向一铭
摘 要：本文综述了烟气排放连续自动监测系统（CEMS）的气态污染物（二氧化硫、氮氧化物）、烟气参数（烟气流速、含氧量、温度、湿度）、颗粒物的监测技术现状，分析了对不同污染物监测的测定原理、技术特点、优势及缺点，为比对监测准确实施及CEMS在线管理提供一定的借鉴，同时实现在线监测数据的网络共享，加强对数值的合理化管理，从而规范环保局对各企业的在线管理，为在线监测整体水平提供有力的支持。
关键词：CEMS 监测技术 现状
中图分类号：X84 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0116-02
烟气排放连续自动监测系统（CEMS）是由气态污染物监测单元、颗粒物监测单元、烟气参数监测单元、数据采集与处理单元传输组成。且通过连续采样和分析（抽取法24h连续不断监测），测定烟气中的气态物浓度、颗粒物浓度、烟气温度、烟气流速、烟气压力、烟气湿度、烟气含氧量等；同时通过计算得到污染物的浓度和排放总量。而CEMS比对监测是保证污染源自动监测系统数据准确性的有效措施和方法。本文结合烟气排放连续自动监测系统（CEMS）中各监测单元的测定原理，对CEMS的气态污染物、烟气参数、颗粒物的监测技术现状进行综述，为比对监测准确实施及CEMS在线管理提供一定的借鉴。
1 CEMS气态污染物测量技术现状
1.1 直接测量法
直接测量法分二种：电化学法和差分吸收光谱法，主要是由直接安装在烟道上的烟气连续监测系统对烟气进行实时的测量。电化学法是将烟气传感器安装在探头端部，探头直接插入烟道，使用电化学或光电传感器测量小范围内的污染物浓度（相当于点测量）。而差分吸收光谱法是传感器和探头直接安装在烟道或管道上，利用烟气的特征光谱（红外/紫外/差分吸收）对污染物进行分析并测量污染物的浓度（相当于线测量）。目前直接测量的技术主要是紫外波段的差分吸收光谱技术（DOAS）、可协谐调半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）、差分吸收激光技术。
直接测量法的特点是系统简单，既没有采样预处理装置，也没有采样管线，避免了被测烟气会被前端干扰或破坏，同时可以避免组分之间的干扰，其监测数值响应速度快，且为实时数值，具有代表性。并且其测量精度高，可以用于低浓度数值的测量。其缺点是该方法受到烟气温度压力等因素的限制，需要经常进行修正，使用维护不是很方便，而且由于存在水分和振动等因素的干扰，测量精度会很低。由于系统直接安装在烟道上，很难实现线性标定。且因系统安装在烟道上，分析仪表与未经过预处理的烟气直接接触，很容易遭到烟气的腐蚀以及烟气中杂质的堵塞，從而影响系统的正常运行。在我国已安装的烟气连续监测设备中，使用直接测量法的较少，约有5%[1]。
1.2 直接抽取法
直接抽取法是采用专门的加热探头将烟气从烟道内抽取出来，烟气经过温度为120-130的伴热管线，然后经过系统的预处理进行除尘、除水等步骤，最后进入气态物分析仪进行气体检测分析。现阶段常用的直接抽取法法主要分为二种：稀释采样法、完全抽取法。
（1）稀释采样法。
稀释采样法：是根据直接抽取的方法，用干净的空气将烟气稀释至可以直接测量的干烟气，而后通入气态物分析仪进行测量。二氧化硫采用的是紫外荧光法测量、氮氧化物采用的是化学发光法测量。由于零气的预处理在前，消除了空气中水分对测量的干扰，无须加热和保温，大大减少了维护量，后期的烟气监测采用国际通用的物理光谱测试技术，监测精度高，实时性好，因而被列为美国EPA的优选方法。此种方法目前安装比例大约占25.5%。
其优点是系统的采气量较小，不受烟气温度的限制，连续运行时间长，测量准确度高，可全程标定，采样管线无需进行加热及除湿，可防止在气体传输及测量过程中出现水分凝结和管路堵塞的现象。其缺点为系统复杂，尤其是采样探头系统，对维护人员的要求较高；烟气经过稀释，需采用精度较高的分析仪器进行测量，因此对分析仪的要求较高；烟气经过稀释，会造成检测的灵敏度降低，系统测量误差变大，不适宜低浓度的烟气测量；烟气经过稀释，因需要高纯度气体对气体过滤要求较高，需经常更换气体过滤装置，使得耗材及维护量增多[2]。
（2）完全抽取法。
完全抽取法是最经典的烟气自动监测方法，烟气通过采样探头与加热管线进入系统预处理，再通过冷凝器、干燥器，进入气态物分析仪进行测试，二氧化硫、氮氧化物的测量方法主要采用红外光谱法、紫外光谱法、热导法。烟气采样过程需全程加热，进入系统预处理后需立刻冷凝，对系统所有设备的质量要求较高，仪器维护的工作量较多，整个系统造价成本偏高。完全抽取法又可分为冷干法和热湿法，其主要区别在于冷干法测量的气态污染物无水分，而热湿法测量的气态污染物含水分，所以冷干法气态污染物浓度为干基值，热湿法气态污染物浓度为湿基值。在我国冷干法被广泛的应用约占测量设备的90%，其测量原理主要是非分散红外技术。其他还有红外分析、化学发光分析、紫外荧光分析等技术。
其优点是具有很强的适应性，可以分析各类烟气组分的气体，在各个污染行业都有广泛的应用；该方法对烟气进行预处理后，烟气比较干净，对分析仪器的污染较小，不会损坏分析仪器，整个系统的稳定性和准确性较高，便于长期运行，且后期维护成本较低、维护量较少；该方法的分析仪器均在专门的监测小室内，安装了空调，长期室温环境，保证了分析仪器的工作环境，延长了分析仪器的使用寿命。其缺点为因采样探头与烟气长时间接触，采样探头容易腐蚀，且烟气中的水分和粉尘会附在采样探头上，造成采样探头堵塞，更有甚者会造成伴热管堵塞，从而影响气体的抽取；因分析仪器对经过预处理的烟气要求较高，需去除水分和粉尘，所以必须有一套完整的加热、除水、除尘、冷凝系统，烟气经过的管理接头较多，容易出现漏气现象，从而影响测量；由于该方法预处理系统复杂，且分析仪器精度较高，一套完整的烟气测量系统造价较高，投资成本远远高于其他系统[3]。
2 CEMS烟气参数测量技术现状
（1）烟气流速。流速测量分为皮托管式测量、热导式测量、超声波法测量。皮托管式测量主要是测量烟气的总压和静压，计算烟气差压，依照伯努利方程，得出烟气流速。通常使用的皮托管式测量有S型和L型二种。其优点是结构简单，安装方便，易于维护，运行可靠，缺点是容易产生堵塞。大部分烟气在线监测系统大部分采用的就是皮托管式测量，主流产品是罗斯蒙特流量计。
（2）烟气含氧量。烟气含氧量是作为判断锅炉燃烧时过剩空气是否稀释烟气浓度的重要指标，也是对浓度进行折算时的重要依据。烟气含氧量测量方法主要是氧化锆法和氧电池电化学法。氧化锆法是利用二氧化锆在高温时的电解催化作用，形成烟气一侧的电极和与含有氧气的标准气体（通常为空气）接触的参考电极产生电位的不同，从而测量出烟气中的含氧量。一般测量探头寿命约为1～2年，且测量的含氧量数值为湿氧数值。而氧电池电化学法运用的是电化学传感器原理，一般使用寿命是1～3年，且测量的含氧量数值为干氧数值。目前，烟气含氧量的测量技术较为成熟，存在的问题较小。
（3）烟气温度。主要采用的是铂电阻温度传感器PT100，温度大致为-200℃～650℃电阻约为100欧姆，并配合-50℃～350℃量程的温度变送器进行测量。
（4）烟气湿度。湿度测量一般有干湿球法，湿度传感器法，红外吸收法等。由于湿度只是用于计算干基值和湿基值的转换，目前在CEMS的技术要求规范中，没有严格地对湿度的连续自动监测作出特定要求，所以可采用手工测量其数值，并输入仪器采用特定值得方法[4]。
3 CEMS颗粒物（烟尘）测量技术现状
烟尘测量方法主要有BETA射线法、光学投射法、后散射法、电荷法等[5]。
BETA射线法是目前唯一一种抽取式在线烟尘浓度测量仪，它是利用颗粒物在纸带上堆积使纸带产生的密度变化，从而造成BTEA射线的衰减，测量颗粒物的浓度。其技术特点是能够直接测量颗粒物的质量浓度，不受颗粒物特性影响水分影响，但抽取方式困难，较多应用于环境空气，不易应用于工业废气。
光学投射法主要是测试光束含有烟尘的烟气时，光强因烟尘的吸收和散射作用而减弱，通过测定光束通过烟气前后的光强比值来定量烟尘浓度。其技术特点是可以连续监测颗粒物浓度，但会因振动等因素发生光路偏移，容易受烟气污染，需定期维护，不适合低浓度监测。
后散射法基于烟尘粒子的背向散射原理，用于对固定污染源颗粒物进行在线连续测量。其原理是经过调制的激光或红外平行光束射向烟气时，烟气中的烟尘对光向所有方向散射，经烟尘散射的光强在一定范围内与烟尘浓度成比例，通过测量散射光来定量煙尘浓度。其技术特点是易安装，方便维护，但受水分影响。
电荷法是烟气和烟尘在与探头探杆摩擦时所产生的电荷传递，由此所产生的电荷差，被监测仪监测到，通过计算电荷差，得到烟气浓度。其技术特点是适合于检测滤袋泄露，但监测因子较多，定量不太可靠。
4 结语
通过研究和了解CEMS系统监测技术现状，促进环保管理和监测部门对企业在线监测的质量管理，可根据CEMS气态污染物、烟气参数、颗粒物的不同监测技术的应用，为企业CEMS稳定运行提供有益的建议或帮助，同时为日常比对监测和管理提供技术支持，积累更多的经验。为在线数据的可靠性和准确性，环保管理部门的监管行，设备仪器整体的使用性，提供合理的依据，有效的更正以及行之有效的解决途径。
参考文献
[1]钱学森.烟气排放连续监测系统的配置[J].化工管理，2016（8）：212-213.
[2]刘立才.关于大气污染环境监测分析[J].黑龙江科技信息，2013（23）：23.
[3]邹正伟，董文娴.直接抽取采样法CEMS的测量误差分析.[J]电力科技与环保，2009，25（6）：68-72.
[4]杨威.烟气在线监测系统（CEMS）在环境管理中的应用研究[D].大连理工大学，2013.
[5]万亨.烟气脱硫脱硝中烟气排放连续监测系统的应用介绍与分析[J].能源环境保护，2010，24（6）：57-60.
