全程校准CEMS氮氧化物在线监测系统

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。

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。

CEMS系统概述

火电厂在燃烧煤炭时所排放出的烟气污染物中含粉尘、二氧化硫、氮氧化物，而 CEMS 系统可以根据上述污染物排放浓度和总量连续不断地进行全天24小时的监测。迄今为止，在超低排放政资实施的大背景下，社会上的绝大多数火电厂正在加速内部超低排放系统的构建，而烟气在线监测 CEMS 系统在其中是不可缺少的一项专用设备。


二、应用与研究

1、对冷干直抽法 CEMS 的研究

典型的冷干直抽法取样和预处理部分包括取样探头、取样伴热管线、过滤、除湿系统和取样泵等部分，其目的是给分析仪器提供连续的洁净(除尘)、干燥(除湿)、常温样气，确保分析仪长期连续稳定、准确可靠、少维护地协调运行，并延长其使用寿命。而作为火电厂超低排放监测系统冷干直抽法 CEMS 除湿系统的主要作用是把烟气中的水蒸气给去除。现阶段普遍使用的是冷却除湿法，冷却除湿法需要在很短的时间内将水蒸气冷凝，从而避免烟气和冷凝水接触(但它的机理造成了冷凝水和 SO2 必然发生接触)。为l防止冷凝水结冰，其冷凝的温度一般来说维持在 3~5℃即可，冷却除湿法的主要形式为电子制冷和压缩机制冷。冷干直抽法 CEMS 预处理系统的最主要的一个目的就是除湿。烟气在冷凝时会有冷凝水产生(普通热电厂的水含量为 8~15%)。但如果伴热管线加热效果下降，有冷凝水析出,或冷凝器制冷效果不好，样气中的水份未被分离而析出;或冷却仪的冷凝水蟠动泵管老化，致使冷凝水未能及时排出而被样气携带进入后续管道或仪器:另外在低温度比较低的情况下(冷凝器中)，SO2 的溶解度升高，低量程的 SO2 会溶解入冷凝水而造成监测分析的数据变小，甚至为零。

2、 应用改进

面对在高湿、低量程必定 发生二氧化硫溶入冷凝水的问题，目前为止存在两种方法可以规避或控制:(1)加注磷酸法，源自德国的烟气在线监测预处理系统,供应商考虑采用在整个伴热管线或在冷凝器中加注磷俊的方法来控制 ,NO<1000mg/Nm及 SO2<900mg/Nm 范围内二氧化硫在冷凝水中的溶解问题。机理是通过磷酸在水中电离出的 H离子，阻止 SO2 与水发生化学反应进而生成 HSO2，最大程度确保只有最少量的 二氧化硫落入冷凝水中。2Nafion 干燥管除湿法，通过 Nafion 膜选择性气态除湿的方式来从根本上解决冷凝水析出的问题，并且保留烟气中低量程的 SO2、NOX和 O2，有效确保分析的精确度和准确率。由于 Nafion干燥管没有机械运动部件，气态除湿且无冷凝水析出，因而与冷凝器相比具有明显的优势。