烟气排放连续监测系统.ppt

WEKMEC 重庆精本科技发展有限公司 烟气排放连续监测系统 CEMS 李强2014年3月 烟气排放连续监测系统 CEMS 概述 组成 作用 类型和使用的测量方法 净化厂烟气分析仪测量原理 结构 分析仪开停机及日常维护事项 烟气流量 颗粒物及污染物排放浓度 排放量的计算 大气污染物排放标准 烟气排放连续监测系统 WEKMEC WEKMEC 重庆精本科技 CEMS是英文ContinuousEmissionMonitoringSystem的缩写 意思是固定污染源排放连续监测系统 我国称之为烟气排放连续监测系统 是指对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物浓度及排放总量进行连续监测并将信息实时传输到环境主管部门的装置 烟气污染物主要是烟尘颗粒物 SO2和NOx 烟气中的颗粒物大量排入大气 造成空气污浊 使人的可视范围变窄 影响景观效果和人的心情 甚至使交通事故增加 粒径小于10 m的颗粒物为可吸入颗粒物 吸入人体后导致喘息性支气管炎 慢性支气管炎 肺功能下降等疾病 严重危害人体健康 1 CEMS的概述 一 烟气排放连续监测系统 CEMS 的概述 组成 作用 WEKMEC 重庆精本科技 烟气中的SO2 NOx大量排入大气 与大气中的H2O O2发生反应 会生成硫酸 硝酸分子 是形成酸雨的主要原因 酸雨破坏了生态平衡系统 造成土壤酸化 营养成分流失 森林破坏 湖泊酸化 鱼类减少 重金属溶出 危害十分严重 大气污染物的主要来源是火电厂 其次是钢铁厂 水泥厂 各种化工厂等 治理大气污染 减少污染物的排放是一项系统性工程 近年来 国家环保部门对大气污染的治理越来越重视 要求火电厂锅炉 民用和工业锅炉 工业炉窑 市政垃圾焚烧炉 危险废物焚烧炉等固定污染源烟气排放装置必须建立烟气排放连续监测系统 对烟气中的颗粒物浓度 气态污染物浓度和排放率进行连续 实时的跟踪监测 并将监测数据传输到环保部门 因此 可以说 CEMS由烟气排放在线监测系统和排污计量系统两大部分组成 WEKMEC 重庆精本科技 2 CEMS的组成 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 数据采集 传输与处理子系统等四部分组成 通过采样和非采样方式 测定烟气中颗粒物浓度 气态污染物浓度 同时测量烟气温度 压力 流速或流量 含湿量 或输入烟气含湿量 氧量等参数 计算烟气中污染物浓度和排放量 显示或打印各种参数 图表 并通过数据 图文传输系统传输至DCS和环保部门污染源监控系统 CEMS的组成示意图如下 CEMS的作用 不仅仅是被动地提供排放数据 而是根据CEMS提供的数据控制装置操作 使其符合排放标准 装置操作人员和工程师可以根据排放数据的连续记录优化工艺和设备操作 使装置的排放持续保持在法律规定的限值之内 同时降低运行成本 节能降耗 CEMS另外一个作用是为环保部门提供监测数据 包括污染物浓度和排放量 重庆精本科技 WEKMEC 3 CEMS的作用 二 CEMS的类型和使用的测量方法 WEKMEC 重庆精本科技 1 CEMS的类型见下图 WEKMEC 重庆精本科技 1 抽取采样系统抽取采样系统是将烟气从烟道中抽取出来 然后传送到分析仪进行测量 抽取采样系统有源级抽取采样和稀释抽取采样 源级抽取采样是直接从烟道中抽取样品 过滤颗粒物后送至分析仪 其中有热 湿系统和冷 干系统两种类型 热 湿系统是样气经加热管线直接传输给分析仪 提供给分析仪的是未经降温除水的热 湿样品 这种系统适用于被测气体易溶于水或需测量污染物的水分浓度 冷 干系统是在样品进入分析仪之前将样品温度降低到环境温度并除去水分 经过处理后的样品是冷的和干的 我国目前大多采用冷 干采样系统 稀释抽取采样是将烟道中样气稀释后送至分析仪进行测量 分为烟囱内稀释和烟囱外稀释两种类型 普光净化厂的烟气监测系统采用的是源级抽取采样冷 干系统 烟气经过滤器过滤 伴热送至分析仪预处理单元 在预处理单元降温除水除尘后送至分析仪 其取样示意图如下 抽取采样法示意图 伴热采样管线10 100米 采样器的电气控制或蒸汽伴热 多组分分析仪表 采样预处理单元 数据处理单元 DAS 辅助控制单元 采样探头 重庆精本科技 WEKMEC 烟道采样单元 重庆精本科技 WEKMEC 可以进行多组分气体的测量分析可以很容易的增加测量气体的组分 有利于后期改造不受烟道内温度的限制很方便和很安全的对设备进行维护保养对于多组分的测量分析价格相对低廉很容易和烟气监测的其他测量仪器共享数据平台采用脱去烟气水分的干基测量法 符合现有法规的要求 抽取采样法的优点 重庆精本科技 WEKMEC 重庆精本科技 需要伴热管线需要采样预处理单元 包括采样泵 抽取采样法的缺点 重庆精本科技 WEKMEC WEKMEC 重庆精本科技 2 原位测量系统原位测量系统主要由一台仪器构成 测量方法是用某种类型的传感器探头直接测量烟道中的烟气 检测光束穿过烟道后光强的减弱而得到测量结果 原位式分析仪有点测量式和线测量式 点测量式分析仪由安装在测量探头端部的光学式或电化学式传感器构成 探头插入烟道中测量 线测量式分析仪沿一条横穿烟道的直线或沿烟囱的直径进行测量 是一种 横穿烟道 的气体分析仪 光线穿过烟气时发生吸收或散射作用 从而获得污染物的浓度测量值 它有单光程和双光程两种形式 单光程是光线从烟囱一侧的发射器射出 到达烟囱另一侧的检测器 光线仅一次穿越烟道 双光程是发射器和检测器位于烟囱的同一侧 发出的光线被对面的反射镜反射回来 光线两次穿越烟道 净化厂动力站的烟尘浓度计就是这种双光程的原位测量分析仪 3 遥测系统遥测系统就是隔着大气就能测量烟气的一种感测仪器 有主动式和被动式两种 主动式通过射向烟囱的光束探测排放物浓度 被动式则感测来自烟囱排放物 热 分子的光辐射 4 参数监测系统参数监测系统是通过测量烟气的温度 压力 流量等参数来替代排放测量数据 它不需要分析仪 只需常用的热电偶 压力变送器 流量计等传感元件来进行测量 这是一种间接的监测烟气排放的方法 美国大多采用这种监测方法 重庆精本科技 WEKMEC 重庆精本科技 WEKMEC 2 CEMS中使用的测量方法 CEMS中使用的测量方法有吸收光谱法 红外和紫外吸收光谱法 发光法 荧光法和化学发光法 电化学分析法 顺磁性法等方法 净化厂烟气SO2的分析是采用紫外吸收光谱法 NOX是采用红外吸收光谱法 联合装置烟气中O2是用电化学分析法 动力站烟气中O2是用顺磁性分析法 服务项目 普光项目 WEKMEC 重庆精本科技 三 净化厂烟气分析仪的测量原理 结构 一 烟气污染物分析仪烟气污染物分析仪有监测SO2和NOX浓度的气态污染物分析仪和监测颗粒物浓度的烟尘浓度计 下面分别介绍这两种分析仪的原理和结构 1 气态污染物分析仪原理净化厂气态污染物分析仪使用的是罗斯蒙特的X STREAMX2GP UVEO2 联合装置 和X STREAMX2GP UVIRPO2 动力站 两种型号的分析仪 这两种型号分析仪的区别是 X STREAMX2GP UVEO2 联合装置 只测SO2和O2 而X STREAMX2GP UVIRPO2 动力站 除测SO2和O2外 还测定NOX浓度 且两种型号测O2的方法不一样 X STREAMX2GP UVEO2测O2是用电化学法进行测量 X STREAMX2GP UVIRPO2测O2是用顺磁性法进行测量 下面分别介绍其检测原理 普光项目DCS总貌 WEKMEC 重庆精本科技 SO2紫外吸收光谱法 是基于SO2对紫外光谱有选择性吸收 其特征吸收波长是280nm 当原始紫外光I0通过测量池时 样气中的被测组分SO2吸收280nm波长处的紫外光谱 吸收后经单色滤光片滤波 然后通过光电二极管检测器检测 该检测信号通过对数放大器转换为吸光率 吸光率与样气中被测SO2的浓度成正比 其吸收原理符合朗伯 比尔定律A L CT I I0A logT log I I0 A 吸光率 摩尔吸光系数L 光路长度C 样气浓度T 透光率I0 原始光强度I 透过测量池后光的强度 1 SO2检测原理 紫外吸收光谱法 控制系统 WEKMEC 重庆精本科技 2 NOx检测原理 红外吸收光谱法 动力站NOX的测量 将NO2经转化炉转化为NO后用红外吸收光谱法进行测量 NO红外吸收光谱法 是基于NO对红外光谱有选择性吸收 其特征吸收波长是500 m附近光谱带 当原始红外光I0通过测量池时 样气中的被测组分NO吸收500 m附近的特征吸收光谱带 吸收后经干涉滤光片滤波 然后通过微流量检测器检测 该检测信号通过对数放大器转换为吸光率 吸光率与样气中被测NO的浓度成正比 其吸收原理符合朗伯 比尔定律A L CT I I0A logT log I I0 A 吸光率 摩尔吸光系数L 光路长度C 样气浓度T 透光率I0 原始光强度I 透过测量池后光的强度 控制系统 WEKMEC 重庆精本科技 3 O2检测原理 电化学法和顺磁性法 联合装置O2的测量 是用燃料电池式电化学法原理 它使用酸性液体燃料电池氧传感器 其原理结构图见下 控制系统 重庆精本科技 控制系统 重庆精本科技 生产装置 WEKMEC 重庆精本科技 该酸性液体燃料电池由金阴极 铅阳极 醋酸电解液组成 电极反应如下 金阴极 O2 2H2O 4e 4OH 铅阳极 2Pb 4OH 2PbO 2H2O 4e 电池综合反应 O2 2Pb 2PbO被测气体经过PTFE 聚四氟乙烯 参透膜进入燃料电池 气样中的氧在电池中进行上述的氧化还原反应 外接电路形成电流 输出的电流与氧的浓度成正比 此电流信号通过测量电阻和热敏电阻转化为电压信号 经前置放大器放后送入微处理器进行处理 然后以4 20mA电流信号输出 该燃料电池中的铅 Pb 在反应中不断变成氧化铅 直至铅电极耗尽为止 就象某些燃料不断氧化燃尽一样 因此该液体燃料电池具有一定的寿命 铅阳极消耗完 电池寿命就终结 且所测氧浓度越大 阳极消耗越多 电池寿命就越短 电池一旦达到寿命 读数锐减至零 此时必须更换新电池 生产装置 WEKMEC 重庆精本科技 动力站O2的测量 是运用氧的顺磁性原理 该仪器是根据氧的体积磁化率比一般气体高得多 在磁场中具有极高顺磁特性的原理制成的一类氧分析仪器 它使用磁力机械式氧分析器 其检测器结构和原理图如下 生产装置 重庆精本科技 WEKMEC 生产装置 重庆精本科技 生产装置 重庆精本科技 生产装置 重庆精本科技 生产装置 WEKMEC 重庆精本科技 如上图 密闭气室中装有两对不均匀磁场 磁场强度相反 两个空心球置于两对磁极的间隙中 空心球之间通过连杆连接在一起 形状类似哑铃 连杆用弹性金属带固定在气室壳体上 哑铃只能以金属带为轴转动而不能上下移动 在连杆与金属带交点处装有一平面反射镜 被测气体由入口进入气室后 两个空心球就被样气所包围 当被测气体中有氧存在时 氧分子受磁场吸引 沿磁场强度梯度方向形成氧分压差 其大小随氧含量不同而不同 该压力差驱动空心球移动 于是哑铃偏转一个角度 偏转角度的大小 就反映了被测气体中氧含量的多少 对哑铃偏转角度的测量 采用光电系统来完成 如上图 光源发出的光投射到平面反射镜上 反射镜再把光束反射到两个光电元件上 被测气不含氧时 空心球不偏转 处于磁场中心位置 此时平面反射镜将光源发出的光束均衡地反射到两个光电元件上 两个光电元件接收的光能相等 光电组件输出为零 仪表最终输出也为零 当被测气体中有氧存在时 哑铃发生偏转 反射镜也随之偏转 反射出的光束也随之偏移 这时 两个光电元件接收到的光能量出现差值 光电组件有毫伏电压信号输出 被测气体中氧含量越高 哑铃偏转角度就越大 光电组件输出信号越大 该信号经反馈放大后作为仪表的输出 重庆精本科技 生产装置 WEKMEC 重庆精本科技 2 气体污染物分析仪结构 1 预处理系统 取样过滤探头 伴热蒸汽 WEKMEC 生产装置 重庆精本科技 小屋预处理面板 生产装置 重庆精本科技 WEKMEC 联合烟气分析预处理流程图 生产装置 重庆精本科技 WEKMEC 小屋外仪表风入口 空气过滤减压阀4 5 5kg 生产装置 重庆精本科技 WEKMEC 小屋内仪表风分配 一级热交换器二级热交换器反吹仪表风气动阀控制电 气分离 重庆精本科技 WEKMEC 一级热交换器 旋风制冷器 8 热交换罐温度计排水罐8小时自动反吹带排液 重庆精本科技 WEKMEC 采样泵 隔膜采样泵保护旁路 重庆精本科技 WEKMEC 二级热交换器 旋风制冷器热交换罐疏水罐 重庆精本科技 WEKMEC 进样及旁路流量计 旁路流量计进样流量计粉尘过滤器微水过滤器流量大约30l h 重庆精本科技 WEKMEC 小屋PLC PLC1控制SO2报警及风扇运转PLC2将温度 压力 流量及分析仪模拟信号转换成485数字信号PLC3控制抽气泵和电磁阀返吹与排水 重庆精本科技 WEKMEC 2 X STREAMX2GP UVEO2烟气分析仪 重庆精本科技 WEKMEC 3 数据采集处理系统 CEMS与PLC DCS间通讯网络拓扑结构图 重庆精本科技 WEKMEC 数据采集PLC2 重庆精本科技 WEKMEC PLC2接线图 重庆精本科技 WEKMEC 返吹排水控制PLC3 重庆精本科技 WEKMEC PLC3接线图 重庆精本科技 WEKMEC 数据处理系统 数据处理系统是运用组态王6 53软件对小屋传输来的各种数字信号进行处理和运算 并通过显示器显示出来 然后传输到DCS和环保数据采集中心 重庆精本科技 WEKMEC 烟气数据处理显示面板 重庆精本科技 WEKMEC 3 气体颗粒物浓度分析仪 联合装置没安装气体颗粒物分析仪 只有动力站安装了气体颗粒物分析仪 该仪器是罗斯蒙特生产的OPM3000烟尘浓度计 它是依据光的透射原理测量的 该仪器是将发射单元和接收单元安装在烟道的同一侧 烟道的另一侧安装反射镜 将光线反射回接收单元 该透射仪测量光线穿过烟气后的透射率 然后将透射率转化为吸光度 其烟气中烟尘颗粒物的浓度与吸光度成正比 可用下式表示为 c 2 303E klc 颗粒物的质量浓度E 仪器测得的吸光度k 质量消光系数l 烟道长度由上式可知 吸光度E与烟尘浓度c成正比关系 其比例系数为2 303 kl 式中的质量消光系数k取决于各种颗粒物的大小 形状 密度 表面性质及测量光的不同波长 重庆精本科技 WEKMEC OPM3000烟尘浓度计结构 重庆精本科技 WEKMEC 二 烟气参数测量仪器 烟气参数测量有烟气氧含量 烟气流速 烟气温度 烟气静压 其中氧含量测量前面已详细讲述 下面简单介绍一下烟气流速 温度和静压的测量 1 烟气流速的测量烟气流速的测量是用热平衡式质量流量计 简称热式质量流量计 其测量原理是利用传热原理测量质量流速 它有两个铂电阻温度传感器Rp和Rt Rp被加热用以测量流速 Rt测烟气温度作为参比温度 烟气流过Rp时带走的热量与流速和Rp阻值变化成比例 利用惠斯顿电桥反馈电器控制Rp的加热功率 保持Rp与Rt之间温差恒定 则加热功率与烟气的质量流速成函数关系 此种质量流量计测量烟气流速精度较高 探头为插入式 易于拔出和插入 维护方便 重庆精本科技 WEKMEC 2 烟气温度的测量 烟气温度的测量用铠装热电偶测量 测量范围0 300 示值偏差要求 3 测量位置应选择在烟气温度损失最小的地方 主要是烟道不漏风的地方 考核到烟气与烟道壁之间存在热交换 因此测量点不能紧靠烟道壁 通常应距烟道壁20cm以上 3 烟气静压和大气压力的测量烟气静压用压力变送器测量 大气压力按照当地的平均大气压力输入CEMS中作为本年的平均大气压 重庆精本科技 WEKMEC 四 分析仪开停机及日常维护事项 一 分析仪开停机步骤1 开机步骤 1 确认仪器电气连接和接地已接好及预处理面板上所有管路及流量计干净无水汽或水滴后 给仪器及所有PLC上电 2 仪器预热运行稳定后 对仪器进行标定 标定时 先用纯氮气做零点标点 再用SO2 NO及O2量程气做量程标定 标定时与样气在同样的抽气状态和同样的流量 30h L 下进行 3 打开室外仪表空气总阀 调节压力为0 5MPa 调节室内预处理面板上空气减压阀 使其压力为0 2 0 3MPa 调节旋风制冷器尾部的流量调节旋钮使恰出热风为止 旋风制冷器开始制冷 重庆精本科技 WEKMEC 4 关闭测量流量计 打开样气进样阀和旁路流量计 开启采样泵 开始抽取样气 让样气在旁通流量计流通5分钟以上 5 调节空气减压阀压力和旋风制冷器旋钮 使其样气温度冷却至小于8 6 全开测量流量计 调节旁路流量计使测量流量计流量为30L h 样气进入仪器开始分析 7 再次检查预处理面板上管路是否存在漏气点 8 让采样泵旁路保护阀开启一定开度 以避免因样气管线被堵而烧坏采样泵 重庆精本科技 WEKMEC 2 停机步骤 1 切断进样阀 2 关闭采样泵 依次关闭空气减压阀 测量及旁路流量计 3 如停机时间较长 切断仪器电源 如果不是长期停机 最好不要切断电源 二 日常维护事项1 标定周期建议每周一次 最长不超过二周 2 定期巡检样品气管路中是否含水或有堵塞 进样流量是否正常 30L h 3 定期巡检进样前粉尘过滤器和薄膜水过滤器是否有脏 定期更换 对于动力站A炉特别注意 重庆精本科技 WEKMEC 4 如果非特殊情况 一般建议分析仪表不要断电 如果是因为维护及其他情况 则在上电之后 一定保证充分预热及标定后才可投用 5 在仪表正式投用之前或日常维护时 将PLC3控制箱上的开关打到 维护 状态 这样所有实际烟道测量数值将不作为排放量计入排放量报表中 也不会传到环保监测系统 重庆精本科技 WEKMEC 五 烟气流量 颗粒物及污染物排放浓度 排放量的计算 1 烟气流量的计算 1 实际工况下的湿烟气流量QS按下式计算 QS 3600FVS式中 QS 实际工况下的湿烟气流量 m3 h F 测定烟道的面积 m3 6m3 VS 烟气流速 m s 2 标准状态下干烟气流量QSn按下式计算 QSn QS 273 273 ts pa ps 101325 1 XSW 式中 QSn 标准状态下干烟气流量 m3 h pa 大气压力 pa ps 烟气静压 pa ts 烟温 XSW 烟气中含湿量 重庆精本科技 WEKMEC 2 烟气颗粒物及污染物排放浓度的计算 1 颗粒物或气态污染物排放浓度按下式计算 C bx aC 标准状态下干烟气中颗粒物或气态污染物浓度 mg m3 x CEMS仪器测定值 b 回归方程斜率 a 回归方程截距 当气态污染物CEMS符合相对准确度要求时 b 1 a 0 则C x 当气态污染物显示浓度单位为 mol mol ppmV 时 SO2 NO NO2换算为标准状态下mg m3的换算关系为 SO2 1 mol mol 64 22 4mg m3 2 86mg m3NO 1 mol mol 30 22 4mg m3 1 34mg m3NO2 1 mol mol 46 22 4mg m3 2 05mg m3 注 1 mol mol 1ppmV 重庆精本科技 WEKMEC 2 颗粒物或气态污染物折算浓度按下式计算 C C 式中 C 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 m3 C 标准状态下干烟气颗粒物或气态污染物浓度 mg m3 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 净化厂烟气锅炉规定为1 4 在测点实测过量空气系数按下式计算 21 21 O2 式中 O2 烟气中氧的体积分数 注 运用氧的实测浓度和规定的过量空气系数将污染物浓度换算成拆算浓度 是为了计算排放物的真实含量 防止过量空气对烟道气稀释造成烟尘和气态污染物浓度降低 重庆精本科技 WEKMEC 3 排放量的计算 1 颗粒物或气态污染物排放率按下式计算 G C QSn 10 6式中 G 颗粒物或气态污染物排放率 kg h C 标准状态下干烟气颗粒物或气态污染物浓度 mg m3 QSn 标准状态下干烟气流量 m3 h 2 颗粒物或气态污染累计物排放量按下式计算 日排放量 Gd Gh1 Gh2