污染源废气监测培训教材-富铭.doc

污染源废气在线监测培训教程污染源废气在线监测培训教程杭州富铭环境科技有限公司i目 录一 综述11.1 CEMS的概念11.2 CEMS的组成与描述11.3 CEMS监测内容、目的和作用31.4 CEMS的分类及测试技术31.4.1 CEMS 的分类31.4.2 CEMS 采用的分析技术4二 CEMS测量技术52.1 烟尘浓度测量技术52.1.1 测量原理52.1.1.1 不透明度法52.1.1.2 散射法52.1.1.3 射线衰减法62.1.1.4 电荷转移监测仪法62.1.2 颗粒物CEMS 各种测量方法比较62.1.2.1 不透明度法62.1.2.2 后向散射法72.1.2.3 射线法72.1.2.4 电荷转移监测仪72.2 烟气浓度测量技术82.2.1 测量原理82.2.2 采样方法92.2.2.1 直接抽取法92.2.2.2 抽取式稀释法92.2.2.3 现场直接测量法92.3 O2测量92.3.1 顺磁法92.3.2 氧化锆法102.4 烟气流速测量10污染源废气在线监测培训教程一 综述随着我国环境管理制度的不断完善，我国的环境管理已从浓度控制转向总量，相应的在排放标准、排污收费、排污许可证、环境影响评价等重要管理制度上已逐步从对污染物排放浓度的限制转向对污染物排放总量的控制。在管理制度转变中一个亟待解决突出的问题是作为管理监督手段的排放监测系统必须迅速建立适合总量控制要求的体系。过去我国的污染物排放监测主要是以污染物浓度为主的监测，监测频次低，大部份污染源的排放是根据估算，随意性很大。这种情况极大地影响了排污许可证制度、排污收费等管理制度的实施。同时，由于污染源排放的基础数据是环境管理、规划、质量预测等的基础，不准确的数据极大地影响了我国环境能源及经济发展重大决策的科学性和准确性，急需建立能够连续测量污染物排放总量的监测系统。1.1 CEMS的概念烟气连续排放监测系统（Continuous emission monitoring systems for flue gas）简称CEMS，测定污染源颗粒物和/或气态污染物浓度或排放速率所需的全部设备。它是由采样、检测、数据采集和处理三个子系统组成的监测体系。采样系统：采集、输送烟气或使烟气与测试系统隔离。检测系统：检测污染物，显示物理量或污染物浓度。数据采集、处理系统：采集并处理数据，生成图谱、报表，控制生动操作功能。1.2 CEMS的组成与描述烟气CEMS 是由颗粒物CEMS 和气态污染物CEMS（包括SO2、NOx、O2、CO2）、烟气参数测量子系统、数据采集处理子系统组成（图1）。通过采样方式和非采样方式，测定烟气中污染物浓度，同时测量烟气温度、烟气压力、流速、流量、烟气含湿量（或输入烟气含湿量）、烟气含氧量（或二氧化碳含量）；计算烟气污染物排放率、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管理部门。组成CEMS的设备按照安装布置可分为烟道/烟囱现场部分和仪器间部分。烟道/烟囱现场仪器包括：直抽取样探头、烟尘监测仪、烟气温度、压力、湿度、流速仪。仪器间仪器包括：烟气预处理装置、分析仪器、工控机、气瓶等。现场仪器和仪器间通过烟气采样伴热管、电缆连接，负责气体、电源和信号的传输。1.3 CEMS监测内容、目的和作用主要监测内容：u 颗粒物浓度、排放量；u 烟气组分浓度、排放量，包括SO2、NOx、CO、CO2、HCl、F等；u 为计算标态排量还需要监测烟气温度、流速、烟气压力、含水量、含氧量等辅助参数。目的和作用：u 实现污染物排放总量控制；u 实现排污在线计量和收费；u 推展企业排污交易制度；u 指导调节锅炉燃烧工况。1.4 CEMS的分类及测试技术1.4.1 CEMS 的分类烟气CEMS 按测量方式分可分为三类：抽取式监测系统、现场监测系统和遥测系统。按测量技术或项目分则主要有如下几个方面：u 点测量在烟道或管道断面某一点上或沿着等于或小于断面直径10%的路径上测量的CEMS。u 线测量在沿着大于烟道或管道断面直径10%的路径上测量的CEMS。u 不透明度颗粒物测量入射光通过含有颗粒物的烟气时，其光强度因颗粒物对光的吸和散射作用而减弱的百分比的颗粒物CEMS。u 后向散射颗粒物测量入射光所照射烟气中颗粒物对光向后散射光强度的颗粒物CEMS。u 射线颗粒物测量烟气中颗粒物对射线吸收的颗粒物CEMS。u 直接抽取式烟气烟气通过前端填有滤料并具有防止烟气中水份在管路中冷凝的加热、保温装置的采样管和导气管，整体控温在120160，在烟气进入分析仪前快速除去烟气中的水份，把烟气温度冷却到15，或比环境温度低11后，再进行测定的CEMS。u 稀释抽取式烟气烟气通过前端填有滤料的“恒流稀释探头”和导气管，经纯净空气稀释的烟气进入分析仪进行测量的CEMS。u 现场烟气直接插入烟道或管道安装在探头前端的电化学或光电传感器或发射一束光穿过烟道或管道对烟气进行测量的CEMS。1.4.2 CEMS 采用的分析技术抽取和现场CEMS 分析技术中采用了许多化学的、物理的方法。如：先进的光电技术、气体滤光相关光谱技术、傅立叶红外光谱技术等。表1 CEMS应用的分析技术抽取式监测系统现场监测系统气体颗粒物吸收光谱分光光度技术点测量吸收光谱（二阶导数光谱）点测量光后向散射差分吸收技术气体滤光相关技术带电离子转移傅立叶红外技术电解分析（极谱、电催化）分子辐射衰减发光光谱荧光（SO2）化学发光（NOx）线测量吸收光谱（差分吸收、气体滤光相关）线测量光散射火焰光度（SO2）电化学法极谱法电位测定法光吸收电解催化法顺磁法（O2）二 CEMS测量技术2.1 烟尘浓度测量技术2.1.1 测量原理2.1.1.1 不透明度法当一束光通过含有烟尘的烟气时，光强因烟尘的吸收和散射作用而衰减，并遵循Lambert-Beer 定律：I=I0exp(-aL) （1）式中，I0 为入射光辐射强度；I 为出射光辐射强度；a 为与入射光波长、烟尘粒子半径、烟尘浓度相关的衰减系数；L 为光束透过烟气层的距离，即光程。式（1）的另一种表达式为：I=I010-D （2）其中，D 定义为光密度。可以看出D 值只与入射和出射光强度有关，直接反映了光的衰减程度。光密度法就是通过测定光束通过烟气后的光强与原光强的比值来定量光密度或烟尘浓度。测定仪主要由激光发射端、激光接收端组成。激光发射端、激光接收端均为法兰安装形式，留有反吹气接口、电源及信号线缆连接插座。2.1.1.2 散射法光散射法是指用经过调制的激光或红外平行光束射向烟气时，烟气中的烟尘对光向所有方向散射，经烟尘散射的光的强弱与烟尘散射截面成正比，当烟尘浓度升高时烟尘的散射截面增大，散射光增强，即光强在一定范围内与烟尘浓度成比例，通过测量散射光强来定量烟尘浓度。根据接受器与光源所呈角度的大小可分为前散射、边散射及后散射。前散射测尘仪接受器与光源呈60；边散射测尘仪接受器与光源呈（60120）；后散射测尘仪接受器与光源呈（120180）。2.1.1.3 射线衰减法使用等速采样设备对烟气进行等速采样，烟气通过滤带过滤后烟尘积集于样品滤带上，通过射线对空白和样品滤带的对比测量，从而得出颗粒物的精确质量。2.1.1.4 电荷转移监测仪法任何两种不同的物质在动态状况下会互相之间产生静电荷。如果颗粒物互相碰撞，电子将从一种物质传导至另一种物质。这时，此静电荷会产生微弱电流，这就是我们熟悉的“摩擦生电”原理。如果颗粒物只是流经过一种材料(探头)，两者之间会形成一种感应电荷：当流动中带正电荷的颗粒物接近探头的有效距离时，探针内的电子将被吸引到接近颗粒物的外层。当此颗粒物流过探头安装位置后，探针内的电子将被推移至远离颗粒物的另一面。当颗粒物离开有效感应距离时，探针内电子将恢复原来的分布状况。这种电子群的移动现象也能形成一股可被探测到的微弱电流。这就是 电荷感应原理。电荷法监测设备就是利用探测各烟尘颗粒物与探针之间所产生的静电荷，经过放大分析和处理，转换成一种电子信号并传送进监测系统。利用“摩擦生电”原理来获取信号的烟尘排放监测设备称为“直流耦合”技术；利用“电荷感应”原理来获取信号的烟尘排放监测设备称为“交流耦合”技术。烟尘颗粒物排放量与“交流耦合”技术监测探头感应信号具有线性关系。2.1.2 颗粒物CEMS 各种测量方法比较常用的颗粒物CEMS 主要有：不透明度、向后散射、射线吸收原理的CEMS。2.1.2.1 不透明度法 特点：直接测量（非抽取式）、实时连续采样、经几个国家认定机构认定、测量整个烟道、国外有仪器标准。 不足：测量不直接与颗粒物质量浓度成正比、要求发射源与接收器/反射器严格成一条线、对低于30mg/m3 的颗粒物浓度的灵敏度低。 影响：颗粒物的颜色、粒径的大小、颗粒物的分布、烟气中的水份以水雾或水滴状态存在、仪器镜面聚集尘和水雾。 读取方法：建立参比方法与CEMS 法的校正曲线，将CEMS 显示物理量转换为质量浓度（mg/m3）。 减少干扰：给出校正曲线的置信区间，选择适合的安装位置，在直接与烟气接触的镜面周围形成气幕，要求燃料来源稳定，净化设施正常运行。2.1.2.2 后向散射法 特点：直接测量（非抽取式）、实时连续采样、经几个国家认定机构认定、点测量、易于安装。 不足：测量不直接与颗粒物质量浓度成正比（校准）。 影响：颗粒物的颜色、粒径的大小、颗粒物的分布、烟气中的水份以水雾或水滴状态存在、仪器镜面聚集尘和水雾。 读取方法：建立参比方法与CEMS 法的校正曲线，将CEMS 显示物理量转换为质量浓度（mg/m3）。 减少干扰：给出校正曲线的置信区间，选择适合的安装位置，在直接与烟气接触的镜面周围形成气幕，要求燃料来源稳定，净化设施正常运行。2.1.2.3 射线法 特点：高灵敏度可达大气标准（g/m3 级）、与实际质量浓度紧密相关必须为等速采样、颗粒物的特征不干扰测量、可对湿烟气进行测量。 不足：国外产品为抽取式仪器要求等速采样、点测量、非实时连续测量、要求有核辐射源、初始价格高，高的维护要求。 读取方法：建立参比方法与CEMS 法的校准曲线，将CEMS 测定的点测量值转换为断面测定值。 减少干扰：给出校准线的置信区间和允许区间，定期用高压气体反吹，吹扫采样嘴正对烟气截面上的积尘。2.1.2.4 电荷转移监测仪 原理：通过电荷收集/转移探测移动微粒的冲击。 主要用途：裂袋探测仪，过程混乱探测仪。 优点：低成本、直接测量、实时测量。 不足：测量对速度敏感、不直接与颗粒物质量浓度成正比（校准）。 影响：烟气速度的变化、颗粒物的粒径大小、分布、电场、烟气中含湿量的变化都有影响。2.2 烟气浓度测量技术2.2.1 测量原理 一般情况，采用红外或紫外光谱，利用吸收或荧光原理对气体浓度进行测量。针对谱吸收法介绍如下：（以SO2 为例）特定波长的紫外或红外光源通过敏感通道和参考通道组成的测量单元时，由于SO2 对光谱的吸收，使得从敏感通道得到的光信号有所衰减，且衰减的程度直接与SO2 的浓度有关，而参考通道的光信号不衰减，因此经光探测器，光电转换器就可以得到SO2吸收光谱的程度，进而得到SO2的浓度。其数学模型可由朗伯-比尔（Lambert-Beer）原理表达为：I() = I0() eK() CL 式中：I0()：入射光的强度，由参考通道得到I()：透射光（吸收光）的强度，由敏感通道得到L：光程长C：吸收气体的浓度，即待测量K()：吸收系数，是光波长的函数在具体测量时，要选择对SO2吸收程度高的波峰，L 是固定量，故由上式可得到待测气体SO2的浓度。另外也有采用电化学法进行检测的仪表，该方法价格低廉是其优势所在。目前便携式烟气分析仪大多采用该方法。但电化学法有一个致命的问题，即电化学传感器的漂移是积累型漂移，即随时间的延长，其漂移会一直累积下去，影响它的连续使用。2.2.2 采样方法2.2.2.1 直接抽取法这种方法是最传统的烟气连续分析方法，它将被测烟气连续地进行抽取，经过采样探头过滤、加热保温（120）、冷凝脱水和细过滤，进入气体分析仪。这种方法在欧洲最为流行，但预处理系统复杂、维护工作量大、总体价格较高。2.2.2.2 抽取式稀释法抽取式稀释法，是在抽取的基础上，用干净的空气将抽取的烟气进行确定倍数的稀释（如100倍）。这样可避免抽取方式中复杂的样品预处理系统，同时由于无需除水，因而是带湿测量的，这也是美国环保局（EPA）的优选方法，在美国甚为流行。但这种方法要求高精度稀释头（设计制造相当困难），同时稀释头也需要定期更换过滤装置。2.2.2.3 现场直接测量法现场直接测量方式是目前为止最为简明的方式，免去了复杂的取样管道及预处理系统，维护工作量小，几乎没有消耗品，其难点是在线标定，同时探头和分析仪直接置于现场，防护要求较高。2.3 O2测量2.3.1 顺磁法非磁化性哑铃（内部充满N2）被一根细导线悬挂于磁场最强处。当样气进入磁场时，样气中的氧气是顺磁性的，它被磁场所吸引，它有一个占据磁场最强出的趋向。这样它会推动哑铃偏离磁场的最强点，引起悬挂电缆的扭转，此扭转量是可以测量的，当导线扭转时，位于悬挂导线中间的一小镜子所反射的光就会发生偏移，该偏移可被一组光电池检测到并产生一个电流，该电流反馈给系统，系统就给线圈一个激励电流，该线圈产生一个驱动扭矩使导线回到初始位置，因为电流强度和样气中氧气的含量成正比，这样通过对电流强度的测量，即可测算氧气浓度。特点：u 使用寿命长，能够达到10年；u 没有衰减，测量精度高；u 能够实现在线标定；u 响应速度快，没有日常消耗；u 对机械振动很敏感。2.3.2 氧化锆法当氧化锆被加热到一定的温度时，由于氧离子在氧化锆晶体中的迁移作用，使氧化锆晶体变成导氧体，氧离子的迁移形成电流，含氧量的变化使氧离子迁移作用而产生的电流也发生变化，它们之间有确定的计算关系式，因此通过测量电流值就可计算出含氧量。特点：u 运算速度快；u 数据处理能力强；u 测量精度高；u 抗干扰能力强。2.3.3 电化学法氧传感器的工作原理与燃料电池的原理相同。氧在阴极与电解液的分界面被转换，在阴极和阳极间产生的电流与氧的浓度成正比。见下图。 信号被测气体金阴极薄膜石墨阳极电解液（乙酸） 2.4 烟气流速测量各种流速测量方法比较见下表：测量方法测量方式优点不足压差传感法点测量，速度场系数校准结构简单、安装方便、便于维护、运行可靠。需定时反吹靶式流量计法点测量，速度场系数校准结构简单、安装方便、便于维护、运行可靠、成本低。当垂直于气流的靶面积发生变化时影响测定准确性热平衡法点测量，速度场系数校准结构简单、安装方便、便于维护、运行可靠、不需要测量烟气温度、压力。质量流量与烟气密度有关，需防止烟气对热丝污染超声波法线测量与气体密度、温度、压力无关，测量断面排气平均流速。安装要求高，价格贵三 CEMS主要技术要求3.1 外观要求仪器应有制造计量器具CMC 标志和产品铭牌，仪器各部连接可靠，刻度、数字清晰，仪器外壳或外罩应耐腐蚀、密封性能良好、防尘、防雨。3.2 环境条件仪器在以下环境中应正常工作。u 环境温度：-1045u 相对湿度：90%u 大气压：86106kPau 烟气温度：2603.3 供电电压AC220V/50Hz3.4 安全要求仪器应有漏电保护装置，防止人身触电。3.5 校准仪器应能用手动和/或自动方法进行零点漂移和量程漂移校准，对于气态污染物CEMS能用手动和自动方法输入标准气体校准仪器。3.6 净化仪器应具有防止光学镜头、插入烟道或管道探头被烟气污染的净化系统；净化系统能克服烟气压力，保持光学镜头、插入烟道或管道探头的清洁。3.7 数据采集和处理仪器应具有记录、存贮、显示、数据处理、数据输出、打印、故障告警、安全管理和数据、图文传输功能。仪器应设置RS232、RS422、RS485 中任一种通讯接口。3.7.1 数据采集控制器3.7.1.1 数据采集和控制由仪器数据的采集和控制功能协调整个系统的时序，记录测定数据和仪器运行状态数据，根据状态数据诊断仪器运行状态并在测定数据后面给出状态标记（P电源故障、F排放源停运、C校准、M维护、O超排放标准、Md丢失数据、T超测量上限、D仪器故障，），当仪器运行不正常时发出告警信息。当1h 监测数据滑动平均值超过排放标准时，仪器发出超标报警信息。3.7.1.2 数据存贮仪器数据采集控制器应保证存储一年的原始数据，当存储空间不足保存10 天原始数据时，系统将自动提示告警信息。3.7.1.3 文档管理仪器应能对数据文档进行保存和备份，能自动生成运行参数报告，数据报告，掉电记录报告和操作记录报告。3.7.1.4 接口仪器接口应具有扩展功能，模块化结构设计，可根据使用要求，实现单路或多路配置。3.7.1.5 安全管理仪器应具有安全管理功能，操作人员需登录密码后，才能进入控制界面，系统对所有的控制操作均自动记录并入库保存。3.7.1.6 异常情况自动恢复功能受外界强干扰或偶然意外或掉电后又上电等情况发生时，造成程序中断，系统应能实现自动启动，自动恢复运行状态并记录出现故障时的时间和恢复运行时的时间。3.7.2 数据处理和数据通讯3.7.2.1 数据通讯仪器应具有数据通讯功能，周期地采集各个现场数据采集器发来的各种信息，进行处理、存储，显示告警信息和相应数据。提供网络接入功能，向有关部门定时传送数据和图表，并随时接受数据查询。并时发送时钟命令并校准时钟。3.7.2.2 数据查询和检索显示仪器现场工作状态，可设置条件查询和显示历史数据，打印告警信息和各种图表，实时显示污染物排放数据和相关烟气参数。仪器应每10s 获得一个累计平均值，能显示和打印1min、15min 的测试数据，生成小时、日、月报表，报表中应给出最大值、最小值、平均值、参加统计的样本数。3.7.2.3 丢失数据修复仪器应具有对丢失数据进行修复的功能。3.7.2.4 污染物浓度和排放率计算仪器应具有计算污染浓度和排放功能。3.8 排气参数测定与污染物浓度换算和排放率计算3.8.1 排气参数测定3.8.1.1 排气温度的测定由CEMS 配置的热电偶或热电阻温度传感器连续测量。3.8.1.2 排气含湿量的测定a 采用冷凝法、干湿球法、重量法中的一种方法测定，取平均值输入CEMSb 由CEMS 配置的电容式湿度传感器连续测量或氧传感器测量除湿前、后氧量计算排气含湿量。c 工艺参数估算法。3.8.1.3 排气中O2、CO2 的测定a、由CEMS配置的O2传感器或分散红外CO2检测仪分别连续测量排气中的O2或CO2含量。b、按下式计算排气中的O2、CO2 含量。CO2 = CO2max（1O2/0.209）其中，CO2max燃料燃烧产生最大CO2体积百分比，由CO2近似表查得。燃料类型烟煤贫煤无烟煤燃料油石油气液化石油气湿性天然气干性天然气城市煤气CO2max（%）18.418.718.919.319.320.215.016.011.211.413.815.110.611.510.03.8.1.4 排气密度和气体分子量的计算按GB/T161571996 计算排气气密度和气体分子量。3.8.1.5 排气流速、流量的测定a、测量大气压力：由CEMS 配置的大气压力传感器测出。b、测量排气流速：由皮托管连续测量系统、或靶式流量计测定烟道或管道断面某一固定点的排气流速、或热平衡仪测定某一固定点的排气质量流量、或由超声波测速仪测定断面排气平均流速。c、排气流速和流量的计算u 皮托管法、或靶式流量计法、热平衡仪法按下式计算烟道或管道断面平均流速：式中：速度场系数；测定断面某一固定点的湿排气平均流速或平均质量流量，m/s 或kg/h； 测定断面的湿排气平均流速，m/s。u 超声波测速法按下式计算烟道或管道断面平均流速： 式中：l安装在烟道上两侧A（接收/发射器）与B（接收/发射器）间的距离，m；烟道中心线与AB 间的距离l 的夹角；tA声脉冲从A 传到B 的时间（顺气流方向），stB声脉冲从B 传到A 的时间（逆气流方向），s。排气流量的计算工况下的湿排气流量按下式计算：式中：Qs工况下湿排气流量，m3/h；F测定断面面积，m2。标准状态下干排气流量按下式计算：式中：Qsn标准状态下干排气流量，m3/h；Ba大气压力，Pa；Ps排气静压，PaTs排气温度，Xsw排气中水份含量体积百分比，%3.1.8.6 颗粒物或气态污染物浓度和排放率计算a. 颗粒物或气态污染物浓度按下式计算：式中：C 标准状态下干排气中颗粒物或气态污染物浓度，mg/Nm3，XCEMS 显示的物理量；b回归方程斜率；a回归方程截距，mg/Nm3。b. 颗粒物或气态污染物折算排放浓度按下式计算：式中： 折算成过量空气系数为时的颗粒物或气态污染物排放浓度，mg/Nm3；颗粒物或气态污染物实测浓度，mg/Nm3；在测点实测的过量空气系数； 有关排放标准中规定的过量空气系数。过量空气系数按下式计算：式中：X O2 排气中氧的体积百分数，%。d. 颗粒物或气态污染物排放率按下式计算：式中：G 颗粒物或气态污染物排放率，kg/h；Qns标准状态下干排气量，m3/h。四 CEMS主要技术要求4.1 颗粒物CEMS 的安装要求和测量位置颗粒物CEMS 应安装在能反映颗粒物排放状况有代表性的位置上，具体要求如下：4.1.1 一般要求a. 位于所有控制设备下游；b. 光学原理颗粒物CEMS 所在监测位置没有水滴和水雾；c. 便于日常维护，安装位置易于接近，有足够的空间，便于清洗光学镜头、检查和调整光路准直、检验仪器性能和更换部件。4.1.2 安装位置安装位置优先选择在垂直管段。应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。安装位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于4 倍直径，和距上述部件