烟气排放连续监测系统(CEMS)的设计

王秀宏

摘  要：炼油厂加热炉加装烟气排放连续监测系统（CEMS），并将信号引入DCS系统，同时远传至环保部门，实现对固定污染源烟气排放的集中监测和监管，提高环保水平。

关键词：CEMS

目前我国的大气污染治理已经到了刻不容缓之际，在加强环保方面的监管力度的同时，国家对烟气排放的标准要求也不断提高。依据《排污许可证申请与核发技术规范石化行业（HJ853-2017）》和《排污单位自行监测技术指南石油炼制工业（HJ 880-2017）》规定：单台额定功率≥14MW的工艺加热炉排气筒須安装烟气NOx排放连续监测系统（CEMS），自2018年1月1日起实施。

目前国内很多炼油厂已运行多年的、达到上述规模要求的工艺加热炉没有安装CEMS，已无法满足环保要求。因此在老装置内加装符合《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测技术规范（HJ75-2017）》要求，且满足与政府环保部门在线监测平台联网要求的CEMS势在必行。

1 CEMS简介

烟气排放连续监测系统（Continuous Emission Monitoring System，简称CEMS），是指连续监测固定污染源颗粒物和（或）气态污染物排放浓度和排放量所需要的全部设备。

CEMS系统由气态污染物（SO2、NOX）监测子系统、颗粒物监测子系统、烟气排放参数（温度、压力、流速、湿度、含氧量）测量子系统、数据采集与处理子系统等组成。

气态污染物监测子系统采用光谱分析仪测量烟气中的SO2 、NOX 气体含量。该子系统由采样探头、采样预处理单元和分析仪组成。采样探头安装在烟道上，采样预处理单元和分析仪安装在分析小屋中。

颗粒物监测子系统采用激光测尘仪测量烟气中粉尘的浓度。

烟气排放参数测量子系统负责烟气温度、压力、流速、湿度和含氧量的测量。测量设备尽量采用集成化设计，减少在烟道上的开口数量。

数据采集与处理子系统由数据采集与处理单元、在线监测系统监测软件构成。在线监测系统监测软件汇总所有的气体浓度信息和工作状态信息，具有生成报表、存储数据、查询历史记录等功能。数据采集与处理子系统安装在分析小屋中，可通过网络传输方式与环保部门联网。

2 现场加装CEMS设计的一般性原则

2.1 分析小屋：

小屋配套可燃气体/毒性气体/低氧检测器各1台，以及供电、防爆空调、接线箱、标气瓶等配套设施。小屋高度应≥2.8m，安装在地坪标高≥0m 处，与采样点之间的距离应尽可能近，原则上不超过70m。若小屋内仅放置单台机柜，面积应≥2.5×2.5m2。若放置多套分析仪表的，每增加一台机柜，站房面积应至少增加3m2，以便于运维操作。

2.2 标准气体配备：

配备不同浓度的有证标准气体，且在有效期内。标准气体应当包含零气和CEMS 测量的各种气体（SO2、NOX、O2）的量程标气，以满足日常零点、量程校准、校验的需要。其中零气为含SO2、NOX浓度均≤0.1μmol/mol 的标准气体，一般为高纯氮气，纯度≥99.999%;当测量烟气中二氧化碳时，零气中二氧化碳≤400μmol/mol，含有其他气体的浓度不得干扰仪器的读数。

2.3 采样点的选取：

若一个固定污染源排气先通过多个烟道或管道后进入该固定污染源的总排气管时，应尽可能将CEMS安装在总排气管上，但安装位置的选择要便于采用参比方法校验CEMS;不得只在其中的一个分支上安装CEMS，并将测定值作为该源的排放结果;允许在每个分支上安装CEMS。

采样点应位于固定污染源排放控制设备的下游和比对监测断面的上游，应优先选择在垂直管段和烟道负压区域，注意避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。对于圆形烟道，颗粒物CEMS和流速CMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向≥4倍烟道直径，以及上游方向≥2倍烟道直径处，且不宜安装在烟道内烟气流速<5m/s 的位置;对于气态污染物CEMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向≥2倍烟道直径，以及上游方向≥0.5倍烟道直径处。对于矩形烟道，以当量直径计，要求一致。

对于新建排放源，采样平台应与排气装置同步设计、同步建设、确保采样断面满足上述要求;对于现有排放源，当无法找到合适的采样位置时，应尽可能选择在气流稳定的断面安装，并采取相应措施保证监测断面烟气分布相对均匀，断面无紊流。

2.4 参比采样孔的设置：

在CEMS 监测断面下游应预留参比方法采样孔，采样孔位置和数目按照GB/T16157 的要求确定。现有污染源参比方法采样孔内径应≥80mm，新建或改建污染源参比方法采样孔内径应≥90mm。在互不影响测量的前提下，参比方法采样孔应尽可能靠近CEMS 监测断面。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。

2.5 采样平台设置：

采样或监测平台长度应≥2m，宽度应≥2m 或不小于采样枪长度外延1m，周围设置1.2m 以上的安全防护栏，有牢固并符合要求的安全措施，便于日常维护（清洁光学镜头、检查和调整光路准直、检测仪器性能和更换部件等）和比对监测。采样平台应易于人员和监测仪器的到达，当采样平台设置在离地面高度≥2m的位置时，应有通往平台的斜梯（或Z字梯、旋梯），宽度应≥0.9m;当采样平台设置在离地≥20m位置时，应有通往平台的升降梯。

2.6 气态污染物监测子系统：

采样方法有完全抽取法、稀释抽取法和直接测量法三种形式。两种抽取法宜采用吸收光谱法、发光法和电化学分析法等检测技术;直接测量法宜采用吸收光谱法、光散射法和电分析法等检测技术。其中SO2分析仪采用脉冲荧光法原理;NOx分析仪采用化学荧光法原理。

完全抽取法样品采集装置应具备加热、保温和反吹净化功能，连结采样探头和分析仪的采样管线采用电伴热复合管，电压为220VAC，加热温度在120℃以上。稀释抽取法由于稀释样品的露点低而无需跟踪加热，所以连结采样探头和分析仪的采样管线是无需加热型的。

2.7 顆粒物监测子系统：

较高浓度烟尘（0～100g/m3）测量采用双光程透射式测尘仪表，较低浓度烟尘（0～200mg/m3）测量采用散射式测尘仪表。

工艺加热炉粉尘浓度较低，采用激光背散射原理，由于烟道的机械振动及烟气温度不均造成的折射率不均造成的光束摆动对仪表本身影响可忽略。

2.8 烟气排放参数测量子系统：

含氧量采用氧化镐法检测，温度、压力、流速、湿度可采用一体式传感器进行检测，避免在烟道上开口过多。

2.9 数据采集与处理子系统：

数据采集与处理单元以工业级PC机为主体，配置电话或网络通讯设备，配有与环保部门监控中心、用户DCS系统的通讯接口。数据采集传输仪的技术要求应满足HJ477-2009第4章的规定，并由CEMS供应商负责数据传输的调试。与DCS系统的接口采用RS485 Modbus RTU协议;通过GPRS、CDMA 等无线方式与市政环保部门通讯。

在线监测软件至少应具备以下功能：

数据监控和转换功能：显示各测量值的干基值、湿基值和折算值;显示过程变量的实时数据和设备运行状态;能够按照环保标准制表和打印日报、月报、年报表;

数据的存储和检索功能：能够检索任意时间点的监测数据和任意时间段的报表，CEMS系统历史数据保留时间应不低于一年。

监测参数设置功能：可设置各测量数据的报警上下限;可设置4-20mA 模拟输入量有关参数和数据输入开关量所代表报警含义;可设置管道横断面面积;系统具有多级管理权限，可以根据需要设置管理权限和登陆密码。

3  现场加装注意事项

3.1 抽取法取样管线长度原则上不能超过70m，敷设时禁止 “U”型弯出现，不能有死弯，禁止中间截取。

3.2 因现有装置内空间有限或地下管网复杂，分析小屋的摆放位置、采样梯子平台的设置、采样点的选取应根据现场实际情况，结合业主意见、CEMS供应商技术要求等统筹考虑。

3.3 设计时应注意采样点仪表设备、分析小屋与现有装置区内防爆要求一致;现场电动仪表防护等级不低于IP65;现场仪表须具有防雷功能，仪表信号进数据采集单元也要采取防雷措施。

4  结束语

该项目实施后，现有装置中烟气排放满足规范要求，达到合法合规目的。