超低改造CEMS烟气在线分析系统

烟气排放是环境监测的重要组成部分，直接关系到空气质量和生态健康。为了满足环保要求，烟气CEMS在线监测系统广泛应用于各种工业生产过程，实时监测和监控烟气排放。然而，在实际运行中，烟气CEMS在线监测系统可能会遇到各种问题。本文将汇总并分析这些常见问题，同时提出相应的规范要求和核查方法，以保障系统的正常运行和数据的准确性。
采样和预处理单元




1.1采样点位



常见问题1：

流速和颗粒物采样点位于烟道弯头、阀门、变径管处、弯道或前后直管段不足。

影响：

这些位置流场不稳定，流速和颗粒物浓度无规律剧烈波动。

规范要求：

1.应优先选择在垂直管段和烟道负压区域。

2.距弯头、阀门、变径管下游方向不小于4倍烟道直径，距上述部件上游方向不小于两倍烟道直径处（HJ/T75—2007）。

核查方法：

现场观察。

备注：采样点位对气态污染物的影响较小，但也应尽量满足HJ/T75—2007规范中“距弯头、阀门、变径管下游方向不小于两倍烟道直径，以及距上述部件上游方向不小于0.5倍烟道直径处”的要求。

常见问题2：

采样点设置在净烟道，但旁路烟道未安装烟气流量和烟温监测装置。

影响：

旁路开启情况无法有效监控。

规范要求：

1.固定污染源烟气净化设备设置有旁路烟道时，应在旁路烟道内安装烟气流量连续计量装置（HJ/T75—2007）。

2.应在旁路烟道加装烟气温度和流量采样装置（环办〔2009〕8号）。

核查方法：

1.现场观察旁路烟道是否安装了流量和烟温测量装置。

2.开启旁路，观察DCS和CEMS上流量和烟温变化情况，净烟道流量应下降，旁路流量应上升，旁路烟温应接近原烟气温度。

备注：目前，许多燃煤电厂不设旁路或已取消旁路，不存在此问题。但烧结机脱硫等仍设有旁路，需予以关注。

常见问题3：

参比方法采样孔设置在CEMS采样孔上游，或距离CEMS采样孔较远。

影响：

测定结果可比性差。

规范要求：

在烟气CEMS监测断面下游应预留参比方法采样孔，采样孔数目及采样平台等按《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》要求确定，以供参比方法测试使用。在互不影响测量的前提下，应尽可能靠近（HJ/T75—2007）。

核查方法：

现场观察。

备注：参比方法采样孔与CEMS采样孔距离一般控制在1米以内。

常见问题4：

颗粒物采样孔设在气态污染物采样孔的上游。

影响：

颗粒物监测时需连续吹扫，吹扫空气会使气态污染物被稀释，监测结果偏低。

核查方法：

现场观察。

备注：采样孔的正确布置顺序为：沿烟气流动方向，依次布置气态污染物、温度压力流速、颗粒物采样孔。相互距离不小于0.5米。

1.2采样管路

常见问题1：

1.采样管线未全程伴热。

2.采样探头加热温度或采样管线伴热温度不足。

影响：

导致采样管内烟气温度低于露点，水汽结露，二氧化硫溶于水中，加大测量误差，使测定结果偏低

核查方法：

1.观察采样管线，是否全程伴热。

2.用手触碰采样管线，感觉是否有温度异常偏低的部分。

3.检查采样管两端，恒功率伴热管是否预留1米伴热带。

4.检查探头加热温度（温度显示仪表在采样探头旁或分析仪机柜内），一般加热温度不低于160℃。

5.检查伴热管伴热温度（温度显示仪表在分析仪机柜内），一般伴热温度不低于120℃。

备注：

1.只有完全抽取法（包括热湿法和冷干法）仪器使用伴热管。稀释抽取法不需要伴热，但探头需要加热。

2.采样探头加热温度和伴热管伴热温度需根据烟气露点温度确定，必须保证能够将烟气加热到露点温度以上。对垃圾焚烧尾气等露点温度较高的烟气，采样探头加热温度和伴热管温度宜设置更高的温度，一般不低于180℃。

3.根据对某型伴热管实际试验，裸露管段长在30厘米时，烟气温度降低可达70℃左右；裸露管段长在60厘米时，可达90℃左右。也就是说，裸露管段长度超过60厘米时，烟气温度已经降低至接近室温。在此过程中，将产生大量冷凝水，吸收烟气中的二氧化硫，使测定结果偏低。在二氧化硫浓度较低时，对测定结果的影响更大（如普通湿法脱硫烟气浓度低于50ppm时，二氧化硫损失率可达10%甚至更高）。因此，在安装过程中，应尽量缩短采样管裸露管段的长度。


常见问题2：



采样管形成U型管段。



影响：



冷凝水易蓄积在U型管段，加大测量误差，使气态污染物测定结果偏低。



核查方法：



现场观察。



1.3预处理



常见问题1：



颗粒物测量仪镜片、气态污染物采样探头、皮托管探头未正常反吹。



影响：



不正常反吹将导致颗粒物测试仪镜片污染，使浓度偏大；气态污染物采样探头和皮托管探头堵塞，数据异常，严重时设备无法运行。



核查方法：



1.观察平台上颗粒物测量仪反吹风机叶片是否转动，听风机是否有运转的声音，用手感觉风机是否振动，判断风机是否正常运行。



2.观察平台上气态污染物探头和皮托管探头反吹管是否正常连接，平台上反吹气阀门是否打开。



3.观察监测站房内或平台上反吹气源压力表，压力一般在0.4~0.7MPa。



备注：



1.需反吹的部件包括3个：颗粒物测量仪镜片、气态污染物采样探头、皮托管探头。



2.颗粒物测量仪镜片采用连续反吹。



3.气态污染物采样探头、皮托管探头为脉冲式反吹，反吹周期一般为4~8小时，每次反吹时间为2~5分钟。



4.气态污染物探头反吹时，二氧化硫和氮氧化物浓度降低，氧含量增高。



5.皮托管全压反吹时，压力显示为满量程。静压反吹时，压力显示为零。



6.目前一般均对反吹时数据进行了屏蔽。如屏蔽，在CEMS和DCS历史数据中查询分钟数据时，可观察到反吹期间浓度、流速保持一固定值（如前5分钟均值）。如未屏蔽，可观察到有二氧化硫和氮氧化物浓度、流速（静压反吹）周期性波谷，氧含量、流速（全压反吹）周期性波峰。



7.反吹气源一般由监测站房内的空压机提供，压缩空气经管路输送至平台后分3路，分别供给颗粒物测量仪镜片、气态污染物采样探头、皮托管探头进行反吹。



部分企业有自备气源，不需配备空压机。部分颗粒物测量仪镜片吹扫由平台上风机直接反吹。反吹气源压力在0.4~0.7MPa。



常见问题2：



气态污染物采样探头内滤芯、预处理机柜内滤芯长期未更换，导致滤芯失效。



影响：



滤芯堵塞，导致采样流量降低，严重时设备无法运行。



规范要求：



一般不超过3个月更换一次采样探头滤芯（HJ/T76—2007）。



核查方法：



1.查看气态污染物采样探头滤芯表面是否粉尘过大。



2.查看机柜滤芯是否变形、变色，表面有无大量粉尘。



备注：被测气体进入分析仪表前，需过滤去除粉尘和水蒸气，依次为：气态污染物采样探头内的陶瓷或不锈钢过滤器，预处理机柜内1~2处过滤器。正常情况下，分析仪采样流量一般在1~2L/分钟。



常见问题3：



1.冷凝器冷凝温度过高或过低。



2.冷凝温度不稳定。



影响：



1.冷凝温度过高，导致烟气中的水分不能充分析出，分析仪表损坏。



2.冷凝温度过低，尤其在低于0℃时，可能会导致冷凝管排水口结冰，无法正常排水。



核查方法：



1.查看冷凝器上的显示温度，一般冷凝温度应在3~5℃。



2.观察抽气泵，如果除湿不好，抽气泵易腐蚀。



备注：完全抽取法测量气态污染物一般包括冷干法和热湿法两类，国内应用的主要是冷干法仪器。只有冷干法仪器才需要使用冷凝器，目的是使烟气中的水分迅速结露冷凝析出。热湿法仪器和稀释法仪器不需要冷凝器。



常见问题4：



1.冷凝器排水蠕动泵泵管老化。



2.蠕动泵损坏。



3、蠕动泵泄漏。



影响：



冷凝水无法正常排出，严重时导致冷凝器不能正常工作。



规范要求：



每3个月至少检查一次气态污染物CEMS的过滤器、采样探头和管路的结灰和冷凝水情况、气体冷却部件、转换器、泵膜老化状态（HJ/T75—2007）。



核查方法：



1.查看蠕动泵电机是否按标识方向转动，观察蠕动泵管是否有水柱顺利排出。



2.查阅运维记录，检查是否定期更换蠕动泵管（一般3个月至少更换一次）。



3.将蠕动泵管拆卸下来，观察其是否有裂纹、能否恢复原状。如拆卸后不能恢复原状、泵管表面有裂纹，则需要更换。

分析单元




目前，国家标准中仅规定了调试检测期间判定CEMS是否合格的技术指标，定期校准、定期校验以及不定期比对监测期间判定数据是否失控的技术指标，但未明确日常检查中判定CEMS系统数据是否准确的方法和技术指标。在日常检查中，受时间、设备等限制，一般不采用参比方法对气态污染物进行比对监测，而是参考HJ/T76—2007第5.8.2条“气态污染物CEMS（含O2或CO2）主要技术指标”作为判定标准，即：相对误差不超过±5%，响应时间不大于200秒，零点漂移和量程漂移不超过满量程的±2.5%。对颗粒物和流速准确性的判定，必须采用参比方法，在日常检查时一般不具备比对监测的条件。因此，检查重点应放在设备实际状况。对颗粒物，重点检查光路是否准直、光学镜面是否清洁、安装位置是否剧烈振动；对流速/流量，重点检查安装位置是否合理、探头是否堵塞。



在用参比方法测定二氧化硫时，要注意一氧化碳对测定仪器的干扰。试验表明，一氧化碳对电化学原理测定二氧化硫的仪器有较大程度的正干扰，对CEMS系统基本无影响。用国内某型电化学法仪器和国外某型光学法仪器进行比对，烟气中4000ppm一氧化碳会对电化学二氧化硫产生606mg/m3正干扰，8000ppm一氧化碳会对电化学二氧化硫产生1170mg/m3正干扰。钢铁厂、焦化厂烟气中一氧化碳浓度在5000ppm以上，垃圾焚烧废气一氧化碳含量在3000ppm左右，在二氧化硫比对监测时，应注意一氧化碳的干扰。



常见问题1：



仪器未及时进行校准或校验。



影响：



测量误差增大，降低仪器准确度，严重时仪器精度无法满足标准要求。



规范要求：



对现有仪器，一般应该满足：



1.零点校准：气态污染物（二氧化硫、氮氧化物和氧）24小时一次；颗粒物和流速每3个月一次。



2.跨度校准：气态污染物（二氧化硫、氮氧化物和氧）15天一次；颗粒物和流速每3个月一次。



3.全系统校准：抽取式气态污染物CEMS每3个月至少进行一次全系统校准，要求零气和标准气体与样品气体通过的路径（如采样探头、过滤器、洗涤器、调节器）一致，进行零点和跨度、线性误差和响应时间的检测。



4.定期校验：每6个月一次（HJ/T75—2007）。



核查方法：



1.对气态污染物，现场测定零点漂移和跨度漂移，应不超过±2.5%F.S.。



2.如零点漂移和跨度漂移符合要求，则用接近被测气体浓度的标准气体进行全系统检验，误差不超过±5%。



3.查看CEMS或DCS中校准和校验期间的历史数据，如未屏蔽，则应能够找到相应的浓度值。如已屏蔽，则应保持一固定值。



备注：跨度漂移即为量程漂移。



常见问题2：



量程设置过高或过低。



影响：



1.量程设置过高，测量的烟气实际浓度远低于测量量程时（如低于20%），可能导致测量误差过大，影响数据的准确性。



2.量程设置过低，烟气实际浓度超过量程上限时，测量数据无效，排放情况无法得到有效监控。



核查方法：



1.查阅仪表历史数据，观察污染物实际排放浓度范围。



2.通常，实际排放浓度应该在量程的20～80%范围内。



3.如实际排放浓度低于量程的20%，通入与实际排放浓度接近的标准气体进行测定，相对误差应不超过±5%。



4.观察历史数据中是否经常发生超出仪器量程范围的数据。



常见问题3：



采用修改测量仪器标准曲线的斜率和截距、不正确设置校准系数、设定数据上下限等方式，对测定数据进行修饰。



影响：



人为作假，数据不真实。



核查方法：



分别用低、中、高浓度的标准气体进行全系统检验，误差不超过±5%。



常见问题4：



标气实际浓度与仪器设定的标气浓度不一致。



影响：



1.如果标气实际浓度低于仪器设定浓度，将使实际测定浓度接近等比例增高。



2.如果标气实际浓度高于仪器设定浓度，将使实际测定浓度接近等比例降低。如仪器设定的标气浓度为1000ppm，但标气的实际浓度为2000ppm，实际浓度为500ppm，则测定结果将显示为250ppm。



核查方法：



1.使用自备标准气体进行测定，相对误差应不超过±5%。



2.使用快速测定仪或将现场标气带回实验室测定，其浓度应与仪器设定的标气浓度一致。

烟气在线监测系统需要符合多种国家标准，这些标准涵盖了系统性能、监测方法、数据处理和传输等方面的要求。以下是一些关键的国家标准：

GB/T 16157-1996《大气污染物在线监测方法》：规定了大气污染物在线监测设备的技术指标、工作原理、监测数据的处理和传输等方面的要求。

GB/T 16157-2014《大气污染物在线自动监测系统技术要求》：对烟气在线自动监测系统的技术要求进行了明确，确保系统的准确性和可靠性。

GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》：针对火电厂的烟气排放，规定了具体的污染物排放标准，烟气在线监测系统需要能够准确监测并报告这些污染物的排放情况。


此外，烟气在线监测系统还需要遵守其他与环境保护、仪表工程、自动化控制等相关的国家标准，如GB50093-2002《自动化仪表工程施工及验收规范》、GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》等。

为确保工业烟气在线监测系统的准确性和可靠性，以下是一些关键的技术规范与标准：



准确性：监测系统的测量结果应准确可靠，误差控制在允许范围内。系统应满足国家和地方法规对排放浓度的要求，确保测量结果的准确性和可比性。

稳定性：系统应具有稳定的性能，能够长时间运行而不出现故障。各组成部分应具备良好的稳定性和可靠性，确保系统的长期稳定运行。

实时性：系统应能够实时反映废气排放状况，为企业提供及时的数据支持。通过实时监测和数据分析，企业可以及时调整生产工艺和设备，降低污染物排放。

可靠性：系统应具有高可靠性，能够抵御各种环境因素的影响。在恶劣的工作环境下，系统仍能保持稳定运行，提供准确的监测数据。

易用性：系统应易于操作和维护，方便企业使用。通过简化操作流程和提供直观的用户界面，降低操作人员的技术门槛，提高系统的易用性。



三、校准和质量控制



为确保监测系统的准确性和可靠性，系统应具备校准和质量控制的功能。定期进行校准和验证，确保测量结果的准确性和可靠性。此外，系统还应具备自动校准和故障诊断功能，及时发现和修复设备故障，保证系统的稳定运行。



四、数据报告和记录



监测系统应能够生成完整的监测报告和记录，包括监测数据、设备状态、校准记录等。这些数据和记录对于评估系统性能、查找问题原因以及制定改进措施具有重要意义。同时，数据报告和记录也有助于满足法规要求，为企业提供合规证明。

超低排放是指锅炉尾部经环保治理后，在6%含氧量情况下，相关气态污染物排放浓度实现：NOx≤50mg/m3、S02≤35mg/m3、烟尘≤10mg/m3。许多燃煤锅炉经环保升级改造后，尾部烟气中相关气态污染物已满足超低排放要求，但原有CEMS系统仍继续保留使用。为适应日趋严格的环保要求，近年来众多燃煤锅炉积极开展环保升级改造，实现锅炉尾部烟气中烟尘、SO2、NOx等气态污染物“超低排放”。文章通过对比几种应用于二氧化硫、氮氧化物和烟尘的典型监测技术，提出了适用于超低排放改造的烟气在线监测系统优化配置方案。

烟尘监测技术
1.光透射法烟尘监测技术。光透射法技术基于朗伯-比尔定律，即光穿过含尘烟气时透过率与烟尘浓度呈指数下降关系。在实际应用中有单光程和双光程两种类型的仪器，光透射法的准确性受颗粒物粒径分布影响较大，且灵敏度不高，一般用于烟尘浓度高（大于300mg/m3）、烟道直径大且烟气湿度低的工况。
.光散射法烟尘监测技术。光照射在烟尘上时会被烟尘吸收和散射，散射光偏离光入射的路径，散射光强度与烟尘粒径和入射光波长有关，光散射法就是采用测量散射光强度来监测烟尘浓度的。在实际应用中有前向散射、后向散射和边向散射三种类型。该技术灵敏度高，能够测量低至0.1mg/m3的烟尘浓度，最低量程可达到0-5mg/m3，适用于烟尘浓度低、烟道直径小的情况。但该技术同样容易受水汽影响，不适宜烟气湿度高的工况。
3.电荷法烟尘监测技术。所有烟尘颗粒均带有电荷，颗粒物接触或摩擦时将产生电荷交换，电荷法就是用电绝缘传感探针测量探头和附近气流或直接与探头碰撞的颗粒物之间的电荷交换来测量烟尘浓度的。该技术除受烟尘粒径变化、组分变化和烟气湿度影响外，还受烟气流速影响，主要用于布袋除尘的泄漏检测和报警等定性测量，少在CEMS中应用。
4.β射线吸收法烟尘监测技术。β射线具有一定穿透力，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随吸收物质厚度的增加逐渐减弱，通过测量穿过物质前后的β射线强度，即可得出吸收物质的浓度。该技术基于抽取式测量方式，不受烟尘粒径分布、折射系数、组分变化、烟气湿度等影响，可用于烟尘浓度低、烟气湿度大的工况。但抽取式测量属于点测量，不适合烟气流速变化大、烟尘浓度分层的场所。

烟气预处理技术
基于非分散红外/紫外吸收法技术的CEMS系统多数采用直抽法取样，为防止系统堵塞和水分对测量的干扰，需要对烟气进行除尘和除水处理。预处理装置的效果直接影响CMES的整体性能，通常以处理后的烟气露点作为重要指标来判定预处理的性能。在实际应用中，“过滤+冷凝”的预处理方式较为广泛。其中烟气过滤除尘技术较为成熟，常用的有金属滤芯、陶瓷烧结滤芯和膜式过滤器。烟气冷凝除水技术较为常用的有压缩机冷凝和半导体冷凝，可将烟气露点干燥至5℃。新兴技术中有高分子膜式渗透除水技术，采用高分子聚合亲水材料，具有高选择性除水性能，不改变烟气中SO2和NOX污染物因子成份，可将烟气露点干燥至-5℃以下。

几种烟气在线监测技术的性能比较
国内火电厂烟气在线监测产品众多，本文结合各种产品的运行情况，参考了拥有该种技术典型品牌产品的说明书，对超低排放较为关注的量程、精度等重要指标参数进行对比。其中最小量程指的是最小物理量程，而非软件迁移的量程。
1.SO2和NOX监测技术的比较
根据《固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ/T76），按超低排放限值计算，SO2和NOX量程应不大于175mg/m3和250mg/m3。非分散紫外吸收/差分法分析仪的最小量程满足HI/T76标准要求，但CEMS系统的整体性能不但与分析仪本身性能有关，还受烟气预处理系统性能的影响。
2.烟尘监测技术的比较
在火电厂超低排放改造中，烟尘浓度一般要达到10mg/m3以下。尤其以湿式除尘改造为主要技术路线的烟气中水分含量较大，给烟尘的准确监测带来挑战。β射线法技术量程低，可达到低浓度烟尘监测的精度要求，但其成套价格较高，且β射线装置属于放射源，国家辐射管理部门对其销售、运输、使用过程、报废等都有严格的监管，不便于应用推广，所以其在CEMS上应用也较少。在实际应用中一般是将烟气等速抽取，经升温加热使水分雾化不出现液滴，再通过光散射等低浓度测量方法进行测量；另一种是将烟气等速抽取，将加热干燥的空气与其按一定比例混合稀释，从而降低烟气中的水分含量，再通过光散射等低浓度测量方法进行测量，结合混合气体的稀释比计算出烟尘浓度。这种方式采用低浓度测量原理，优化了烟气采样和预处理，有效解决目前超低排放改造中高湿低浓度烟尘在线监测的问题，在湿式除尘后已有广泛应用。
3.烟气预处理技术的比较
火电厂实施超低排放改造后，烟气污染物浓度大幅降低，在线监测的适应性取决于系统的检出下限，而CEMS的检出下限受分析仪本体和烟气预处理装置两部分制约。在实际应用的烟气预处理中，直接抽取+冷干法占70%，均采用冷凝除水技术。该技术在冷凝过程中，冷凝水会吸收携带部分SO2和NOX，以致在超低浓度工况下的监测数据严重失真甚至无检测数据，不能满足HI/T76标准的技术要求。水分含量越高对测量结果影响越大，其中渗透膜除水技术对SO2测量的影响远小于其他除水技术，其除水效果优于其他技术。由此而知，在直抽法采用紫外吸收/差分法分析仪时，应同时选用除水效果更好的烟气预处理技术，否则监测数据可能严重失真甚至检测不出数据。在稀释法取样中，预处理侧重于对稀释气体的处理，通常配备专门的压缩空气净化装置或者发生装置，经精密过滤和干燥，可将露点降至-40℃，不需要加热采样管线。在CEMS中，稀释抽取法通常与紫外荧光和化学发光技术配套使用。
五、结束语：
综上所述，超低排放改造实施后，进出口烟气特性差异较大，烟气监测对CEMS的系统配置提出了更高、更具体的要求，建议在可研或技术规范书里明确各测点不同污染物对烟气取样方式、预处理、分析仪的测量原理、量程、检出下限等主要参数和选型的具体要求。

应用范围
适用于超低工况以及有碳氢化合物干扰，如焦化厂、生物质电厂、冶金厂等排放口的污染气体和温室气体的协同监测。

产品特点
国产和进口分析仪可选；

干基测量，结果无需湿度转换；

配有紫外分析模块，非分散红外模块可选；

可配置自动质控模块，从远端对系统进行数据质控；

适用于超低排放工况下的污染气体和温室气体的协同监测。

固定污染源烟气排放连续监测系统（CEMS）针对大型工业烟囱等固定污染源废气浓度监测可对烟道气中颗粒物、SO2、NOx等污染物进行动态连续监测，同时可测量烟气的流速、压力、温度、湿度、含氧量等数据，自动记录污染物排放总量和排放时间，并通过GPRS、4G、光纤等通讯手段将监测数据传送到管理部门，实现对

污染源排放的远程实时监测。






特性
PLC数据采集系统功能产全，操作直观简便，并支持网络扩建及系统扩展。

仪表机柜采用模块化设计，系统结构简明、稳定性强，高自动化低维护。

气体分析单元采用非分光红外气体分析技术及长寿命电化学传感技术，传感器使用寿命长，多组分测量气体间无交叉干扰。

测量范围小于200ppm，满足国家环保行业标准;分辨率达到1ppm，适用于低浓度烟气认证。

系统功能丰富，可实现自动取样、吹扫、校准、故障自诊断报警等功能。