紫外吸收烟气监测系统

摘　要：针对目前部分电厂已安装的在线监测系统的选型、安装、调试、验收、运行及维护等问题进行了经验性阐述。　　关键词：火电厂；烟气污染物；在线监测系统 　　Abstract:This paper presents an experienced explanation on model selection,installation,commissioning,acceptance,operation and maintenance of fluegas pollutant on-line supervisory systems already installed in some power plants.　　Keywods:fossilfired power plants flue gas pollutant on-line supervisory system　　烟气污染物在线监测系统(CEMS)是实时、连续监测污染物参数的系统，主要监测烟气中的颗粒物浓度（或浊度）、气态污染物浓度（SO2、NOx、CO、CO2）、辅助参数（烟气温度、流速、氧量、湿度、压力）等。颗粒物浓度监测方法有激光透射法、激光反散射法及电荷感应法，气态污染物浓度监测方法主要有完全抽取法、稀释法、电化学法3种。在电力行业中，颗粒物监测主要采用激光透射法，气态污染物浓度监测主要采用完全抽取法。1系统组成及功能1.1系统组成 一个完整的CEMS主要包括颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、系统控制及数据采集处理子系统、气源电源通讯等辅助设施子系统。1.2主要功能　　颗粒物监测子系统主要对烟气中的烟尘浊度进行监测，并通过试验标定转换为烟气浓度参数。气态污染物监测子系统主要对烟气中SO2、NOx、CO、CO2的浓度进行监测，常见的分析原理为红外吸收法（或紫外吸收法）。烟气排放参数监测子系统主要测试烟气温度、流速、压力、湿度、氧量等参数，通过流速可以得出烟气流量，同时根据烟气温度、压力、湿度得出标准干烟气量，通过氧量将浓度换算为规定过剩空气系数下的浓度。系统控制子系统主要对反吹、采样进行控制，数据采集处理子系统对信号采集、进行数据处理并生成报表等。气源为系统提供反吹气体，电源为系统提供相应电压等级的电能，通讯系统进行模/数转换及数据通信等。2设备选型应注意的问题　　目前各电厂安装的CEMS系统均由设备厂家全权负责，已安装的CEMS系统不能正常投运的重要原因之一是CEMS选型中存在着各种不完善之处，因此选型时应有针对性地从源头进行质量控制。2.1监测参数应实用、全面　　标准的监测参数主要有8个，包括3个污染物参数（SO2、NOx、烟尘），3个湿流量参数（流速、温度、压力），2个换算参数（换算干基的湿度、折算浓度的氧量）。　　CEMS系统至少应包括上述8个参数，但是在实际中，设备厂家为了降低成本，在实际投标中少一个或几个参数的情况时有发生，例如没有湿度测量装置而规定一个数值，甚至部分系统没有氧量测量装置而人为地输入一个值，这都不能真实反映烟气中实际污染物的浓度值。而有的系统又多增加设备以测量参数，如目前流量计大多都有测量烟气温度参数的功能，而在CEMS系统中又额外增加热电偶来测量温度，增加了设备投资。2.2联锁保护及报警系统应完善　　有的设备厂家为了能中标，在标书中将各种联锁保护功能加入很多，报警功能也很多，但在实施中根本未实现，或有些报警系统根本不需要。例如：当采样管线堵塞时样气流量降低造成采样泵负荷加大，系统在无低流量报警或有低流量报警而无停泵联锁时，泵长期在低流量下运行而损坏。2.3仪表量程及校准用标准气应根据实际情况选用　　某些烟气分析仪表未结合实际选定量程。在已经安装CEMS系统的电厂，出现某些烟气分析仪表因SO2量程选择偏低而无法正常监测污染物浓度的问题，或某些分析仪表量程选择偏高，如对于某些CFB锅炉烟气中NOx浓度较低，一般为100 mg/m3（标准状态下）左右，而分析仪表选择的量程又偏大而造成监测精度不高。　　对于校准用的标准气浓度，一般应选满量程的70%～100%，而部分电厂标准气浓度选择过低或过高。如选择过低则降低了系统值的准确性，过高时又根本无法用此标气进行标定。2.4系统监视画面及组态　　由于CEMS标准中并未对上位机中的监视画面做出具体、详细的规定，所以各个设备厂家设计的CEMS的画面水平差异很大。数据处理系统采用高级语言编程或采用组态软件，两种方式各有优劣：采用高级语言编程方式报表功能较强，但当系统配置变化时软件修改不方便 采用组态软件对配置变化后重新组态及修改非常方便,但对于相关标准要求的报表功能相当弱化。故应根据实际情况选择合适的方式。

1.1 CEMS是英文Continuous Emission Monitoring System的缩写,是指对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物进行浓度和排放总量连续监测并将信息实时传输到主管部门的装置,被称为“烟气自动监控系统”,亦称“烟气排放连续监测系统”或“烟气在线监测系统”。CEMS分别由气态污染物监测子系统、颗粒物监测子系统、烟气参数监测子系统和数据采集处理与通讯子系统组成。气态污染物监测子系统主要用于监测气态污染物SO2、NOｘ等的浓度和排放总量 颗粒物监测子系统主要用来监测烟尘的浓度和排放总量 烟气参数监测子系统主要用来测量烟气流速、烟气温度、烟气压力、烟气含氧量、烟气湿度等,用于排放总量的积算和相关浓度的折算 数据采集处理与通讯子系统由数据采集器和计算机系统构成,实时采集各项参数,生成各浓度值对应的干基、湿基及折算浓度,生成日、月、年的累积排放量,完成丢失数据的补偿并将报表实时传输到主管部门。1.2 SO2 CEMS测量技术及其产品开发研制现状烟气的采样方法:有非抽取法和抽取法2种。抽取法又分为直接抽取法和稀释抽取法。SO2的分析方法依其分析量程不同而异。紫外荧光法适用于低量程(稀释抽取法),该法灵敏度高,选择性好。所用仪器中涉及紫外灯的脉冲点燃技术,必须有寿命长且光强稳定的紫外灯、可长期连续工作的光电倍增管以及去除干扰的膜式过滤装置,目前所用仪器主要靠进口,价格较昂贵。非分散红外法和紫外吸收法简便可靠,适用于未经稀释的高浓度样品,其中非分散红外法的动态范围较窄。电化学法的灵敏度不够高,且因其传感器寿命短,维护工作复杂,漂移(积累型)严重,不适用于连续监测。SO2 CEMS常用组合测量技术及其国内外主要产品非抽取+红外或紫外吸收法国外此类技术的早期产品出现在20世纪70年代末至80年代初,即将一束红外或紫外光直接照射到烟气上,在探头上开孔,烟气从中流过,利用ＳＯ2的特征吸收光谱进行测量。其技术简单,响应快,勿需抽气管线可直接实时测量湿基,缺点是探头易被烟尘堵塞,分析仪易污染 探头为开孔式,无法进行在线校标,精度差。90年代中期,以英国Procal公司为首,推出了封闭式产品,即用金属烧结材料将探头光路封闭,该材料在过滤掉烟尘的同时,气体渗透到光路中进行测量。这一由开口式向封闭式的改进使非抽取方式得以实现在线校标,同时解决了烟尘对SO2的测定干扰问题。封闭式探头对光路的防污染要求高,须使用清洁压缩空气吹扫技术和独特的结构设计排除烟尘和烟气对光路的污染。该技术在全球市场的占有率为5%,产品价格较低。国外有美国AIM公司的产品(红外法),国内如北京牡丹联友公司的产品HP 5000(紫外双波长)。直接抽取+非分散红外吸收法该技术出现于20世纪80年代中期,烟气经除尘除湿后,测量的为烟气干基,且克服了非抽取方式烟尘干扰的问题,但烟气除尘、除湿(采样管加热)等预处理维护工作复杂,抽气口易堵塞,采样管线是负压运行,稍有泄漏会影响测定结果。该技术在全球市场的占有率约为9 5%,产品价格适中。国外主要为日本岛津公司和英国XENTRA4900型产品,国内如北京北分麦哈克分析仪器有限公司的GXH 902及GXH9021M,其主机UNOR及MULTOR为德国MAIHAK公司制造,还有北京天融环保设备中心的产品(德国技术)。稀释抽取+紫外荧光法该技术出现于20世纪90年代初期,其技术特点是稀释采样降低样品露点温度,解决了烟气冷凝水问题,一般情况下勿需跟踪加热采样管线,并解决了采样探头的腐蚀与堵塞问题,连续工作时间长。采样管线在正压下工作,从而防止由于泄漏所引入的误差 经稀释的烟道气样品,可使气体浓度最大减少到1350,可用灵敏度高的环境监测仪器完成分析 由于湿度未从样品中消除,测定的为湿基。缺点是响应时间稍长(3min) 干燥压缩空气纯度要求高,除水除硫制备繁杂,成本高 紫外荧光分析仪须进口,价格昂贵。该技术在全球市场占有率约为85%,在美国高达90%。国外主要为美国热电子(Thermo Electron公司)环境仪器公司200型产品及法国环境仪器公司(ESA)的产品,国内如北京航天益来电子科技有限公司CYA 200型及深圳中兴新通讯设备有限公司的产品。1.3烟尘CEMS测量技术及其产品开发研制现状我国实施烟尘CEMS的有关技术规定国家环保总局行业标准《烟气连续排放监测系统技术条件及检验方法》(目前为报批稿)中规定烟尘的连续监测方法为光学法和β射线法,且在技术说明中对电荷法提出了明确质疑,在产品开发研制或选用时应谨慎。烟尘CEMS测量技术及其国内外主要产品β射线法：原理是β射线通过物质时强度被衰减,其衰减强度与物质的质量成正比。该法不受样品颜色大小及原子量影响,可直接测量烟尘质量浓度,与重量法相关性好。缺点是烟气中水气等其它气态物有干扰 采用β同位素源如封闭不好可能存在辐射 适于便携式直读或间歇式连续监测,不适合现场恶劣环境下长期在线连续监测。国外产品如法国ESA公司BETA5M型测尘仪,由内置的马达与流速调节阀组成的系统完成等速采样。国内北京怡孚兴业有限公司系引进法国ESA公司同型产品,北京地海天环境科技开发中心的BDY I与BDY II β传感器式烟尘测试仪。光学法：光学不透明度法该技术采用等速采样称重法测出烟尘质量浓度,再与同时测得的光学不透明度建立函数关系,一般为线性关系。该技术特点是量程宽,监测范围0～10ｇ/ｍ3任选,可连续实时在线监测。缺点是只能监测较大的烟尘颗粒,监测精度差 不同大小烟尘颗粒透光率不同,需作相关校准 镜面维护问题等。国外如澳大利亚GOYEN公司CPA1000型(扩散式光源),德国SICK公司FW56 1型(国内北京北分麦哈克分析仪器公司代理,红外光),国内如北京牡丹联友电子工程有限公司的HP 5000型(可见光)。光学后向散射法光源照射到烟道中,光束被烟尘颗粒散射,其散射光被与入射光成一定夹角的接收器接收,光强度与烟尘质量浓度符合朗伯 比尔定律。该法测量结果受烟尘颗粒颜色的影响较大,不大适用于煤种不稳定的工况测试 亦需作相关校准。产品如北京凯尔科技发展有限公司的BKS 3000型烟尘在线监测仪,其光源为红外线,测定范围0.005～10g/ ｍ3。激光测尘法使用激光测尘的光学法有激光反射法和激光对穿法。二法均成熟,稳定,可靠性强,使用寿命长,目前国外应用较多。激光反射法与烟尘颗粒颜色有关,要求煤种尽可能稳定。激光对穿法与重量法相关性好,稳定、灵敏、精度高,设备体积小,镜面维护量小。国外产品如美国热电子公司ＬＭ3188型激光测尘仪(激光对穿) 法国ＯＬＤＨＡＭ公司的ＥＰ1000烟尘分析仪(反射法) 德国ＳＩＣＫ公司的ＦＷ100含尘量监测仪(北分代理,反射法)。国内如北京航天益来电子科技有限公司的ＣＹＡ 200(激光对穿法) 北京天融环保设备中心的ＴＲ系列设备(对穿法)。1.4烟气流速的连续测量技术烟气参数包括流速、含氧量、湿度、温度、压力等,本文仅介绍其中的首要参数———流速的连续测量技术。皮托管法是烟气流速连续测量常用方法,该法与手工常规方法一致,缺点是易堵,需要不断吹扫。北京牡丹联友等公司产品为此技术。热平衡法该法连续工作性能好,适用于烟尘污染严重的场合。能测量极低(0 1ｍ ｓ)的流速,但测得的是质量流量,需用体积流量仪现场标定,再用比重系数修正。北京航天益来等公司产品用此技术。超声波法探头与气体流量方向成一定角度,声波沿不同方向传送的时间差与气体流速有关,从而进行气体流速测定。该法不受温度、压力、烟气成分变化影响,但产品价格较贵(如北分代理德国ＳＩＣＫ公司制造ＦＬＯＷＳＩＣ流速测定仪14万元 套)。1.5数据采集处理与通讯子系统以微机为核心的数据采集与通讯子系统主要起以下作用:数据采集:数据采集器定时采集各项参数,并生成各污染物浓度对应的干基、湿基及折算浓度数据处理:实时监测所采集到的数据量非常大,微机根据程序指令生成小时浓度均值及日、月、年的累积排放总量。在均值计算中,按设定方法剔除异常值。最后可根据需要制成各类报表或图形。自动控制:由微机控制实现监测仪器的定时开关、校零、校标,按一定时段处理数据,定时传输数据等。在微机运行程序中根据需要可编入各种指令,据此就能根据给定的各种定值与随时取得的各种信号值比较后的情况进行故障报警,延时,过压、欠压保护等自动控制。通讯系统:烟气自动监控系统中各子站的微机负责数据的采集和处理或日常所需的数据,负责操纵各控制元器件的动作。中心站的微机负责监控并可干预各子站微机的运行情况,负责各子站数据的汇总、贮存及进一步生成。子站与中心站各设一台调制解调器(ＭＯＤＥＭ),子站的微机通过ＭＯＤＥＭ即可将数据信息经公共电话网传递到中心站,再经ＭＯＤＥＭ进入中心站的微机。

形势分析：目前在线烟气连续监测系统（CEMS）一般都采用红外、紫外原理等高精度的分析系统，做比对测试的便携式烟气分析仪基本采用定电位电解原理，测量精度比较低，低精度便携仪器比对高精度系统，无法给出令人信服的数据。 近几年我国火电厂上了大量的脱硫和脱硝工程，但还有一些电厂没有建脱硫脱硝工程，做为环保监测仪器，应能适应高浓度和低浓度气体测量要求，需要测量仪器具有双量程，能够做到高低量程切换，两个量程都能达到高精度；这对于传统定电位电解原理的仪器是很难实现的，但是红外、紫外差分烟气分析仪就可以同时满足高、低浓度双量程精确测试。 所以非分散红外分析技术（NDIR）和紫外差分技术（DOAS）在污染源烟气成分测试中的应用解决了测试不准和量程受限的问题，崂应3023紫外差分、3026红外型-烟气综合分析仪正是基于此形势下，经过多次验证试验分析和现场工况测试，测量数据与在线的仪器比对数据相吻合，深受广大客户好评，希望了解这类仪器的小伙伴们参与讨论。 或者您觉得目前光学烟气分析仪与传统电化学烟气分析仪相比是否有优势？您更喜欢哪种类型的烟气分析仪？或您正使用的是哪一款仪器？也可以推荐更成熟的先进烟气分析技术供大家讨论。