超低排放CEMS监测技术及质量保证

固定污染源废气超低排放连续监测技术及数据质量保证中国环境监测总站王强前言固定污染源烟气排放连续监测系统烟气在线监测设备烟气自动监测设备ContinuousEmissionMonitoringSystem对固定污染源颗粒物浓度和气态污染物浓度以及污染物排放总量进行连续自动监测，并将监测数据和信息传送到环保主管部门，以确保排污企业排放污染物浓度和排放总量达标。CEMS全系统示意图前言我国于1996年发布了《火电厂大气污染物排放标准》首次要求对锅炉排放烟气安装连续排放监测系统进行监测管理；随后开展了一系列的针对CEMS的技术研究和仪器设备开发工作。2000年以后，CEMS技术研究和仪器设备开发逐步趋于成熟，并应用在污染源废气监测和监管工作中；同时与之配套的法律法规和技术规定也相应的逐步颁布实施。近期，为了更好的改善环境质量，降低污染排放，环境管理要求逐步严格，火电厂烟气排放浓度限值要求逐步严格；随着一些先进的污染治理设施的投运，以火电为代表的一些行业开始推进固定污染源废气超低（近零）排放，污染物排放浓度逐步降低，烟气监测环境条件进一步恶劣，这些都对固定污染源烟气排放连续监测系统（CEMS）监测技术和质量控制提出了更高的要求，对获取准确可靠的监测数据和长期稳定的系统运行形成了严峻的挑战。固定污染源废气超低排放连续监测的背景和技术需求首先脱硫、脱硝、除尘等治理设施的逐步投运和治理效果的逐步稳定高效，导致污染源排放颗粒物和SO2、NOX等烟气污染物的浓度逐步降低；环境管理日益严格，污染物排放标准限值逐步降低SO2-----35mg/m3；NOX-----50mg/m3；颗粒物-----（5-20）mg/m3污染物超低（近零）排放这对CEMS仪器的检测灵敏度和检出限等均提出了更高的要求，原有一些仅能测量高浓度污染物和测量过程造成污染物损失较大的CEMS系统将逐步淘汰；其次一些较先进的脱硫、脱硝和除尘等治理技术的使用，不仅有效降低了污染物排放浓度，同时也导致污染源排放烟气环境条件较以前更为恶劣；例如湿法脱硫、除尘治理后往往烟气湿度较高，一些超低排放的烟气排放现场，烟气经治理设施后往往不经过GGH升温换热直接排放，由于烟气温度过低（一般40℃左右），导致烟气湿度往往接近饱和状态；烟气CEMS需要在低温、高湿和强腐蚀性条件下进行连续自动监测，这对CEMS仪器的材质选择和测量的长期稳定可靠程度均是严峻的考验；固定污染源废气超低排放连续监测的背景和技术需求最后为了适应污染源新的排放状况和浓度，一些在国外应用比较广泛的CEMS新技术也逐步引入国内，并从系统集成逐步向国产化发展；例如抽取方式颗粒物监测仪器；颗粒物光学前向散射和β射线/振荡天平测量技术；低浓度气态污染物全高温相关红外、傅里叶红外以及紫外监测技术；高效先进的气体采样和预处理技术等。这些新技术为我国国产化仪器的技术提升创造了条件，同时也是摆在CEMS仪器适用性检测、性能监督及数据质控等单位面前的新课题。固定污染源废气超低排放连续监测的背景和技术需求固定污染源烟气排放连续监测系统（CEMS）基本组成•烟尘（颗粒物）颗粒物监测子系统•SO2、NOx、CO、CO2……气态污染物监测子系统•温度、压力、流速、氧含量、湿度……烟气参数监测子系统•采集、显示、存储、计算处理、传输……数据采集与处理子系统固定污染源烟气排放连续监测系统（CEMS）基本结构1.样品采集和传输装置：主要包括采样探头、样品传输管线、流量控制设备和采样泵等；一般采用抽取测量方式的CEMS均具备样品采集和传输装置；2.预处理设备：主要包括样品过滤设备和除湿冷凝设备等；部分采用抽取测量方式的CEMS具备预处理设备；3.分析仪器：用于对采集的污染源烟气样品进行测量分析；4.数据采集和传输设备：用于采集、处理和存储监测数据，并能按中心计算机指令传输监测数据和设备工作状态信息；5.辅助设备：采用抽取测量方式的CEMS，其辅助设备主要包括尾气排放装置、反吹净化及其控制装置、稀释零空气预处理装置以及冷凝液排放装置等；采用直接测量方式的CEMS，其辅助设备主要包括气幕保护装置和标气流动等效校准装置等。CEMS基本技术分类和主流监测技术采样分析方式监测项目名称和分析技术方法颗粒物二氧化硫氮氧化物氧气流速温度湿度抽取测量方式完全抽取式光散射法β射线法振荡天平法非分散红外非分散紫外气体过滤相关法紫外差分吸收法傅立叶红外法非分散红外非分散紫外气体过滤相关法紫外差分吸收法傅立叶红外法氧化锆传感器法电化学法氧化锆法顺磁法//干湿氧法红外法高温电容法稀释抽取式紫外荧光法化学发光法////直接测量方式浊度法光散射法紫外差分吸收法非分散红外气体过滤相关法紫外差分吸收法非分散红外气体过滤相关法氧化锆法皮托管法热平衡法超声波法铂电阻法热电偶法干湿氧法红外法高温电容法CEMS监测技术现状颗粒物CEMS基本技术分类国内目前主要仪器的采样分析方法：（1）直接测量方式:浊度法-双光程-内置式/外置式光散射法-前散射/边散射/后散射（2）抽取测量方式:直接抽取/稀释抽取-------光散射法直接抽取/稀释抽取-------β射线（振荡天平）直接测量方式-双光程浊度法烟尘仪中高浓度/干烟气（非饱和）直接测量方式-后向散射法烟尘仪传感器光源排放源控制单元中低浓度/干烟气（非饱和）直接测量方式-前向散射法烟尘仪低浓度/干烟气（非饱和）抽取（直接/稀释）测量方式系统结构等速采样探头加热传输管路气幕保护单元光学/质量分析测量单元数据运算、输出校准控制系统稀释气体稀释抽取测量方式-前向闪射烟气颗粒物连续监测系统加热的采样探头和传输管镜头保护气膜+回流阀电子光学探针激光束球阀控制阀电磁阀测量池加热的稀释干燥气体稀释干燥气体鼓风机喷嘴排放废气喷射气体鼓风机低浓度/高湿烟气（近饱和）直接抽取测量方式-前向闪射烟气颗粒物连续监测系统低浓度/高湿烟气（近饱和）直接抽取测量方式-β射线吸收法烟气颗粒物连续监测系统低浓度/高湿烟气（近饱和）CEMS监测技术现状和比较超低排放颗粒物CEMS监测技术比较比较指标直接测量方式抽取测量方式浊度法后向散射法前向散射法前向散射法β射线吸收/振荡天平法最小量程0-50mg/m30-10mg/m30-5mg/m30-5mg/m30-1mg/m3最大量程0-10g/m30-300mg/m30-200mg/m30-200mg/m30-1g/m3适用场所和测量方式高浓度粉尘线测量中、低浓度粉尘干烟气（非饱和）近似点测量低粉尘干烟气（非饱和）近似点测量排放断面较小低粉尘高湿烟气（近饱和）点测量低粉尘高湿烟气（近饱和）点测量，直接测量质量浓度超低排放监测关键技术难点/烟气水汽干扰和影响点位代表性烟气水汽干扰和影响耐腐蚀要求点位代表性等速跟踪采样样品传输和预处理点位代表性等速跟踪采样样品传输和预处理非实时连续测量放射源安全点位代表性气态污染物CEMS基本技术分类按取样技术完全抽取法冷-干方式热-湿方式稀释抽取法烟道内稀释烟道外稀释直接测量法点测量线测量CEMS监测技术现状分析方法：（红外光谱、紫外光谱、荧光光谱、激光光谱）吸收光谱技术：非分散红外（NDIR）、非分散紫外（NDUV）、紫外差分吸收（DOAS）、气体过滤相关（GFC）、傅立叶红外（FTIR）、激光吸收光谱（TDLAS）等激发发光技术：紫外荧光法、化学发光法CEMS监测技术现状气态污染物CEMS主要分析方法完全抽取干冷——后处理方式气态污染物CEMS——完全抽取测量方式加热采样探头高温伴热管线样气预处理单元分析测量单元数据采集、处理和传输单元校准标定控制单元烟气分析主机尾气排放反吹净化控制单元完全抽取冷干——前处理方式气态污染物CEMS——完全抽取测量方式加热采样探头样气预处理单元分析测量单元数据采集、处理和传输单元校准标定控制单元烟气分析主机尾气排放反吹净化控制单元常温伴热管线超低排放烟气完全抽取冷干方式-气态污染物CEMS预处理技术高温伴热高效脱水技术气态脱水样气采样和预处理技术（nafion管渗透脱水）超低排放烟气完全抽取冷干方式-气态污染物CEMS预处理技术加磷酸冷凝器脱水技术超低排放烟气完全抽取冷干方式-气态污染物CEMS预处理技术完全抽取热湿方式气态污染物CEMS——完全抽取测量方式加热采样探头高温伴热管线分析测量单元数据采集、处理和传输单元校准标定控制单元烟气分析主机尾气排放反吹净化控制单元高温GFC高温FTIR高温DOAS稀释抽取方式气态污染物CEMS——稀释抽取测量方式加热采样探头常温伴热管线样气过滤处理单元分析测量单元数据采集、处理和传输单元校准标定控制单元烟气分析主机尾气排放稀释零气预处理单元探头稀释控制单元稀释采样探头和控制器稀释探头和控制器决定了样气的稀释比，是稀释系统最重要的部件稀释法零气处理单元稀释气需要免于油、颗粒物、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫的污染直接测量方式气态污染物CEMS——直接测量方式样品分析测量区域（光路）流动标气（等效）校准装置数据采集、处理和传输单元校准标定控制系统分析测量单元气幕保护控制单元DOASTDLASGFC/FTIR直接测量内置式结构示意图（双光程）直接测量外置式结构示意图（单光程）CEMS监测技术现状和比较超低排放气态污染物CEMS监测技术比较比较指标完全抽取测量方式稀释抽取测量方式直接测量方式冷干法热湿法仪表类型多组分测量多组分测量单一组分测量多组分测量超低排放监测关键技术难点样气采集和传送管线温度及吸附损失控制样气脱水预处理造成损失控制系统各连接部件保温和损失控制全系统校准低量程高灵敏度测量仪表样气采集和传送管线温度及吸附损失控制系统各部件的耐腐蚀性能和使用寿命全系统校准烟气湿度的准确测量低量程高灵敏度测量仪表样气采集稀释比例的准确控制稀释零气的质量（多级预处理）烟气湿度的准确测量系统测量部件（光源镜头和角反射镜等）的防护系统等效校准低量程高灵敏度测量仪表系统烟道内部件的耐腐蚀性能系统的抗震动性能烟气湿度的准确测量烟气参数测量技术含氧量•氧化锆•电化学•顺磁流速•皮托管•热平衡•超声波温度•热电偶•铂电阻湿度•干湿氧•阻容法•红外CEMS监测技术现状通过测量烟囱或烟道中烟气的全压和静压的压差来计算出烟气流速克服可能由于颗粒物堵塞造成的流速测量问题（单点测量）CEMS监测技术现状-烟气流速烟气流速CMS-差压传感器法（S型皮托管法）超低排放烟气流速CMS监测技术多点矩阵式皮托管流速连续监测技术随着燃煤电厂装机容量的逐步扩大和污染治理设施的建设，排放烟道的尺寸（截面积）逐步增大，满足烟道监测点位直管段（一般为前四后二）要求的烟道越来越少，烟气流速在烟道中的测量分布差异逐步增大。断面测量、提高代表性通过测试烟道中上、下游安装的超声波传感器的发射和接收时间差，来计算烟气的流速值。（线测量）CEMS监测技术现状-烟气流速烟气流速CMS-超声波法超低排放烟气流速CMS监测技术交叉式超声波流速连续监测技术随着燃煤电厂装机容量的逐步扩大和污染治理设施的建设，排放烟道的尺寸（截面积）逐步增大，满足烟道监测点位直管段（一般为前四后二）要求的烟道越来越少，烟气流速在烟道中的测量分布差异逐步增大。低流速测量、断面测量烟气湿度CMS监测技术干/湿氧法测量烟气中湿氧含量，再将烟气除湿后测出干氧含量，从而用干氧与湿氧的差值再除以干氧得到湿度。高温阻容法电容型聚合物薄膜（测湿传感器）测量气体中的水分子，从而测出湿度值。红外吸收法利用水对一定波长红外光的吸收，直接测量烟气中水蒸汽的浓度增加烟气湿度连续测量的主要原因：当前污染源烟气湿度较以往明显提高，且变化波动较大，其在污染物浓度干/湿基转换计算以及排放量计算方面影响较大；当前污染源烟气湿度连续监测技术和仪器逐步成熟稳定。CEMS质量保证和质量控制现场安装的规范性CEMS安装点位的选取CEMS安装配套环境条件设施的建设现场安装的规范性-点位和位置安装原则:固定污染源烟气