基于CEMS的沥青混合料有害气体排放监测方法

蒋学海++徐璐

摘 要：烟气排放连续监测系统（CEMS）是监测烟气污染物排放的现代化手段，可以连续、实时、在线监测污染排放源排放烟气中的颗粒污染物、气态污染物的浓度和排放总量，实现监测污染物排放总量的目标，在如今的火电厂气体排放监测中广泛应用。该文通过对CEMS系统原理的分析，进而对其测试仪器采样系统和分析系统进行改进，得出一套完整的、能对沥青混合料在摊铺和碾压过程中排放的有害气体进行连续、实时地监测的N-CEMS设备。

关键词：CEMS 沥青混合料 有害气体 沥青烟 监测方法

中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0087-02

自20世纪50年代以来，我国公路建设快速发展，交通量日益增大，车速逐渐提高，对路面性能提出了更高的要求。而沥青路面凭借优越的使用性能和行车舒适性，在我国已建成的高级和次高级路面中占了相当大的比重，因此，对沥青混合料的需求量也大大增加。

但是沥青混合料的使用会产生各种的有害气体，根据国外资料[1]， 沥青混合料在拌和、摊铺过程中分别会产生一氧化碳、二氧化硫、氧化氮类有害气体以及沥青烟，它们在不同程度上影响着我们的生存环境。特别需要指出的是，沥青烟中还包含着部分致癌和强致癌物质，对我们的身体健康造成了极大的威胁。

然而对于沥青混合料有害气体的排放，却没有一个系统的连续监测方法。我们依据广泛应用在火电厂气体排放连续监测的CEMS系统，结合沥青道路摊铺过程中排放的有害气体的特点，构建一个基于CEMS的沥青混合料有害气体排放连续监测体系，为不同环境下沥青混合料的排放，提供一个科学、定量的分析。

1 CEMS简介

CEMS即烟气排放连续监测系统（Continuous Emission Monitoring System，简称CEMS），主要用于火电厂的烟气有组织排放连续监测，由烟尘监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数测试子系统、系统控制及数据采集处理子系统、信号输送通讯系统等组成[7-11]。CEMS通过采样方式或非采样方式，测试烟气中污染物浓度，并同时测试烟气温度、烟气压力、烟气流量、烟气湿度、氧量等参数，按国家有关标准显示与记录，能够实现污染物排放监测的在线性、连续性、准确性及数据处理和输出打印的完整性[15]。

2 基于CEMS的沥青混合料有害气体连续监测方法

针对沥青混合料施工过程中有害气体无组织排放特性， 基于原有的CEMS系统，我们去掉信号输送通讯系统，简化控制及数据采集处理子系统、烟气排放参数测试子系统，保留气态污染物监测子系统，替换烟尘监测子系统为沥青烟监测子系统，并另行设计一套适用于无组织排放监测的采样系统，形成N-CEMS（即新型-CEMS）系统结构如图1所示。

2.1 N-CEMS采样系统

N-CEMS系统采样部分主要由一个采样罩、一个干燥和冷却结构组成。通过手动操作，在沥青混合料施工现场选取采样点进行样品气体采集

采样罩是用于采集和捕捉气体污染物的装置，将沥青在摊铺和碾压过程中排放的有害气体在扩散到大气之前吸入罩内，进入干燥和冷却系统，以减少施工现场环境对排放浓度的影响。同时，采样罩的设计和构造还考虑了操作的方便和灵活性，适合于多采样点。

2.2 N-CEMS沥青烟监测子系统

沥青烟监测子系统主要监测沥青烟浓度。在原有CEMS中，沥青烟的采样和监测没有成熟的应用，但是专门对沥青烟的采样和检测已经有一定的成果。其主要分析方法有重量法、紫外分光光度法、色谱法等。

重量法[14]是指将沥青烟收集到已恒重的收集器中，除去水分后，由采样前后收集器的增量计算沥青烟的含量。

紫外分光光度法[15-16]是用环己烷作溶剂，采用紫外分光光度计测量吸收液在固定波长处的吸光度，再通过与标准曲线的矫正，从而得出沥青烟的浓度。

色谱法是对沥青烟定性、定量分析的另一个方法，就是气相色谱–质谱联用（GC/MS）技术。气质联用以其用时少、精确度高等优点备受人们青睐。气质联用可以对沥青烟准确无误的定性和定量，其测定浓度可以达到几微克。

综合以上的方法，我们采用色谱法，将其运用到运用到N-CEMS沥青烟监测子系统中，让实现连续、实时、在线监测沥青烟浓度的功能。

2.3 气态污染物监测子系统

气态污染物监测子系统采用稀释采样法，主要监测CO、SO2、NOx等气体的浓度。图3为采样状态的流程简图。

2.3.1 CO的连续监测方法

CO的连续监测方法主要有非色散红外吸收法、气相色谱法两种。

（1）非色散红外吸收法：一氧化碳对4.67 nm，4.72 nm二波长处的红外辐射具有选择性吸收，在一定波长范围内，吸收值与一氧化碳的浓度呈线性关系（遵循朗伯—比耳定律），根据吸收值确定样品中一氧化碳的浓度。

（2）气相色谱法：本方法适用于连续测定空气中的一氧化碳的浓度。采样的一氧化碳可经色谱柱分离后，进入转化炉与氢气反应生成CH4，即

CO+2H2CH4+H2O

而甲烷浓度可由仪器直接测定，从而间接得到一氧化碳浓度。

本论文中对CO的连续监测采用气相色谱法。

2.3.2 SO2的连续监测方法

SO2的连续监测方法主要有红外吸收法（NDIR法）、紫外吸收法（UV法）和紫外荧光法三种。

（1）红外吸收法：通过测量SO2对7.3 μm附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气中SO2的浓度。该方法抗水分、CO 、CO2的干扰能力较弱。

（2）紫外吸收法：通过SO2在280～320 nm附近的紫外光吸收原理进行测定。仪器维修容易，不易受气流量、水蒸汽、CO2的影响。endprint

（3）紫外荧光法：通过一定波长的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的气样上，激发SO2产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的SO2浓度。紫外荧光法受芳香烃和水蒸汽的干扰，适用于芳香烃和水蒸汽干扰可以忽略或消除的场合，较适用于稀释采样法。

本论文中对SO2的连续监测采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的连续监测方法

NOx的连续监测方法有红外吸收法、紫外吸收法、脉冲荧光法和化学发光法四种。

（1）红外吸收法：通过测量NO对5.3 μm附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气中NO浓度。NO2是通过还原转换器转换成NO再测量。抗水份、CO、CO2、SO2及有机物的干扰能力较弱。

（2）紫外吸收法：通过NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理进行测定。仪器维修容易，不易受气流量、水蒸汽、CO2的影响。

（3）脉冲荧光法：采用脉冲紫外光照射到含有NOx的气样上，激发NOx产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的NOx浓度。受芳香烃和水蒸汽的干扰，较适用于稀释采样法。

（4）化学发光法：测量NOx是NO和O3反应产生激发态的NO2，激发态的NO2转为常态的NO2时，伴随着光子的发射，产生化学发光，测量发光强度即NO浓度。适用于共存的二氧化碳干扰可以忽略或消除的场合。

本论文中对SO2的连续监测采用脉冲荧光法。

3 结语

基于CEMS系统，去掉信号输送通讯系统，简化控制及数据采集处理子系统、烟气排放参数测试子系统，保留气态污染物监测子系统，替换烟尘监测子系统为沥青烟监测子系统，并另行设计一套适用于无组织排放监测的采样系统，实现了对沥青混合料有害气体排放的连续监测。 文中以AC-20沥青混合料为例，以室内试验模拟沥青混合料生产和使用各环节中的有害气体排放实况，对N-CEMS系统的监测效果进行评价，同时总结了在拌合、摊铺、碾压各环节中各类有害气体的排放特点，发现各类有害气体在拌合工序的排放量显著高于其它工序。对于不同类型的沥青混合料，具体的排放特性宜做进一步研究。

参考文献

[1] Pinchin Environmental Limited Air & Noise Group1Report for a Combustion Gas Emission Testing Program at the Miller Aggregate Resources Facility in Brechin， Ontario [R].1Mississauga，Group， 2005.

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（3）紫外荧光法：通过一定波长的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的气样上，激发SO2产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的SO2浓度。紫外荧光法受芳香烃和水蒸汽的干扰，适用于芳香烃和水蒸汽干扰可以忽略或消除的场合，较适用于稀释采样法。

本论文中对SO2的连续监测采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的连续监测方法

NOx的连续监测方法有红外吸收法、紫外吸收法、脉冲荧光法和化学发光法四种。

（1）红外吸收法：通过测量NO对5.3 μm附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气中NO浓度。NO2是通过还原转换器转换成NO再测量。抗水份、CO、CO2、SO2及有机物的干扰能力较弱。

（2）紫外吸收法：通过NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理进行测定。仪器维修容易，不易受气流量、水蒸汽、CO2的影响。

（3）脉冲荧光法：采用脉冲紫外光照射到含有NOx的气样上，激发NOx产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的NOx浓度。受芳香烃和水蒸汽的干扰，较适用于稀释采样法。

（4）化学发光法：测量NOx是NO和O3反应产生激发态的NO2，激发态的NO2转为常态的NO2时，伴随着光子的发射，产生化学发光，测量发光强度即NO浓度。适用于共存的二氧化碳干扰可以忽略或消除的场合。

本论文中对SO2的连续监测采用脉冲荧光法。

3 结语

基于CEMS系统，去掉信号输送通讯系统，简化控制及数据采集处理子系统、烟气排放参数测试子系统，保留气态污染物监测子系统，替换烟尘监测子系统为沥青烟监测子系统，并另行设计一套适用于无组织排放监测的采样系统，实现了对沥青混合料有害气体排放的连续监测。 文中以AC-20沥青混合料为例，以室内试验模拟沥青混合料生产和使用各环节中的有害气体排放实况，对N-CEMS系统的监测效果进行评价，同时总结了在拌合、摊铺、碾压各环节中各类有害气体的排放特点，发现各类有害气体在拌合工序的排放量显著高于其它工序。对于不同类型的沥青混合料，具体的排放特性宜做进一步研究。

参考文献

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（3）紫外荧光法：通过一定波长的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的气样上，激发SO2产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的SO2浓度。紫外荧光法受芳香烃和水蒸汽的干扰，适用于芳香烃和水蒸汽干扰可以忽略或消除的场合，较适用于稀释采样法。

本论文中对SO2的连续监测采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的连续监测方法

NOx的连续监测方法有红外吸收法、紫外吸收法、脉冲荧光法和化学发光法四种。

（1）红外吸收法：通过测量NO对5.3 μm附近的红外线吸收量的变化，连续测定烟气中NO浓度。NO2是通过还原转换器转换成NO再测量。抗水份、CO、CO2、SO2及有机物的干扰能力较弱。

（2）紫外吸收法：通过NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理进行测定。仪器维修容易，不易受气流量、水蒸汽、CO2的影响。

（3）脉冲荧光法：采用脉冲紫外光照射到含有NOx的气样上，激发NOx产生荧光，用光电倍增管检测荧光强度，测定烟气中的NOx浓度。受芳香烃和水蒸汽的干扰，较适用于稀释采样法。

（4）化学发光法：测量NOx是NO和O3反应产生激发态的NO2，激发态的NO2转为常态的NO2时，伴随着光子的发射，产生化学发光，测量发光强度即NO浓度。适用于共存的二氧化碳干扰可以忽略或消除的场合。

本论文中对SO2的连续监测采用脉冲荧光法。

3 结语

基于CEMS系统，去掉信号输送通讯系统，简化控制及数据采集处理子系统、烟气排放参数测试子系统，保留气态污染物监测子系统，替换烟尘监测子系统为沥青烟监测子系统，并另行设计一套适用于无组织排放监测的采样系统，实现了对沥青混合料有害气体排放的连续监测。 文中以AC-20沥青混合料为例，以室内试验模拟沥青混合料生产和使用各环节中的有害气体排放实况，对N-CEMS系统的监测效果进行评价，同时总结了在拌合、摊铺、碾压各环节中各类有害气体的排放特点，发现各类有害气体在拌合工序的排放量显著高于其它工序。对于不同类型的沥青混合料，具体的排放特性宜做进一步研究。

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