣的結(jié)露點(diǎn)降到一定溫度以下，再進(jìn)行傳輸?shù)椒治鰞x進(jìn)行分析 熱管法：是通過一根拌熱管，將煙氣傳輸?shù)椒治鰞x進(jìn)行分析 直接測量法方法是將分析儀直接插入到所要測量的煙道中現(xiàn)場分析。,完全抽取系統(tǒng)（熱管法）,熱濕法（高溫法） 在測量過程中不降溫，氣體成分不變，有過濾環(huán)

4、節(jié)，不降溫除水。 高溫分析儀，采購和維護(hù)成本高。 可測量HCL、NH3、H2S等易溶于水的物質(zhì)。 適用于垃圾焚燒排放監(jiān)測 前處理方式 直接在采樣探頭后進(jìn)行煙氣處理，過濾、降溫、除水。 不需要拌熱傳輸樣氣。 預(yù)處理系統(tǒng)在平臺上，維護(hù)不方便，防護(hù)等級要求高。 后處理方式 需要全程拌熱傳輸樣氣。,完全抽取系統(tǒng)過程示意圖,熱管采樣探頭的原理,熱管法的優(yōu)缺點(diǎn),直接抽取法的優(yōu)點(diǎn)： 1、專用分析儀，每臺分析儀可測量多種成分 2、 技術(shù)相對簡單、成熟,易操作,易維護(hù) 3、 不受溫度和壓力的限制 4、 直接抽取測量，所測數(shù)值反映真實(shí)值，精確度高 直接抽取法的缺點(diǎn) 1、全程標(biāo)定時(shí)，標(biāo)氣量消耗較大。 2、干基測量時(shí)

5、，脫水環(huán)節(jié)會引起溶水損失，導(dǎo)致較小誤差 3、預(yù)處理系統(tǒng)的零部件的耐腐蝕性要求較高。,稀釋抽取系統(tǒng),煙道內(nèi)稀釋 需要選用耐熱耐腐蝕的材料 工藝要求比較高 樣氣輸送管線不需要拌熱 配稀釋空氣（零氣） 煙道外稀釋 樣氣輸送管線不需要拌熱 配稀釋空氣（零氣）,稀釋抽取探頭,稀釋法過程示意圖,稀釋法的優(yōu)缺點(diǎn),稀釋采樣法的主要優(yōu)點(diǎn)： 采樣流量小，減輕了塵和水的預(yù)處理要求 樣氣正壓傳輸，不怕管道微小泄露 實(shí)現(xiàn)全程標(biāo)定時(shí)，標(biāo)氣耗量小。 采用單分析儀測量，濕基測量 稀釋采樣法的主要缺點(diǎn)： 采用比例稀釋法，稀釋比例造成誤差 探頭反吹難度大，不好控制，易堵塞 探頭部分煙囪內(nèi)外有溫差，容易結(jié)水，造成腐蝕 對零空氣要求

6、高，很難達(dá)到需求的露點(diǎn)，造成樣氣的結(jié)露點(diǎn)高于常溫，造成腐蝕和污染物的損失 技術(shù)復(fù)雜，成本高，要求運(yùn)行環(huán)境好，維護(hù)麻煩,直接測量法,內(nèi)置式 光學(xué)鏡頭在煙囪內(nèi)，易受污染 單端安裝，安裝調(diào)試簡單 震動對測量影響小 外置式 光學(xué)鏡頭在煙囪外，不易受污染 兩端安裝，安裝調(diào)試相對復(fù)雜 受震動的影響大，光路校正 不適合于高濃度和大直徑的管道,直接測量法過程示意圖,測量數(shù)據(jù)輸出,直接測量法的優(yōu)缺點(diǎn),直接測量法的優(yōu)點(diǎn)： 無需管線傳輸，濕基測量 實(shí)時(shí)分析，響應(yīng)時(shí)間快 不需要采樣管線，成本低 直接測量法的缺點(diǎn)： 分析儀表全部暴露在高溫、高濕、高塵的現(xiàn)場環(huán)境中，不易穩(wěn)定可靠工作 維護(hù)難度大，光機(jī)電計(jì)算機(jī)一體化，全系統(tǒng)

7、集成度高，維護(hù)人員必須具有系統(tǒng)級水平 煙氣介質(zhì)的改變對測量影響很大-溫度、顏色、顆粒的大小、濕度的高低 不好定標(biāo). 機(jī)械運(yùn)動部件多，易出故障. 煙氣中的煙塵、水分濃度變化會影起測量值的變化。,三、常見煙氣分析儀分析原理方法,非分散紅外吸收法（NDIR） 紫外差分吸收法（DOAS） 紫外熒光法 化學(xué)發(fā)光法 傅立葉變化紅外光譜分析法（FTIR） 激光法分析儀,朗伯-比爾定律,（應(yīng)用：SO2吸收7300nm、NO吸收5300nm的紅外光； SO2吸收280320nm、NO吸收195225nm的紫外光）,樣氣以恒定的流量注入檢測室，當(dāng)紅外線穿過檢測室時(shí)，樣氣吸收一定的紅外線能量，穿過參比室和檢測室后的

8、紅外線的光強(qiáng)度產(chǎn)生差值，通過檢測器將光強(qiáng)度差值轉(zhuǎn)換成電信號，最后計(jì)算出樣氣中待測成分的濃度。,非分散紅外光測量與分析原理,紫外光測量與分析原理（點(diǎn)測量）,氙燈光源發(fā)出的紫外光匯聚進(jìn)入光纖，通過光纖傳輸?shù)綑z測室，穿過檢測室時(shí)經(jīng)被測氣體吸收后，通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀。在光譜儀內(nèi)部經(jīng)過光柵分光，由陣列傳感器將分光后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號轉(zhuǎn)換成氣體的吸收光譜信息，然后經(jīng)過比較譜線，計(jì)算被測物的濃度。,紫外光測量與分析原理（線測量）,傅利葉變換紅外光譜測量與分析原理,當(dāng)采樣氣體進(jìn)入檢測室時(shí)，紅外 光束中一些特定波長的光被被測氣體分子吸收，而吸收強(qiáng)度取決于分子中原子間的化學(xué)鍵的作用力，被吸收的光線

9、的波長（或頻率）對每種氣體來說都是唯一的，F(xiàn)TIR 分析儀用其特有的分析方法來檢測比較這些特征光的光譜圖，計(jì)算出每種氣體的濃度。基于FTIR光譜技術(shù)原理的分析儀能夠同時(shí)測量上百種化合物，極快的響應(yīng)時(shí)間并且交叉干擾比NDIR分析少。FTIR的最大特點(diǎn)是不需要對照參考物質(zhì)頻繁地校準(zhǔn)分析儀,當(dāng)190nm230nm附近的紫外光照射到二氧化硫氣體后，二氧化硫分子吸收紫外光的能量后由基態(tài)轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)，由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時(shí)發(fā)出熒光，熒光強(qiáng)度的大小與二氧化硫的濃度成正比。,紫外熒光法,化學(xué)發(fā)光法,基于NO與O3的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的NO分子，在返回基態(tài)時(shí)放出與NO濃度成正比的光，用光電倍增管接收此光即可得到

10、NO的濃度。,LasIR可調(diào)二極管激光（TDLAS）氣體分析儀是采用近紅外可調(diào)式激光器（ NIR Tunable diode Laser，TDL）作為光源的紅外氣體分析儀。 基本原理與普通的紅外氣體分析基本相似：根據(jù) Lamber-Beer定律，特定氣體只吸收特定波長的光譜， 吸收的強(qiáng)度與氣體濃度成正比，通過對氣體吸收強(qiáng)度的檢測，計(jì)算出特定氣體的濃度。 I=Io esp(-cl) I 被吸收后的光強(qiáng)度 Io 吸收前的光強(qiáng)度 截面分子吸收強(qiáng)度 C 吸收物質(zhì)的濃度 l 光程路徑長度,可調(diào)二極管激光分析儀（TDLAS）,當(dāng)沒有氣體出現(xiàn)時(shí),當(dāng)有氣體出現(xiàn)時(shí),氣體吸收光強(qiáng)度, I = Io - I,四、顆

11、粒物監(jiān)測子系統(tǒng),光透射法顆粒物監(jiān)測儀,后散射法顆粒物監(jiān)測儀,射線法（用量很少），主要用于環(huán)境空氣中PM10的測量。 電荷感應(yīng)法法（已經(jīng)不適于在線監(jiān)測）。,工作原理（激光透射法） 采用激光進(jìn)行煙道內(nèi)透過率T（transmission）/濁度O(opacity)/消光度E(extinction)測量。 通過比重法測量粉塵含量，建立起消光度和粉塵濃度關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對粉塵濃度測量。,透射法煙塵分析儀工作原理,透射單程光測煙塵示意圖,當(dāng)一束光通過含有煙塵的煙氣時(shí)，光強(qiáng)因煙塵的吸收和散射作用而減弱。通過測定入射光束通過煙氣后的光強(qiáng)與原來光強(qiáng)的比值來定量煙塵的濃度,透射雙程光測煙塵示意圖,雙光程顆粒物監(jiān)測儀器將

12、發(fā)射器和接收器部件裝在同一個(gè)殼體中，安裝在煙道同一側(cè)。另一側(cè)用反射鏡取代了接收器。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，更重要的是發(fā)射器光源和接收器的光敏部件是在同一個(gè)溫度下運(yùn)行，克服了單光程監(jiān)測儀器中的熱漂移影響。,透射法測塵的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、體積小，現(xiàn)場使用最多。 測低濃度時(shí)精度低。 價(jià)格相對較低 缺點(diǎn) 安裝比較麻煩 受震動和測量介質(zhì)折射率的影響,散射測煙塵示意圖,光通過含有顆粒物的煙氣時(shí)發(fā)生散射，在顆粒粒徑不變的條件下，散射后的光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的比值與煙氣中顆粒物的濃度成正比 通過測量散射光強(qiáng)就可以得到煙塵強(qiáng)度,散射測煙塵的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 安裝方便 精度相對較高低濃度煙塵 缺點(diǎn)： 容易受顆

13、粒物顏色變化的影響。 價(jià)格高。 技術(shù)相對復(fù)雜。,射線法和電荷感應(yīng)法,射線法 基于顆粒物質(zhì)對恒定能量射線的吸收量正比于顆粒物的質(zhì)量 電荷感應(yīng)法 運(yùn)動煙塵粒子摩擦產(chǎn)生靜電，利用直流/交流耦合探測頭捕捉電荷量的多少，測量煙塵 此兩種方法現(xiàn)在暫時(shí)不推薦使用,四種測塵方法的比較,五、煙氣參數(shù)測量技術(shù)簡介,流速-流量 氧量 溫度 濕度 壓力,煙氣流速的測量常用技術(shù)簡介,主要測量方法 皮托管差壓分析法 熱式流量計(jì) 靶式流量計(jì) 轉(zhuǎn)子流量計(jì)風(fēng)杯 超聲波流速儀 流速是在線監(jiān)測系統(tǒng)中最難測量的參數(shù) 最大的原因在于現(xiàn)場工況的不穩(wěn)定性,皮托管差壓流量計(jì),原理簡介 S型皮托管是由兩根相同的金屬管并聯(lián)組成。測量端有方向相反

14、的兩個(gè)開口，測量時(shí)，面向氣流的開口測的壓力為全壓，背向氣流的開口測的壓力為靜壓，用壓力差轉(zhuǎn)化成流速,幾個(gè)問題 堵塞需要定時(shí)反吹 磨損腐蝕定期更換，一般周期3年 煙道截面積和流場的穩(wěn)定性很重要,熱式流量計(jì),原理簡介 測量探頭有兩個(gè)傳感器,一個(gè)是速度傳感器，一個(gè)是溫度傳感器，兩個(gè)傳感器都是基準(zhǔn)級鉑電阻傳感器。鉑電阻固定在堅(jiān)固、密封的不銹鋼套管中，在測量電路中它們也作為測量橋路的兩個(gè)臂，溫度傳感器在工作中測量被測氣體的溫度，它作為參比溫度，而速度傳感器被加熱，并使其被加熱的溫度和參比溫度有一固定的溫差T，當(dāng)參比溫度變化，則T也隨著變化，可以通過加熱功率的變化來測量氣體的質(zhì)量流量。,超聲風(fēng)速計(jì),利用超

15、聲波脈沖在順流和逆流傳播的時(shí)間差換算出流體的流速,測氧量常用技術(shù)簡介,氧化鋯法 順磁法-磁風(fēng)法、磁壓法、磁力機(jī)械,氧化鋯測氧含量,當(dāng)氧化鋯被加熱時(shí)，由于氧離子在氧化鎬晶體結(jié)構(gòu)中的遷移作用，使氧化鋯晶體變成導(dǎo)電體，煙氣中氧濃度的不同使這種遷移作用產(chǎn)生的電流不同，會產(chǎn)生電壓差，換算出氧含量，一般做成管裝。分直插式和抽取式,順磁法測氧含量,根據(jù)氧氣的體積磁化率比一般氣體高得多，在磁場中具有極高順磁性的原理制成的一類測量氣體中氧含量的儀器,當(dāng)被測樣氣中有氧存在時(shí)，氧分子受磁場吸引，沿磁場強(qiáng)度梯度方向形成氧分壓差，其大小隨氧含量不同而異，。該信號經(jīng)反饋放大器放大作為儀器檢測輸出。,測溫度常用技術(shù)簡介,熱

16、電偶法 測溫范圍:-501600. 熱電阻法 鉑熱電阻-應(yīng)用于中溫場合-200-800 . 銅熱電阻-應(yīng)用于低溫場合-50-150 。,六、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng),煙氣排放連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)的核心，運(yùn)行在CEMS的監(jiān)測現(xiàn)場，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的各種污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)、儀器工作狀態(tài)，并將檢測數(shù)據(jù)整理儲存，通過通訊手段，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)保監(jiān)控管理部門。 連續(xù)24小時(shí)自動采集保存煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，來電自啟動恢復(fù)。 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如停電紀(jì)錄，故障診斷和自動報(bào)警，并將紀(jì)錄儲存。 操作運(yùn)行日志紀(jì)錄，方便維護(hù)和管理。 可通過寬帶、無線、有線方式與環(huán)保監(jiān)理部門軟件平臺通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和遙控監(jiān)測。 具有數(shù)據(jù)顯示、處理、輸

17、出、報(bào)表等功能。,狀態(tài)數(shù)據(jù),針對儀器運(yùn)行狀態(tài)并在測定數(shù)據(jù)中給出狀態(tài)標(biāo)記,標(biāo)記跟隨數(shù)據(jù)一起被紀(jì)錄到存儲設(shè)備中. “P”表示電源故障 “F”表示排放源停運(yùn) “C”表示校準(zhǔn) “M” 表示維護(hù) “O”表示超標(biāo)排放 “Md”表示確失數(shù)據(jù) “T”表示超測定上限 “D”表示儀器故障,數(shù)據(jù)有效性的判別,有效數(shù)據(jù) 污染源排放煙氣情況下,正常運(yùn)營所測得的數(shù)據(jù)。 有效小時(shí)均值：不少于45分鐘有效數(shù)據(jù)的整點(diǎn)平均值 有效日均值：18小時(shí) 有效月均值：22天 維護(hù)數(shù)據(jù) 儀器非正常運(yùn)營時(shí)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，如校準(zhǔn)、吹掃、儀器故障、儀器預(yù)熱等時(shí)段監(jiān)測所得數(shù)據(jù)。 該數(shù)據(jù)只作為判斷污染源及儀器的工作狀態(tài)，不能作為計(jì)算污染源排放濃度的依據(jù) 參考數(shù)據(jù) 在正常工作狀態(tài)下，監(jiān)測時(shí)間少于有效數(shù)據(jù)監(jiān)