烟气自动监测设备基本原理及构造..

1、废气自动监测设备基本原理及构造,吕俊鹏 2014年4月,目录,一、CEMS概要介绍 二、气态污染物监测子系统 三、常见烟气分析仪分析原理 四、颗粒物监测子系统 五、烟气排放参数监测子系统 六、数据处理子系统 七、前沿技术交流,一、CEMS概要介绍,CEMS概念 英文Continuous Emission Monitoring System的缩写。 烟气连续排放监测系统。 可对固定污染源长时间在线连续监测，实时监测污染物的排放浓度，计算排放率、排放总量。 并将数据上传到上级（或几级）环保部门的监控中心，确保排污企业污染物浓度和排放总量达标。 各种相关的环保设备如脱硫、脱销等装置，也依靠CEMS的数据进行监控和管理，以提高环保设施的效率。 CEMS的主要测量参数 污染物主要有：二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、颗粒物（烟尘） 烟气参数主要有：氧含量（O2）、烟气流速（流量）、烟气湿度、温度和压力等。 其他参数：CO、CO2、HCL、HF、H2S等。,CEMS组成框图,颗粒物监测子系统 气态污染物监测子系统 烟气排放参数监测子系统 数据处理子系统 通讯子系统,环保局监控平台,企业中控系

2、统,采样伴热系统,烟气参数信号,一体化温压流测量信号,固定污染源监测小屋,传输到环保局,有线通讯传输,CEMS系统示意图,通 过 无 线 通 讯 传 输,二、气态污染物监测子系统分类 采样方法分类，气体分析方法,完全抽取系统（热管法） 红外光谱吸收原理 紫外光谱吸收原理 稀释抽取系统 SO2-紫外荧光分析 NOX化学发光法 直接测量法 紫外差分吸收光谱法（DOAS）,分类依据 主要以烟气从现场到分析房的取样方法分类，主要涉及的参数是SO2、NOX等气态污染物的浓度，与烟尘、流速、温度、压力等参数无关 稀释法：将烟气用零空气稀释后，是混合烟气的结露点降到一定温度以下，再进行传输到分析仪进行分析 热管法：是通过一根拌热管，将烟气传输到分析仪进行分析 直接测量法方法是将分析仪直接插入到所要测量的烟道中现场分析。,完全抽取系统（热管法）,热湿法（高温法） 在测量过程中不降温，气体成分不变，有过滤环节，不降温除水。 高温分析仪，采购和维护成本高。 可测量HCL、NH3、H2S等易溶于水的物质。 适用于垃圾焚烧排放监测 前处理方式 直接在采样探头后进行烟气处理，过滤、降温、除水。 不需要拌热传输样

3、气。 预处理系统在平台上，维护不方便，防护等级要求高。 后处理方式 需要全程拌热传输样气。,完全抽取系统过程示意图,热管采样探头的原理,热管法的优缺点,直接抽取法的优点： 1、专用分析仪，每台分析仪可测量多种成分 2、 技术相对简单、成熟,易操作,易维护 3、 不受温度和压力的限制 4、 直接抽取测量，所测数值反映真实值，精确度高 直接抽取法的缺点 1、全程标定时，标气量消耗较大。 2、干基测量时，脱水环节会引起溶水损失，导致较小误差 3、预处理系统的零部件的耐腐蚀性要求较高。,稀释抽取系统,烟道内稀释 需要选用耐热耐腐蚀的材料 工艺要求比较高 样气输送管线不需要拌热 配稀释空气（零气） 烟道外稀释 样气输送管线不需要拌热 配稀释空气（零气）,稀释抽取探头,稀释法过程示意图,稀释法的优缺点,稀释采样法的主要优点： 采样流量小，减轻了尘和水的预处理要求 样气正压传输，不怕管道微小泄露 实现全程标定时，标气耗量小。 采用单分析仪测量，湿基测量 稀释采样法的主要缺点： 采用比例稀释法，稀释比例造成误差 探头反吹难度大，不好控制，易堵塞 探头部分烟囱内外有温差，容易结水，造成腐蚀 对零空气要求

4、高，很难达到需求的露点，造成样气的结露点高于常温，造成腐蚀和污染物的损失 技术复杂，成本高，要求运行环境好，维护麻烦,直接测量法,内置式 光学镜头在烟囱内，易受污染 单端安装，安装调试简单 震动对测量影响小 外置式 光学镜头在烟囱外，不易受污染 两端安装，安装调试相对复杂 受震动的影响大，光路校正 不适合于高浓度和大直径的管道,直接测量法过程示意图,测量数据输出,直接测量法的优缺点,直接测量法的优点： 无需管线传输，湿基测量 实时分析，响应时间快 不需要采样管线，成本低 直接测量法的缺点： 分析仪表全部暴露在高温、高湿、高尘的现场环境中，不易稳定可靠工作 维护难度大，光机电计算机一体化，全系统集成度高，维护人员必须具有系统级水平 烟气介质的改变对测量影响很大-温度、颜色、颗粒的大小、湿度的高低 不好定标. 机械运动部件多，易出故障. 烟气中的烟尘、水分浓度变化会影起测量值的变化。,三、常见烟气分析仪分析原理方法,非分散红外吸收法（NDIR） 紫外差分吸收法（DOAS） 紫外荧光法 化学发光法 傅立叶变化红外光谱分析法（FTIR） 激光法分析仪,朗伯-比尔定律,（应用：SO2吸收7300

5、nm、NO吸收5300nm的红外光； SO2吸收280320nm、NO吸收195225nm的紫外光）,样气以恒定的流量注入检测室，当红外线穿过检测室时，样气吸收一定的红外线能量，穿过参比室和检测室后的红外线的光强度产生差值，通过检测器将光强度差值转换成电信号，最后计算出样气中待测成分的浓度。,非分散红外光测量与分析原理,紫外光测量与分析原理（点测量）,氙灯光源发出的紫外光汇聚进入光纤，通过光纤传输到检测室，穿过检测室时经被测气体吸收后，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为电信号，再将电信号转换成气体的吸收光谱信息，然后经过比较谱线，计算被测物的浓度。,紫外光测量与分析原理（线测量）,傅利叶变换红外光谱测量与分析原理,当采样气体进入检测室时，红外 光束中一些特定波长的光被被测气体分子吸收，而吸收强度取决于分子中原子间的化学键的作用力，被吸收的光线的波长（或频率）对每种气体来说都是唯一的，FTIR 分析仪用其特有的分析方法来检测比较这些特征光的光谱图，计算出每种气体的浓度。基于FTIR光谱技术原理的分析仪能够同时测量上百种化合物，极快的响应时间

6、并且交叉干扰比NDIR分析少。FTIR的最大特点是不需要对照参考物质频繁地校准分析仪,当190nm230nm附近的紫外光照射到二氧化硫气体后，二氧化硫分子吸收紫外光的能量后由基态转变成激发态，由激发态返回基态时发出荧光，荧光强度的大小与二氧化硫的浓度成正比。,紫外荧光法,化学发光法,基于NO与O3的化学发光反应生成激发态的NO分子，在返回基态时放出与NO浓度成正比的光，用光电倍增管接收此光即可得到NO的浓度。,LasIR可调二极管激光（TDLAS）气体分析仪是采用近红外可调式激光器（ NIR Tunable diode Laser，TDL）作为光源的红外气体分析仪。 基本原理与普通的红外气体分析基本相似：根据 Lamber-Beer定律，特定气体只吸收特定波长的光谱， 吸收的强度与气体浓度成正比，通过对气体吸收强度的检测，计算出特定气体的浓度。 I=Io esp(-cl) I 被吸收后的光强度 Io 吸收前的光强度 截面分子吸收强度 C 吸收物质的浓度 l 光程路径长度,可调二极管激光分析仪（TDLAS）,当没有气体出现时,当有气体出现时,气体吸收光强度, I = Io - I,四、颗

7、粒物监测子系统,光透射法颗粒物监测仪,后散射法颗粒物监测仪,射线法（用量很少），主要用于环境空气中PM10的测量。 电荷感应法法（已经不适于在线监测）。,工作原理（激光透射法） 采用激光进行烟道内透过率T（transmission）/浊度O(opacity)/消光度E(extinction)测量。 通过比重法测量粉尘含量，建立起消光度和粉尘浓度关系，实现对粉尘浓度测量。,透射法烟尘分析仪工作原理,透射单程光测烟尘示意图,当一束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。通过测定入射光束通过烟气后的光强与原来光强的比值来定量烟尘的浓度,透射双程光测烟尘示意图,双光程颗粒物监测仪器将发射器和接收器部件装在同一个壳体中，安装在烟道同一侧。另一侧用反射镜取代了接收器。其优点是结构紧凑，更重要的是发射器光源和接收器的光敏部件是在同一个温度下运行，克服了单光程监测仪器中的热漂移影响。,透射法测尘的优缺点,优点： 技术成熟、运行稳定、体积小，现场使用最多。 测低浓度时精度低。 价格相对较低 缺点 安装比较麻烦 受震动和测量介质折射率的影响,散射测烟尘示意图,光通过含有颗粒物的烟气时发生

8、散射，在颗粒粒径不变的条件下，散射后的光强与入射光强的比值与烟气中颗粒物的浓度成正比 通过测量散射光强就可以得到烟尘强度,散射测烟尘的优缺点,优点： 安装方便 精度相对较高低浓度烟尘 缺点： 容易受颗粒物颜色变化的影响。 价格高。 技术相对复杂。,射线法和电荷感应法,射线法 基于颗粒物质对恒定能量射线的吸收量正比于颗粒物的质量 电荷感应法 运动烟尘粒子摩擦产生静电，利用直流/交流耦合探测头捕捉电荷量的多少，测量烟尘 此两种方法现在暂时不推荐使用,四种测尘方法的比较,五、烟气参数测量技术简介,流速-流量 氧量 温度 湿度 压力,烟气流速的测量常用技术简介,主要测量方法 皮托管差压分析法 热式流量计 靶式流量计 转子流量计风杯 超声波流速仪 流速是在线监测系统中最难测量的参数 最大的原因在于现场工况的不稳定性,皮托管差压流量计,原理简介 S型皮托管是由两根相同的金属管并联组成。测量端有方向相反的两个开口，测量时，面向气流的开口测的压力为全压，背向气流的开口测的压力为静压，用压力差转化成流速,几个问题 堵塞需要定时反吹 磨损腐蚀定期更换，一般周期3年 烟道截面积和流场的稳定性很重要,热式流量

9、计,原理简介 测量探头有两个传感器,一个是速度传感器，一个是温度传感器，两个传感器都是基准级铂电阻传感器。铂电阻固定在坚固、密封的不锈钢套管中，在测量电路中它们也作为测量桥路的两个臂，温度传感器在工作中测量被测气体的温度，它作为参比温度，而速度传感器被加热，并使其被加热的温度和参比温度有一固定的温差T，当参比温度变化，则T也随着变化，可以通过加热功率的变化来测量气体的质量流量。,超声风速计,利用超声波脉冲在顺流和逆流传播的时间差换算出流体的流速,测氧量常用技术简介,氧化锆法 顺磁法-磁风法、磁压法、磁力机械,氧化锆测氧含量,当氧化锆被加热时，由于氧离子在氧化镐晶体结构中的迁移作用，使氧化锆晶体变成导电体，烟气中氧浓度的不同使这种迁移作用产生的电流不同，会产生电压差，换算出氧含量，一般做成管装。分直插式和抽取式,顺磁法测氧含量,根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多，在磁场中具有极高顺磁性的原理制成的一类测量气体中氧含量的仪器,当被测样气中有氧存在时，氧分子受磁场吸引，沿磁场强度梯度方向形成氧分压差，其大小随氧含量不同而异，。该信号经反馈放大器放大作为仪器检测输出。,测温度常用技术简介,热电偶法 测温范围:-501600. 热电阻法 铂热电阻-应用于中温场合-200-800 . 铜热电阻-应用于低温场合-50-150 。,六、数据处理子系统,烟气排放连续自动监测系统的核心，运行在CEMS的监测现场，负责采集现场的各种污染物监测数据、仪器工作状态，并将检测数据整理储存，通过通讯手段，将数据传输到环保监控管理部门。 连续24小时自动采集保存烟气监测数据，来电自启动恢复。 实时监控系统的工作状态，如停电纪录，故障诊断和自动报警，并将纪录储存。 操作运行日志纪录，方便维护和管理。 可通过宽带、无线、有线方式与环保监理部门软件平台通讯，实现远程数据传输和遥控监测。 具有数据显示、处理、输出、报表等功能。,状态数据,针对仪器运行状态并在测定数据中给出状态标记,标记跟随数据一起被纪录到存储设备中. “P”表示电源故障 “F”表示排放源停运 “C”表示校准

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