烟气排放连续监测系统在芳烃联合装置上的应用

徐进涛

烟气排放连续监测系统（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，并将信息实时传输到主管部门的监测系统，由气态污染物监测子系统、烟尘监测子系统、烟气参数监测子系统和数据采集处理与通讯子系统组成。

我国的烟气排放连续监测工作起步较晚，1996年颁布的GB 13223—1996《火电厂大气污染物排放标准》中，首次提出了新建和改扩建火电厂应该装设CEMS的要求，2001年国家环保局颁布了HJ／T 75—2001《火电厂烟气排放连续监测技术规范》和HJ／T—2001《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》，我国的烟气排放连续监测工作开始步入正规，有了符合我国国情的技术标准。我国第一套CEMS是1986年广东沙角B发电厂从日本引进的，1997年之后，由于国家强制性标准GB 13223—1996的颁布实施，安装CEMS的电厂数增长较快，2001年之后，烟气排放连续监测工作全面铺开，不但火电行业，其他行业的大型锅炉和工业炉窑，均开始安装CEMS。虽然目前技术、装备、管理和运行维护方面还存在许多问题，环保机构的监管能力和监管力度也比较薄弱，但我国的烟气排放连续监测系统市场规模巨大、前景广阔，这一点是毋庸置疑的［1］。

按照上海颁布的DB 31／387—2014《锅炉大气污染物排放标准》的要求，额定蒸发量大于等于14 MW的锅炉应按照《污染源自动监控管理办法》规定的安装大气污染物连续监控系统，与环保部门联网，并保证设备正常运行。某炼化企业为了能够实时监控加热炉烟气中二氧化硫、氮氧化物和烟气流量等各类信息，利用装置停车消缺检修机会，为加热炉增设烟气排放连续监控系统。在此项目中为芳烃联合装置的所有加热炉新增11套CEMS，并配套设置9个分析小屋，实时监控装置加热炉大气污染物排放情况。

1 CEMS总体情况介绍

1.1 CEMS组成介绍

CEMS由气态污染物监测子系统、烟尘监测子系统、烟气参数监测子系统、系统控制及数据采集处理子系统4个部分组成。气态污染物监测子系统主要用于监测气态污染物二氧化硫、氮氧化物等的浓度和排放总量；烟尘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、温度、压力、含氧量及湿度等，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，生成与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。CEMS一般应具备在线自助或手段核准功能。系统一般具有开放平台，能够随环保法规和政策的改变而不断完善。

CEMS的总体情况见图1。

图1 CEMS总体情况

1.2 气态污染物监测子系统

气态污染物主要为氮氧化物、二氧化硫，采用的连续监测系统有抽取式连续监测系统和直接测量法连续监测系统，其中抽取式连续监测系统又分为完全抽取法和稀释抽取法两种形式。直接抽取法连续监测系统是样品在到达分析仪之前，经过除尘、除水、冷却等处理，分析仪测得的是干基样品中的污染物浓度。而稀释抽取法连续监测系统利用干燥、清洁的仪表空气对烟气进行精确的稀释取样，将稀释后的烟气引入分析仪进行分析，分析结果再折算成稀释烟气中的浓度，分析仪表测得的是湿基样品中的污染物浓度。直接测量法连续监测系统又称为现场连续监测系统，即直接将分析仪安装在烟道上（或者烟道旁路上），对烟气中污染物进行实时测量，也称为横穿烟道的连续监测系统，它不需要抽取烟气在烟道外进行分析，分析仪测得的是湿基样品中的污染物浓度。

从目前世界工业发达国家的使用情况看，美国和欧洲以稀释抽取采样法为主，日本则以直接抽取采样法为主。鉴于目前分析仪的性能还不能完全满足直接测量法连续监测的要求，使用寿命较短，维修难度较大，其测量精度和长期可靠性还存在一些问题，需要改进，所以，直接测量法连续监测系统在中国使用的数量并不多。本项目从各个方面综合考虑，最终决定选用直接抽取法来监测气态污染物。

1.3 烟尘监测子系统

烟尘颗粒物浓度测量方法主要有光学透射法、光学散射法、β射线法、电子探针法。其中光学透射法是激光或红外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减弱，通过测定光束穿过烟气前后的光强比值来确定烟尘浓度，光学透射法又称为浊度法。光学散射法是激光或红外平行光束射向烟气时，烟尘对光产生散射，经烟尘散射的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确定烟尘浓度。β射线法利用烟尘对β射线的吸收与烟尘质量成正比的原理，用采样方法将烟尘富集到滤膜上，然后测量被吸收后的β射线剂量，可测得烟尘含量。电子探针法是烟尘粒子随烟气运动与探针摩擦产生静电，电荷量的多少与烟尘颗粒数量成正比，以此原理来测量烟尘含量的多少。

我国环保法推荐的烟尘浓度测量方法有光学透射法和光学散射法两种。由于β射线法需要放射源，因此，我国标准不考虑这种方法。电子探针法受流速的影响较大，校准困难，也不推荐采用。由于加热炉的燃料采用的是燃料气，在项目实施前期对所有加热炉烟气多次采样分析，并未发现烟气中存在粉尘颗粒，经请示上海市环保局并得到其同意后，本项目未新增烟尘监测子系统。

1.4 烟气参数监测子系统

烟气参数监测子系统监测项目有烟气流速、温度、压力、湿度、氧含量等，其作用是测量标准状态下的干烟气流量，以便计算排污总量。

在烟气流量监测方面，目前国际上一般采用压差法、超声波法、热传感法3种，其中压差法是用测速管流量计测量流量，由皮托管（或均速管）测量元件和差压变送器组成。超声波法就是利用超声波流量计测量流量，根据超声波换能器安装方式分为内置探头式和外置式两种结构型式。热传感法就是利用热平衡式质量流量计测量流量，根据探头上热传感元件的多少，分为单点插入式和多点插入式两种。从产品性价比等各项因素综合考虑，本项目中烟气流量测量采用皮托管的压差测量法。同时本项目中烟气的温度采用温度传感器来实现，烟气的压力采用压力传感器来测量。

烟气的湿度采用湿度仪进行测量。具体分析方法有红外吸收法、测氧计算法、湿敏电容法。其中红外吸收法通过测量对水较敏感的红外线吸收量，测定烟气中水分含量；测氧计算法是用氧分析仪测定除湿前后烟气中含氧量，利用含氧量差值计算烟气中水分含量；湿敏电容法是电容器两极间的介质中含有水分时，改变介质的介电常数值，从而导致电容量的变化，该变化与介质的含水量有线性关系。本项目中湿度的测量采用的是湿敏电容法。

二氧化硫的测量方法主要有紫外荧光法和非分散红外法。氮氧化物的测量方法主要有化学发光法、非分散红外吸收法。目前直接抽取法大多采用非分散红外分析仪，稀释抽取法则采用紫外荧光法二氧化硫分析仪和化学发光法氮氧化物分析仪，直接测量法则采用红外或紫外吸收法来测量。本项目中烟气中的二氧化硫和一氧化氮的测量采用的是非分散红外法来测量，具体是利用在2.5～12μm波长范围由异种原子构成的分子气体固有的吸收特性，这个波长范围有分子固有的振动现象，分子振动在分子固有波长引起光谱的吸收，除了惰性气体或N2、H2、O2等元素气体（由两个同种原子构成）之外，大部分的气体分子都有自己固有的吸收光谱线，红外光在样品池被吸收，吸收的定量关系与朗伯／比耳定律一致。

烟气氧含量可以采用氧化锆氧分析直接测量，也可以采用多组分分析仪和气体污染物一起测量。本项目采用电化学分析方法分析烟气中的氧气，具体是在直接抽取采样法中，在红外分析仪中增加一个氧测量模块，用电化学测量原理测量烟气中的烟含量。

2 系统硬件构成及工作流程

2.1 系统硬件组成

芳烃联合装置新增的烟气排放连续监测CEMS采用的是ABB公司的ACX－C150系统。所有CEMS数据都通过仪表电缆采用硬接线的方式传递给分布式控制系统（DCS），方便操作工在控制室实时了解加热炉的运行情况，同时通过数采仪能将数据无线传输至环保局、中国石化网站。CEMS向DCS传递的数据主要有二氧化硫的浓度、氮氧化物的浓度、双组分氧化锆测的烟气中一氧化碳浓度和氧气浓度、烟气湿度、烟气温度、烟气压力、烟气流量、分析小屋的温度、CEMS故障状态信号、分析仪故障状态信号、分析仪表标定状态信号、分析仪表反吹状态信号、分析仪表超量程信号，使操作工在控制室内能全面了解加热炉和CEMS的运行情况，及时发现异常。

2.2 系统工作流程

芳烃联合装置加热炉新增烟气排放连续监测系统在加热炉烟囱排放处新增4个孔，第一个孔作为CEMS数据人工比对孔，由环保人员定期在此人工取样孔采样，对烟气数据进行分析，从而验证CEMS是否运行正常；第二个孔作为双组分氧化锆仪表的安装位置，该表在CEMS之外对烟气中的一氧化碳、氧气进行测量，同时还起到对CEMS中氧含量的数据比对的作用；第三个孔是为了安装CEMS的温压流一体机而开的，通过温压流一体机对烟气的温度、压力、流量进行测量，然后将数据传递给CEMS的分析小屋内的工控机；第四个孔上安装了CEMS的取样探头，通过取样管线将烟气输送到分析小屋的预处理部分，同时取样管线外层包裹了一体化伴热电伴热管线，对取样管线伴热。进入分析小屋内的烟气首先经过取样泵加压送至湿度仪内对烟气的湿度进行测量，接着送至冷凝器中进行冷凝除水后，干燥的烟气接着被送至ABB公司的EL3020分析仪进行二氧化硫、一氧化氮、氧气的测量，所有测量数据传输给硕华的工控机。最终所有CEMS数据再通过硕华的工控机用仪表电缆采用硬接线的方式传递给控制室的DCS，操作工在控制室内即可实时了解加热炉烟气排放情况，进而及时对加热炉运行情况进行调整。

3 系统应用经验

3.1 CEMS选用

第一，为了CEMS能够正常运转和顺利通过环保局的CEMS验收，固定污染源烟气在线仪表的选择必须遵循性能优越、业绩突出、价格合理、服务到位、测量实时、设计合理、抗干扰等原则，可以满足石化工业生产和特殊工艺的要求，所选设备（包括数据采集设备）必须取得国家计量器具制造许可证、进口仪器国家质量技术监督部门的计量器具型式批准证书、国家环境保护部环境监测仪器质量监督检验中心出具的产品适用性检测合格报告和国家环境保护产品认证证书，仪器的名称、型号必须与上述证书相符合，且在有效期内，产品必须满足国家有关安全、环保等强制性标准。

第二，使用的测量方法和测量结果的准确度符合国家有关标准和规定，便于环保部门的验收。

第三，系统应具备在线自动或者手动校准功能。

第四，具有开放的平台，能够随环保法规的改变而不断完善，并具备局域网或广域联网接入功能。

3.2 烟气CEMS开孔位置的选择

烟气CEMS开孔应优先选择在垂直管段和烟道负压区域，确保所采集样品的代表性，测定位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。对于颗粒物CEMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于4倍烟道直径，以及距上述部件上游方向不小于2倍烟道直径处；对于气态污染物CEMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于2倍烟道直径，以及距上述部件上游方向不小于0.5倍烟道直径处。对矩形烟道，其当量直径D＝2A×B／（A＋B），式中 A和B为边长。当安装位置不能满足上述要求时，应尽可能选择在气流稳定的断面，并采取措施保证采样断面烟气和颗粒物分布相对均匀，监测断面无紊流，且安装位置前直管段的长度必须大于安装位置后直管段的长度。最终开孔位置必须经过环保部门签字认可之后才能施工。

3.3 参比方法采样孔位置和数目的选择

在烟气CEMS监测断面下游应预留参比方法采样孔，采样孔内径不小于80 mm（装法兰）。当烟道为正压烟道或有毒气时，应采用带闸板阀的密封采样孔。采样孔位置和数目按照GB／T 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》中4.2.4的要求确定，以供参比方法测试使用。在互不影响测量的前提下，应尽可能靠近。

3.4 取样管线和电伴热管线安装

取样管线尽量从烟囱取样口竖直铺设到分析小屋，尽量避免取样管线弯折，同时取样管线水平方向铺设时应该水平倾斜向下（略有倾斜角度）铺设。整个取样管线从烟囱到分析小屋的竖直距离尽量不要超过70 m，否则就比较难以通过验收。电伴热管线的长度单根控制在60 m以内，如果整个电伴热管线长度超过60 m，为了保证取样管线的伴热效果，建议采用两段电伴热管线伴热，保证取样管线的伴热效果。

3.5 CEMS数据缺失时的处理

当任一参数的烟气CEMS数据缺失在24 h以内（含24 h），缺失数据按该参数缺失前1 h的有效小时均值和恢复后1 h的有效小时均值的算术平均值进行补遗。

当颗粒物、气态污染物CEMS数据缺失超过24 h时，缺失的小时排放量按该参数缺失前720个有效小时均值中最大的排放量进行补遗。

当除颗粒物、气态污染物以外的其他参数的烟气CEMS数据缺失超过24 h，缺失数据按该参数缺失前720个有效小时均值的算术平均值进行补遗。

4 结语

通过为芳烃联合装置的所有加热炉新增烟气排放连续监测CEMS，可以让操作人员实时监控到烟气中一氧化氮、二氧化硫、氧气的含量，当发现以上数据有上升趋势时，及时调整加热炉燃料气的进料量或者空气进料量，在降低装置能耗和物耗的同时可以减少装置挥发性有机化合物的排放。芳烃联合装置在新增烟气排放连续监测CEMS后，氮氧化物的排放指标可以达到40 mg／m3，二氧化硫的排放指标可以达到10 mg／m3，远远低于氮氧化物不超过100 mg／m3、二氧化硫不超过 50 mg／m3的国家环保标准。

［1］ 王森，符青灵.仪表工试题集－在线分析仪表分册［M］.北京.化学工业出版社，2006：164－165