煙氣連續排放監測系統及其應用
1 問題的提出
隨著科學技術和全球經濟的迅猛發展，環境污染和生態破壞日趨嚴重，大氣質量正在不斷的惡化。當今危害環境和人類身體健康的3種主要污染物是：酸雨、城市空氣污染、工業排放的有毒氣、液體。
為了保證清潔的空氣質量，早在1969年美國就通過了《大氣污染防治法》，此項法律在當時環境保護上具有很大的進步意義。隨著時代的發展，我國也逐漸認識到環境在人類生活和經濟發展中的重要地位，《中華人民共和國大氣污染防治法》已于2000年9月1日起施行。控制和減少環境污染不僅是一種政府行為要強制執行，而且是一種民族意識。大氣環境污染監測系統則是進行控制和減輕大氣環境污染工作必不可少的首要裝備。
目前世界上生產煙氣連續排放監測系統CEMS(Continuous Emission Monitoring System)的公司很多，在中國市場CEMs銷售商主要有：ABB公司；美國環境系統公司，熱電子公司下屬的熱環境公司；德國siemens公司，SICK公司，M&C公司；英國愛能公司；日本掘場公司，島津公司等。
ABB作為全球最主要的CEMS供貨商，煙氣連續監測系統在全世界范圍內每年銷售約600套，具有全球的應用經驗。大量的應用業績及較高的世界市場占有率使ABB成為煙氣連續排放監測領域的技術及市場領導者。
本文將主要以ABB公司的Advance cemasNDIR煙氣連續監測系統及相關分析儀器進行詳細的介紹。
2 CEMS的技術現狀
CEMS是對固定污染源煙氣排放在線連續監測的系統，分別由顆粒物監測子系統、氣態污染物監測子系統、煙氣參數監測子系統和數據處理與通訊子系統組成。具體到一個污染排放連續監測系統主要由采樣技術、煙氣分析技術、煙塵分析技術、流量測量技術、數據控制采集技術和其他輔助技術組成。
2．1 采樣技術
CEMS的采樣方法從廣義上可以分成3種類型：抽取法，直接測量法，參數法。抽取法可以細分為直接抽取測量法和稀釋法；直接測量法可以采取管路測量和點測量方式；參數法主要依賴于物理參數的測量，例如：溫度，壓力，或通過其他過程量的測量來預測估計排放量。
在酸雨的測量中，稀釋法(濕式測量)占有主導的地位。一般情況下這種采樣方法能很好地滿足測量要求，但當污染物濃度長時間持續在較低水平的情況下，測量就受到限制。對于一些動態變化參數的測量，例如煙道的溫度、煙道的壓力和氣體分子量的變化都會對稀釋測量技術帶來不利的影響。當分析儀的靈敏度達不到要求時，采用稀釋法測量的系統就無法再正常工作。
通常來講，反應性氣體和可壓縮性氣體如氯化氫，氨氣和甲醛等常常給測量帶來很大的挑戰。這些氣體在煙道的流動過程中可能會發生反應，或者它們會在溫度較低的抽取采樣系統中被液化、吸附或者在達到分析儀之前就已經被聚合。
因此為了能夠獲得可靠的測量結果，需要根據采樣氣體的組成成分采取具體的采樣方式和分析技術。
2．2煙氣分析技術
當今的氣體分析技術主要包括：非分散紅外氣體分析，紫外線氣體分析，化學熒光氣體分析，磁氧氣體分析，火焰離子檢測分析，氣相色譜分析，質譜分析，傅立葉變換紅外分析等。
對大氣污染物中二氧化硫、氮氧化物的分析技術很多，但常常受到被測條件的制約。適合于對煙氣中二氧化硫進行連續測量的方法主要有紫外熒光法與紅外吸收法，其中，紫外熒光法是GB3095—1996中所規定的二氧化硫監測方法，化學發光法是GB3095-1996中所規定的氮氧化物監測方法，這類分析儀是CEMS的核心，在整個CEMS中所占的價格比例約為20％。
2．3煙氣測量技術
CEMS中煙塵測量是一個相對獨立的部分，在我國該技術發展的相對比較成熟。
煙塵測量儀應用的主要困難是分析儀計量單位和現行國家法定計量單位的差異。以前煙塵的測量主要采用手動采樣稱重法，因此標準規定采用煙塵的質量分數。而現代連續監測系統采用、光學或電學方法測量，并采用濁度作為計量單位。質量分數對稱重法非常適宜，但對光學法和電學法則需要進行單位轉換，而單位轉換需要進行額外的標定試驗，這種轉換必須滿足一定的條件。由于測試現場條件的限制，轉換單位時將產生較大的誤差。同時標定試驗工作量很大，使得附加費用增加很多，不利于推廣應用。
美國環境排放標準規定了排放煙塵的濁度標準，美國的CEMS幾乎全部采用光學濁度儀進行煙塵質量分數的測量。目前在我國的實際應用中也越來越多地采用濁度作為煙塵計量單位。
3 ABB分析儀系列
ABB提供品種齊全的分析儀表產品，以滿足各式各樣的需求，并借助先進的通訊網絡工程應用技術，儀表能夠與PC或者不同DCS之間實現連接，從而使分析儀表系統的操作和服務更加簡單。目前在煙氣測量方面涉及和采用的分析儀器主要有Advance Optima和Easyline兩大系列，分析系統常用的是Advance Cemas NDIR系統。
3．1 Advance Optima模塊化氣體分析儀
Advance Optima模塊化分析儀廣泛應用于石化、水泥、冶金、電廠、環保行業，它依據測量任務，使用相應測量原理的分析模塊，提供靈活、經濟、可靠、廣泛的選擇。
該模塊化分析儀表系列采用先進的系統集成分析工藝技術，使氣體的連續分析標準化，并可以把標準化的模塊和特定的要求相結合，使分析解決方案成本降低。具體產品包括：Uras 14紅外分析模塊，Magnos 16/17氧分析模塊，Multi—FID 14火焰離子檢測器分析模塊，Caldos 15/17熱導分析模塊，Limasll紫外分析模塊等。
該分析儀表特點如下:
1個中央處理單元和多個分析模塊：通用控制技術、通用連接技術、標準系統機箱；6種不同分析模塊，用于氣體在線分析和排放監測系統，模塊化設計易于維護，具自診斷功能；配置3個分析模塊，分析樣氣中最多6種不同成分；在線測量值顯示和棒圖顯示，菜單操作，簡便易學；狀態和出錯信息顯示；系統配置靈活；多種通訊接口，直接與上位機通訊；可選的一體化氣體模塊；通用19時(1時=25.4mm)機架式機箱或壁掛式機箱，防爆危險場所，分析儀可以直接安裝于2區；選擇隔爆機箱時，分析儀可以安裝于1區。
此外，Advance Optima具有網絡通訊功能，使儀表可以與客戶的PC或DCS連接。Advance Optima具有多種通訊協議，其中包括RS-232/RS-485 Modbus協議，TCP/IP協議，Profibus等協議。用戶可以選擇不同的軟件工具進行顯示和進行進一步的信息傳送，從而實現遠程直接操作、維修甚至服務的目的。
3．2 Easyline氣體分析儀
Easyline系列分析儀是ABB推出的低成本、高性能氣體分析儀，已得到廣泛的應用。
該分析儀堅固耐用、使用簡單，只需要通過4個按鍵就可以進行操作。它具有邏輯菜單，運行平穩的特點。應用領域包括工業過程分析、空氣檢測、生物發酵、空調技術、垃圾處理產生的氣體、倉庫和水果儲藏等。
3種Easyline分析儀通過Modbus協議RS-232/RS-485接口可以輕松地與PC，PLC和DCS等過程控制系統集成。測得的數據和狀態信號能夠向上一級的系統傳遞，例如傳送到基于Windows平臺的應用中。傳送過程是通過服務器DDE來完成的，它還具有讀取并存儲數據、顯示實時數據和歷史趨勢等功能。
Easyline IR 只是一種紅外分析儀，它能有選擇地對多達兩種氣體成分進行體積分數的測量。它能對一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、甲烷、一氧化氮等氣體進行測量，并有高選擇性和高穩定性內置校正單元，可以在沒有標定氣體的情況下進行校正。
Easyline O2用于測量氧氣的純度或用來測量過程氣體中氧氣的體積分數。這種氧氣分析儀的測量方法是墓于氧氣具有特別的順磁性原理。
Easyline TC 是一種熱導分析儀，它采用精密加工的硅傳感器，響應速度快。
3．3 ABB公司的CEMS特點
ABB的Advance Cemas NDIR 分析系統是專門用于煙氣連續排放監測的CEMS。測量一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫，二氧化氮和氧氣等，自動校準無需配置鋼瓶氣；系統具有自診斷功能顯示探頭、采樣管線，樣品處理系統、故障和維護請求；按環保要求完成數據的處理，包括CEMS參數的記錄、趨勢、計算以及各種報表輸出；系統通過了TUV和CSA機構關于CEMS測試以及安裝維護的認證。
3．3．1 系統特點
該系統的全中文顯示應用軟件，便于使用與操作，多種顯示功能的選擇完全符合國家和地方標準。測量結果均通過了國家環保總局的認證。系統基本配置及特點如下:
氣體分析儀器采用德國ABB H&B公司微機智能型Advance Optima分析儀(配置Uras 14紅外分析模塊)。
顆粒物監測子系統選用德國原裝產品，特點是：性能穩定，一次性成本投入少，可用毫克每立方米、微克每克、消光值、衰減率4種顯示，便捷菜單操作，自帶反吹掃系統，帶有RS-232接口。
流量監測儀選用美國原裝流量計，應用熱傳導式原理測定煙氣的流速。其特點：耐磨損、耐腐蝕設計適用于電站煙氣分析；定期自動清洗傳感器，長期保持測量精度；帶有雙傳感器，可以補償煙氣溫度波動對測量精度的影響；可以兼測煙氣溫度。
統擁有強大的數據采集與處理系統，多組模擬量、開關量輸入輸出接口；可實現現場總線的連接；多種通訊方法的選用，使系統運行更為方便、靈活；累計平均時間小于等于10s，實時數據刷新時間小于等于3s。
系統內置標氣池，無需鋼氣瓶，經過認定機構測試認證：標氣池長期穩定，8a以上測試，飄移小于1％標氣值。
3．3．2 系統主要功能及應用范圍
檢測煙塵(顆粒物)質量分數、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氨氣的體積分數，煙氣流速、煙氣溫度、煙氣濕度、煙氣中氧的體積分數等多項相關參數及統計排放率、排放總量等。
CEMS主要應用領域：石化行業中的催化劑再生爐和自備電廠鍋爐等；供熱及電力行業的各種鍋爐；建材行業的水泥、玻璃及陶瓷窯爐；冶金行業的焦爐、高爐、轉爐等。
2002年鎮海石化公司的CFB鍋爐采用了ABB的CEMS。系統采用了德國ABB生產的Advance Optima 氣體分析儀，德國 DERAG 公司的塵濃度儀，美國INTEK公司的流量計和溫度變送器，數據采集系統由中國ABB公司提供。系統目前還處在安裝調試階段。
4 中國CEMS現狀和前景展望
20世紀90年代以來，國內石化、電力行業較早開始引進CEMS，到目前為止，粗略統計全國共使用各種型號的CEMS已達數百套。隨著中國持續、快速的經濟增長和生活質量的提高，人們對環境保護也提出了更高的要求，實現經濟與環境的協調發展必須依靠環境科技的強大支撐。加強環境技術創新，發展高科技，實現產業化，既是解決中國環境保護面臨的深層問題、進一步提高環境科技和環保產業整體素質和綜合實力、實現跨越式發展的緊迫需求，也是應對環保產業參與國際競爭，立于不敗之地的戰略抉擇。
近年來，隨著人們環保意識的逐漸提高和石化及各個行業領導的高度重視與大力推廣，煙氣連續排放監測系統將得到越來越廣泛的應用!
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