CESM煙塵煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案
煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種對(duì)煙氣成份（SO2 、NOx、煙塵）及相關(guān)煙氣參數(shù)進(jìn)行在線自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)的設(shè)備。本設(shè)備是集光、機(jī)、電及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，采用國(guó)家環(huán)?？偩旨懊绹?guó)環(huán)境保護(hù)組織（USEPA）推薦的紫外差分吸收光譜技術(shù)，具有在線連續(xù)測(cè)量、價(jià)格低、系統(tǒng)工作可靠、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、安裝簡(jiǎn)便、無需人員監(jiān)守等優(yōu)點(diǎn)。

1．概述

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種對(duì)煙氣成份（SO2 、NOx、煙塵）及相關(guān)煙氣參數(shù)進(jìn)行在線自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)的設(shè)備。本設(shè)備是集光、機(jī)、電及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，采用國(guó)家環(huán)保總局及美國(guó)環(huán)境保護(hù)組織（USEPA）推薦的紫外差分吸收光譜技術(shù)，具有在線連續(xù)測(cè)量、價(jià)格低、系統(tǒng)工作可靠、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、安裝簡(jiǎn)便、無需人員監(jiān)守等優(yōu)點(diǎn)。

產(chǎn)品符合中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T76-2001?固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件及檢測(cè)方法?，并通過國(guó)家環(huán)保局檢測(cè)中心測(cè)試合格。

2．系統(tǒng)組成

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由氣態(tài)污染物（SO2、NOX）、顆粒物（粉塵）、煙氣參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)等組成（見圖一）。通過現(xiàn)場(chǎng)采樣方式，測(cè)定煙氣中污染物濃度，同時(shí)測(cè)量煙氣溫度、煙氣壓力、流速、流量、煙氣含氧量等參數(shù)，送至工控單元計(jì)算出煙氣污染物排放率、排放量，顯示和打印各種參數(shù)、圖表并通過數(shù)據(jù)、圖文傳輸系統(tǒng)分別傳輸至企業(yè)污染源監(jiān)控站和環(huán)保行政管理部門。

2.1．煙氣在線監(jiān)測(cè)儀

全套設(shè)備包括測(cè)試分析儀、凈化空氣吹掃系統(tǒng)等幾部分。由測(cè)試儀完成SO2 、NOx、煙塵濃度測(cè)量，經(jīng)過RS232口傳至現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)。凈化空氣吹掃系統(tǒng)向測(cè)試儀鏡片不斷的吹掃，以保持測(cè)試儀鏡片的清潔。

在整套設(shè)備中，分析儀是核心，所有原始數(shù)據(jù)的獲得全由它完成。分析儀主要包括光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子學(xué)測(cè)量和控制系統(tǒng)等部分。

圖2 外型及外部連接

光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)是完成煙氣光譜采樣的關(guān)鍵。光學(xué)系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩大部分組成，包括光源、透鏡、角反射器、狹縫和多道光譜儀等。光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡直接進(jìn)入煙道中，通過煙氣吸收后經(jīng)角反射器返回，由狹逢進(jìn)入光譜儀，由光柵分光，在光柵色散焦平面由二極管陣列探測(cè)器（PDA）接收。

機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括插入式氣體采樣管、二極管陣列探測(cè)器的線性檢測(cè)及本底測(cè)量裝置的機(jī)械驅(qū)動(dòng)?？紤]到煙道中溫度很高，而且有SO2等腐蝕性很強(qiáng)的污染氣體，所以氣體通道包括測(cè)量槽及有關(guān)配件均采用不銹鋼、透紫外光的石英玻璃材料制作，如圖3所示。氣體通道上的光學(xué)元件和密封元件均耐高溫耐腐蝕。

工作過程

利用氣態(tài)污染物對(duì)特定波段的光具有吸收特性，選擇波段在200nm~320nm的紫外光作光源，在此波段內(nèi)水分子和其它氣體幾乎沒有吸收。入射光被污染物吸收后，經(jīng)光柵分光，由高靈敏二級(jí)管陣列探測(cè)器測(cè)量吸收光譜，并由此經(jīng)計(jì)算機(jī)利用反演算法得到污染物的種類和含量。

氘燈發(fā)出的寬帶光譜經(jīng)石英聚光透鏡后通過光分束器，再由反射鏡反射到準(zhǔn)直透鏡，通過前窗鏡照射到探頭后端的角反射鏡上，探頭窗鏡上裝有透光波段200nm~250nm的紫外濾光片。角反射鏡反射光按原光路返回到光分束器上，然后經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡照射到光譜儀的入射狹縫上，通過光柵色散形成光譜。高靈敏度線陣CCD探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，CCD探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后送入高速信號(hào)采集A/D和CPU處理單元；控制處理單元的功能是將該信號(hào)數(shù)字化并存入存儲(chǔ)器，然后由系統(tǒng)總控制單元采用適當(dāng)?shù)厮惴▽?duì)其進(jìn)行處理得到SO2 、NOx濃度、煙氣溫度等信息。在數(shù)據(jù)分析和處理中采用硬件和軟件平均濾波技術(shù)，構(gòu)成了差分吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)，從而使光源強(qiáng)度隨著時(shí)間的慢變化

不影響測(cè)量精度。由于計(jì)算是通過吸收峰來進(jìn)行的，是由譜線的峰值和谷值來反演出來的，而粉塵只是對(duì)整條譜線起著衰減的效果。當(dāng)然若粉塵密度太大，以至于發(fā)出的光回不來了，或衰減至一個(gè)極低的水平，那么吸收譜線不能分辨，此時(shí)這種方法就不適用了。水汽沒有影響也是同樣道理。

工作原理

1、 SO2 /NOx測(cè)量

根據(jù)Beer定理，探測(cè)器接收的透過吸收介質(zhì)的光譜強(qiáng)度可表示為：

s：SO2 /NOx吸收截面

N：SO2 /NOx濃度

a2：除SO2 /NOx以外的其它氣體散射和吸收所引起的消光系數(shù)

圖5煙氣中主要吸收氣體分布

煙塵的測(cè)量

根據(jù)Beer定理，采用不透明度測(cè)試原理，即單色平行光束進(jìn)入充滿氣體和顆粒物的煙氣時(shí)，其光強(qiáng)因煙氣中顆粒物對(duì)光的吸收和散射作用而減弱。

I0 ：發(fā)射光強(qiáng)???? I ：接收光強(qiáng)

K ：消光系數(shù) ?????l ：光程???? c? ：煙塵濃度

煙氣在線監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)特點(diǎn)

一臺(tái)設(shè)備可同時(shí)測(cè)量多種煙氣成份；

光柵光譜儀分光，二極管陣列PDA為光譜采樣器，省去了用光電倍增管的光譜掃描機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)更穩(wěn)定、測(cè)量更精確；

光譜采樣在煙道中，省去了復(fù)雜的抽氣和定標(biāo)過程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)；

氣體濃度計(jì)算中應(yīng)用光學(xué)差分吸收技術(shù)，可消除煙塵及光源幅度慢變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

儀器中空氣吹掃裝置保證煙道內(nèi)光學(xué)元件不被煙氣污染，延長(zhǎng)了維護(hù)周期，提高了測(cè)量精度。

特有的技術(shù)和設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)幾乎沒有零點(diǎn)漂移。

主要技術(shù)指標(biāo)

2.2．氧化鋯氧量分析儀

工作原理

氧化鋯氧量分析儀的傳感器核心元件是用穩(wěn)定氧化鋯固體電解質(zhì)材料制作而成的氧化鋯管，在600℃以上的溫度時(shí)，它具有良好的氧離子導(dǎo)電性。在鋯管封閉端兩側(cè)涂覆多孔鉑電極，當(dāng)鋯管兩側(cè)的氧濃度不同時(shí)，高濃度側(cè)的氧分子獲得鉑電極上的自由電子，以離子的形式同過氧化鋯離子導(dǎo)體到達(dá)低濃度側(cè)，通過鉑電極釋放出電子，變成氧氣釋放出來。這樣兩側(cè)產(chǎn)生一氧濃度差電勢(shì)，形成一個(gè)電池。

根據(jù)能斯特方程有：

式中：R-氣體常數(shù)

T-絕對(duì)溫度

F-法拉第常數(shù)

P1-參比氣體的氧分壓

P2-待測(cè)氣體的氧分壓

E-氧濃度差電勢(shì)

通過適當(dāng)?shù)膿Q算處理，即可得到被測(cè)氣體的氧濃度。

特點(diǎn)

氧化鋯氧量分析儀是采用進(jìn)口關(guān)鍵零部件和先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)制作而成的具有維修簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)的一種新型測(cè)氧儀器。其特點(diǎn)如下：

1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。

2、進(jìn)口的原材料制作的鋯管具有很強(qiáng)的抗熱沖擊性，可在開爐狀態(tài)下迅速插入煙道中而不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞鋯頭；

3、檢測(cè)器直接插入煙道中不會(huì)造成堵灰，同時(shí)，鋯管上作了一層特殊的保護(hù)層，可減輕中毒現(xiàn)象，使鋯管的壽命可達(dá)到一年以上；

4、檢測(cè)器的易損件可方便更換，無需整體報(bào)廢，維護(hù)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)；

5、變換器設(shè)有儀器自檢、氧量、信號(hào)電勢(shì)、本底電勢(shì)、鋯頭溫度四種功能數(shù)顯，為日常檢驗(yàn)和維護(hù)提供方便。

主要技術(shù)指標(biāo)

1) 準(zhǔn) 確 度：±3%F.S.

2) 測(cè)量范圍：0～20%O2

3) 響應(yīng)時(shí)間：＜5s（達(dá)90%的響應(yīng)值）

4) 升溫時(shí)間：＜30min

5) 重 復(fù) 性：±1.0%F.S.

6) 穩(wěn) 定 性：±1.0%F.S.（24小時(shí)）

2.3．煙氣流速測(cè)定儀

工作原理:

煙氣流速測(cè)定儀由溫度、壓力測(cè)量系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)、模擬信號(hào)輸出控制系統(tǒng)等部分組成.采用經(jīng)典的S型皮托管方式測(cè)煙氣流速; 微控制器系統(tǒng)采集各種傳感器檢測(cè)的信號(hào),計(jì)算出動(dòng)壓、靜壓、溫度等,根據(jù)公式計(jì)算出煙氣流速。

主要特點(diǎn):

測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，可長(zhǎng)期連續(xù)工作。

具備自動(dòng)反吹系統(tǒng)，可定時(shí)清理落入皮托管上的煙塵；

設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)壓、靜壓和流速的零點(diǎn)校準(zhǔn)；

關(guān)鍵氣路系統(tǒng)及傳感器均采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口部件，可靠性高；

在線監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部重要器件工作狀況，具備自我診斷功能，并給出信號(hào)提示；

通過鍵盤即可對(duì)儀器測(cè)量的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，簡(jiǎn)便、快捷。

主要技術(shù)指標(biāo)

2.2．氧化鋯氧量分析儀

工作原理

氧化鋯氧量分析儀的傳感器核心元件是用穩(wěn)定氧化鋯固體電解質(zhì)材料制作而成的氧化鋯管，在600℃以上的溫度時(shí)，它具有良好的氧離子導(dǎo)電性。在鋯管封閉端兩側(cè)涂覆多孔鉑電極，當(dāng)鋯管兩側(cè)的氧濃度不同時(shí)，高濃度側(cè)的氧分子獲得鉑電極上的自由電子，以離子的形式同過氧化鋯離子導(dǎo)體到達(dá)低濃度側(cè)，通過鉑電極釋放出電子，變成氧氣釋放出來。這樣兩側(cè)產(chǎn)生一氧濃度差電勢(shì)，形成一個(gè)電池。

根據(jù)能斯特方程有：

式中：R-氣體常數(shù)

T-絕對(duì)溫度

F-法拉第常數(shù)

P1-參比氣體的氧分壓

P2-待測(cè)氣體的氧分壓

E-氧濃度差電勢(shì)

通過適當(dāng)?shù)膿Q算處理，即可得到被測(cè)氣體的氧濃度。

特點(diǎn)

氧化鋯氧量分析儀是采用進(jìn)口關(guān)鍵零部件和先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)制作而成的具有維修簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)的一種新型測(cè)氧儀器。其特點(diǎn)如下：

1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。

2、進(jìn)口的原材料制作的鋯管具有很強(qiáng)的抗熱沖擊性，可在開爐狀態(tài)下迅速插入煙道中而不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞鋯頭；

3、檢測(cè)器直接插入煙道中不會(huì)造成堵灰，同時(shí)，鋯管上作了一層特殊的保護(hù)層，可減輕中毒現(xiàn)象，使鋯管的壽命可達(dá)到一年以上；

4、檢測(cè)器的易損件可方便更換，無需整體報(bào)廢，維護(hù)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)；

5、變換器設(shè)有儀器自檢、氧量、信號(hào)電勢(shì)、本底電勢(shì)、鋯頭溫度四種功能數(shù)顯，為日常檢驗(yàn)和維護(hù)提供方便。

主要技術(shù)指標(biāo)

1)準(zhǔn) 確 度：±3%F.S.

2)測(cè)量范圍：0～20%O2

3)響應(yīng)時(shí)間：＜5s（達(dá)90%的響應(yīng)值）

4)升溫時(shí)間：＜30min

5) 重 復(fù) 性：±1.0%F.S.

6)穩(wěn) 定 性：±1.0%F.S.（24小時(shí)）

2.3．煙氣流速測(cè)定儀

工作原理:

煙氣流速測(cè)定儀由溫度、壓力測(cè)量系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)、模擬信號(hào)輸出控制系統(tǒng)等部分組成.采用經(jīng)典的S型皮托管方式測(cè)煙氣流速; 微控制器系統(tǒng)采集各種傳感器檢測(cè)的信號(hào),計(jì)算出動(dòng)壓、靜壓、溫度等,根據(jù)公式計(jì)算出煙氣流速。

主要特點(diǎn):

測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，可長(zhǎng)期連續(xù)工作。

具備自動(dòng)反吹系統(tǒng)，可定時(shí)清理落入皮托管上的煙塵；

設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)壓、靜壓和流速的零點(diǎn)校準(zhǔn)；

關(guān)鍵氣路系統(tǒng)及傳感器均采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口部件，可靠性高；

在線監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部重要器件工作狀況，具備自我診斷功能，并給出信號(hào)提示；

通過鍵盤即可對(duì)儀器測(cè)量的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，簡(jiǎn)便、快捷。

主要技術(shù)指標(biāo)

3.4．系統(tǒng)組成及有關(guān)技術(shù)參數(shù)

煙氣在線監(jiān)測(cè)儀

量程： SO22000ppm（由測(cè)量槽長(zhǎng)度決定）

NOX2,000ppm

煙塵 1,000mg/m3

零點(diǎn)漂移： SO2 、NOX? ≤ ±2.0% F.S.

煙塵≤ ±2.0% F.S.

量程漂移： SO2 、NOX? ≤ ±2.5% F.S.

煙塵≤ ±5.0% F.S.

線性誤差：SO2 、NOX ≤ ±5.0% F.S.

測(cè)量原理： SO2 、NOX：紫外差分光譜法

煙塵：不透明度法

環(huán)境溫度：－20℃～45℃

用電量：≤200W

儀器用空氣要求：凈化空氣吹掃，保護(hù)鏡片（系統(tǒng)自帶）

報(bào)警輸出：發(fā)送故障信息，由工控機(jī)顯示

輸出信號(hào)形式：RS232，與工控機(jī)連接。

氧量分析儀

測(cè)量原理：濃差電池式

量程：0.1～20%O2

精確度：±3% F.S.

升溫時(shí)間：<30分鐘

重復(fù)性：±1% F.S.

穩(wěn)定性：±1% F.S. （24小時(shí)）

環(huán)境溫度限制：－20℃～80℃

用電量：<150W

報(bào)警輸出：發(fā)送故障信息，由工控機(jī)顯示

輸出信號(hào)形式：4-20mA .DC和0-10mA .DC?

煙氣流量計(jì)

測(cè)量原理：差壓作用原理?

一次裝置：S型皮托管

性能指標(biāo):

儀器用空氣要求：壓縮空氣定時(shí)吹掃

報(bào)警輸出：發(fā)送故障信息，由工控機(jī)顯示。

凈化風(fēng)機(jī)

功率：0.67kW

轉(zhuǎn)速：2800轉(zhuǎn)/min

風(fēng)量：100m3/h

數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

防塵要求：IP54

用電量：100W

環(huán)境空氣溫度限制：0-45℃

４．煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）安裝要求

４.1 設(shè)備安裝位置的選取

設(shè)備安裝點(diǎn)選定鍋爐除塵器后煙道，氣流比較平穩(wěn)區(qū)域，應(yīng)避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。安裝位置應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于4倍直徑，和距上述部件上游方向不小于2倍直徑處。對(duì)矩形煙道，其當(dāng)量直徑D=2AB/（A+B），式中A、B為邊長(zhǎng)。如果不能達(dá)到這樣的條件，那么未開口的距離可被采樣管分開以下比率：距離入口2/3，距離出口1/3。

4.2 平臺(tái)和設(shè)備房的搭建

為便于設(shè)備的安裝和對(duì)比標(biāo)定檢測(cè),設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)該搭建一安裝平臺(tái)。為了設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，應(yīng)在平臺(tái)上搭建設(shè)備房并安裝自啟動(dòng)空調(diào)。

平臺(tái)的面積應(yīng)能夠滿足所有設(shè)備的擺放和便于標(biāo)定檢測(cè)。其強(qiáng)度應(yīng)能夠承受至少1500公斤重力。平臺(tái)面采用4-5mm厚的防滑鋼板，安全性等要求應(yīng)該滿足國(guó)家有關(guān)工業(yè)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。平臺(tái)的面積一般為長(zhǎng)×寬=3.0×2.5(平方米)。為了便于設(shè)備搬運(yùn)到平臺(tái)上，一般平臺(tái)的扶梯寬度不小于0.8米。

設(shè)備房推薦采用5mm厚夾芯彩鋼板。房頂高度不低于2.2米。設(shè)備房面積一般不小于2.5×2.3(平方米)，如果受到現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，設(shè)備房面積應(yīng)不小于2.0×2.0(平方米)。為了便于設(shè)備搬運(yùn)到平臺(tái)上，一般平臺(tái)的扶梯寬度不小于0.8米。

需方提供現(xiàn)場(chǎng)安裝維護(hù)平臺(tái)及設(shè)備房，具體要求供方可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況提出建議，需方實(shí)施。

4.3其它要求

需方提供至現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備電源：交流380V，三相四線，每相電流10A。要求長(zhǎng)期供電不中斷；

需方提供一路至現(xiàn)場(chǎng)的市話線（環(huán)保局遠(yuǎn)程監(jiān)控用）；

需方提供至現(xiàn)場(chǎng)的可靠接地線。