超低排放机组烟气排放连续监测系统技术分析

任清洁，陈光，张冉，徐克涛

（1.华电陕西能源有限公司，陕西西安710000；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

超低排放机组烟气排放连续监测系统技术分析

任清洁1，陈光2，张冉2，徐克涛2

（1.华电陕西能源有限公司，陕西西安710000；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

燃煤机组超低排放改造后，原有烟气排放连续监测系统（CEMS）技术要求及检测方法已不足以满足监测的需求，因此需要准确性、可靠性和稳定性更高的CEMS设备来满足现阶段超低排放机组烟气自动监测的要求。分析当前气态污染物CEMS存在主要问题，研究超低排放机组气态污染物CEMS技术现状，并对比分析气态污染物CEMS监测方法，最后提出适合超低排放机组的气态污染物监测技术路线。

CEMS；超低排放；气态污染物；直接抽取；稀释抽取

0 引言

烟气排放连续监测系统（Continuous Emissions Monitoring Systems，以下简称CEMS）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装置，是环保监管的重要手段，尤其是在国家“十一五”、“十二五”总量减排过程中，发挥了巨大的作用。但随着超低排放的实施，大气污染物排放现状CEMS的准确性、稳定性提出了新的要求。仅就CEMS本身技术而言，我国所掌握的CEMS技术并不逊色于国外，但就技术的使用细节而言，与欧美还有一定差距[1]。

燃煤机组超低排放改造后，原有CEMS技术要求及检测方法已不足以满足监测的需求，新的规范要求正在修订中。在此过程中，国家相关部门以及地方政府也相继出台了有关超低排放监测设施的要求或指导性意见，因此需要准确性、可靠性和稳定性更高的CEMS设备来满足现阶段超低排放机组烟气自动监测的要求。本文研究气态污染物CEMS的技术现状，并旨在提出适合超低排放机组气态污染物的监测路线。

1 气态污染物CEMS系统构成

气态污染物CEMS一般由气态污染物监测子系统、烟气参数监测子系统和数据采集处理与通讯子系统组成[2]。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；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，用于排放总量的计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，实现数据的记录、上传等工作。

2 超低排放机组气态污染物CEMS技术现状

随着燃煤机组超低排放实施，传统在线监测方法已不能满足低浓度污染物排放监测的需求，为了适应污染源排放要求的变化，国内外的相关研究机构及设备厂家针对超低排放形势下的气态污染物CEMS进行了技术优化和革新，目前的低浓度CEMS已能够满足超低排放的监测需要。下面对国内外主流的气态污染物在线监测技术进行比较分析。

2.1 超低排放机组气态污染物CEMS技术现状

超低排放低浓度气态污染物CEMS测量方法较多，根据采样系统可分为直接抽取式和稀释抽取式，根据分析方法可以分为红外吸收法、紫外吸收法、紫外荧光法以及化学发光法等，具体分类如下：

2.1.1 气态污染物CEMS原理-按采样系统划分

2.1.1.1 直接抽取式

（1）冷干完全抽取式：冷干完全抽取法是较为传统的烟气连续监测方法，由取样探头、伴热传输管线、样气预处理、反吹扫、样气分析仪、仪表校准、程序控制等部分组成。通过伴热传输管线将烟气抽取、经过采样探头和过滤冷凝干燥装置除去烟气中的水分，进入分析仪，该方法在烟气预处理阶段需采用除水性能优越的膜渗透或其他脱水技术除去样气中的水分。

（2）高温红外法（热湿法）：高温红外法是基于热湿法的气体分析系统，烟气从取样、传输、分析、排气的整个过程始终保持180℃以上的高温从而避免了烟气冷凝造成的腐蚀及损失，适用于气体成分及气体特性复杂的场合[4]。

2.1.1.2 稀释抽取式

稀释采样法[5]是在直接抽取的基础上，用纯净的干空气将烟气稀释至可以直接测量的干烟气进入分析仪。采样时由于对烟气进行了大比例的稀释，降低了气体露点，消除了烟气中水分对测量结果的影响，无须加热和保温，大大减少了维护量，且大比例的精确稀释样气，使样气长距离传输变的简单方便，并且不改变样烟气的任何成份，测量准确度高。

2.1.2 气态污染物CEMS原理-按分析系统划分

2.1.2.1 红外吸收法

红外吸收法主要采用“非分散性红外线技术”（NDIR），是一种基于气体吸收理论的方法。红外光源发出的红外辐射经过一定浓度的待测气体，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律，因此求出光谱光强的变化量就可以计算出待测气体的浓度。红外吸收法CEMS是目前市场上的主流。

2.1.2.2 紫外吸收法

紫外吸收法是利用不同气体在紫外辐射范围的吸收特性。紫外光源发出的紫外光汇聚进入光纤，通过光纤传输到检测室，穿过被测气体经吸收后，通过光纤传输到光谱仪。在光谱仪内部经过光栅分光，由阵列传感器将分光后的光信号转换成电信号，然后在转换成气体的吸收光谱信息，经比较谱线，计算样气的浓度。

2.1.2.3 紫外荧光法（测SO2）

紫外荧光法是基于分子发射光谱法，该方法一般仅用于测量SO2，采用Zn灯照射在SO2气体分子上，让它成为激发态的SO2；当激发态的SO2分子返回到基态时，就会发射出荧光光子，紫外荧光光强与SO2样气的浓度成线性关系。

2.1.2.4 化学发光法（测NOx）

化学发光法一般用于测量NOx，是利用化学反应产生的光能发射，氮氧化物等化合物吸收化学能后，被激发到激发态，在由激发态返回至基态时，以光量子的形式释放能量，通过测量化学发光强度对物质进行分析测定，最广泛使用的是臭氧的发光反应，样气中的NO与O3反应生成激发态的NO2，激发态的NO2通过发射光子从而释放多余的能量回到低能态。通过光电倍增管（PMT）测定激发态的NO2返回低能态时发出的光强度，检测出NO的浓度；通过电磁阀门转换气路，使样气通过钼炉，样气中的NO2在高温下315℃与钼（Mo）反应，还原为NO，并和样气中原有的NO一同进入反应室与O3反应，从而测得样气中NOx的浓度。该反应有两个过程：第一步，单个NO与单个O3碰撞，发生反应产生一个O2和一个NO2分子。在碰撞后，部分NO2保留一定数量的多余能量，因此处于激发态，NO2分子的一个电子保留有比正常状态更高的能量。

2.1.3 气态污染物CEMS检测方法对比分析

主要气态污染物CEMS优缺点对比分析见表1。

表1 气态污染物CEMS监测技术对比

从上表可见，直接抽取式中的冷干法CEMS系统为干基浓度测量，热湿法系统为湿基浓度测量，分析仪多采用红外吸收、紫外吸收法原理测量；稀释抽取式CEMS系统为湿基浓度测量，分析仪多采用紫外荧光原理、化学发光原理测量。在气态污染物CEMS选型上，以上采样及测量方法均满足现有超低排放的监测要求。

3 气态污染物监测建议

3.1 设备选型建议

综合考虑设备价格、运行维护费用、人员培训等因素，可优先考虑直接抽取式+红外吸收法的气态污染物CEMS。

3.2 技术路线建议

在脱硫出口特别是湿式除尘（如有）后，采用直接抽取法+非分散红外/紫外吸收法时，应配备除水性能优越的脱水技术作为烟气预处理措施，防止SO2吸附在管线中导致测量浓度降低。

在脱硫出口特别是湿式除尘（如有）后，采用稀释抽取法时，SO2和NOx的测量选用紫外荧光法和化学发光法技术。

3.3 设备管理建议

CEMS设备的日常运维极其重要，为提高CEMS设备运行的稳定性与监测数据的有效性，各发电企业应进一步加强CEMS管理，并建议大型发电集团开展CEMS设备集团化采购，集团化采购后可对备品备件统一管理，要求供货商分区域储备备品备件，降低备品备件库存。

3.4 其他相关建议

（1）CEMS应具备检测全部氮氧化物浓度的能力，包括一氧化氮和二氧化氮。

（2）采用冷干法的CEMS，要求进入分析仪的样气露点在4℃以下。

（3）CEMS应能够实现全系统校准。

（4）稀释抽取法的气体稀释比稳定；稀释抽取探头系统需要的稀释空气必须是清洁的，无油的、没有颗粒物和被测气体，不能引起明显的测量误差，必须配备完备的气体预处理系统，主要包括气体的过滤、除水、除油、除烃以及除二氧化硫和氮氧化物等环节。

（5）氮氧化物在线监控设备若采用红外法检测，其采样管和制冷剂对二氧化硫的损失不能超过8%；

（6）根据超低排放机组烟气污染物排放限值设定CEMS量程，仪器量程建议为相应污染物排放限值的1.5～2倍，以保障测量精度，减小测量误差。

4 结语

由于传统在线监测方法已不能满足超低排放机组污染物排放在线监测的需求，而目前市场上低浓度气态污染物CEMS测量方法较多，因此本文对超低排放机组气态污染物CEMS原理进行对比分析，并在设备选型、监测技术路线、设备管理等发面提出适合超低排放机组气态污染物监测的建议，各企业应结合自身情况，选择适当的污染物排放在线监测方法。

[1] 杨凯,周刚,王强，等.烟尘烟气连续自动监测系统技术现状和发展趋势[J].中国环境监测,2010,26(5):18-26.

[2] 张良,张玮,曹亚明，等.CEMS烟气在线监测系统的组成与维护[A].中国环境科学学会2010年学术年会论文集[C].上海:中国环境科学学会, 2010:3402-3405.

[3] 苏静,吴海平,王金奇.CEMS烟气在线连续监测系统常见问题的探讨[J].污染防治技术,2011,24(3):73-75.

[4] 常虹.烟气排放连续监测系统的分析与改进[D].保定：华北电力大学，2011.

[5] 李琦.稀释法烟气CEMS在线监测系统[J].自动化应用,2013,(11): 26-28.

修回日期：2016-11-24

Technical Analysis of Continuous Emission Monitoring System from Ultra-low Emission Units

REN Qing-jie1，CHEN Guang2，ZHANG Ran2，XU Ke-tao2
（1.China Huadian Shanxi Energy Co.,Ltd,Xi’an 710000,China;2.Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

After the ultra-low emission modification of coal-fired units,the original CEMS technical requirements and test methods are not enough to meet the needs of monitoring.So CEMS of higher accuracy,reliability and stability is required to meet the requirements of ultra-low emission unit flue gas automatic monitoring.This paper analyzed the main problems of the current gaseous pollutants CEMS,researched on the present situation of gaseous pollutants CEMS technology of ultra-low emission units,contrasted and analysed the methods of gaseous pollutants CEMS detection ,finally put forward suitable gaseous pollutants monitoring technology route for ultra-low emission units.

CEMS；ultra-low emission；gaseous pollutants；direct extraction；dilution extraction

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.004

X84

B

2095-3429（2016）06-0016-03

任清洁（1970-），男，陕西洋县人，硕士研究生，工程师，主要从事电力企业环保管理方面的工作。

2016-10-08