摘要：本文通過介紹南京協鑫熱電有限公司2×48MW機組煙氣排放連續監測系統（ContinuousEmissionMonitoringSystem)即CEMS的設計選型，比較了CEMS的幾種主要技術及其特點。

關鍵詞：火電廠煙氣排放連續監測系統（CEMS）

1前言

我國火力發電量占總發電量80左右，而煤炭占火電機組燃料的95，隨著國民經濟的快速增長促使電力事業的迅猛發展，由燃煤所帶來的大氣污染問題日益嚴重。按目前的排放控制水平，到2020年，我國火電廠排放的二氧化硫、煙塵和氮氧化物將分別達到2100萬噸、500萬噸和1000萬噸以上。如果火電廠排放的大氣污染物得不到有效控制，將直接影響到我國大氣環境質量的改善。為控制污染加劇，促進火電行業的技術進步和電力行業的可持續發展，國家環保部門采取了一系列嚴格的環保政策，如大氣污染物總量控制、提高排污收費標準等（如二氧化硫收費標準將由0.2元/kg調至0.63元/kg）。新修訂的《火電廠大氣污染物排放標準》(GBl3223—2003)規定：“火力發電鍋爐須裝設符合HJ/T75要求的煙氣排放連續監測儀器；火電廠大氣污染物的連續監測按HJ/T75中的規定執行；煙氣排放連續監測裝置經省級以上人民政府環境保護行政主管部門驗收合格后，在有效期內其監測數據為有效數據。”因此，CEMS已成為環境管理、環境監測、排污收費、污染物治理及實施污染物排放總量控制的科學可靠的依據及必要的技術手段。

2工程情況簡介

南京協鑫熱電有限公司建設規模為2×240t/h循環流化床鍋爐配2×48MW機組，采用爐內投加石灰石脫硫方式，安有二臺布袋除塵器，煙氣由兩側煙道進入煙囪排出，煙囪高150m，由于兩側煙道工況類似，煙氣的流動性好，CEMS采用“一拖二”系統配置，即在煙囪兩側煙道上分別安裝一套采樣裝置，共用一套分析儀器。監測項目為SO2、煙塵、NOx，附帶測量參數為煙氣溫度、煙氣量、流速、壓力、水分、煙氣含O2量等。

3CEMS組成

CEMS由煙塵監測子系統、氣態污染物監測子系統、煙氣排放參數監測子系統、系統控制及數據采集處理子系統組成。組成CEMS的設備按照安裝布置可分為煙道現場部分和儀器間部分。

煙道現場儀器包括：直抽取樣探頭、煙塵監測儀、煙氣溫度、壓力、濕度、流速儀。
儀器間儀器包括：煙氣預處理裝置、分析儀器、工控機、氣瓶等。
現場儀器和儀器間通過煙氣采樣伴熱管、電纜連接，負責氣體、電源和信號的傳輸。

3.1取樣方法

目前國內外煙氣取樣方法主要有兩大類：直接測量法和抽取法，其中抽取法又分為直接抽取法和稀釋法。

直接測量取樣法是把分析部件直接安裝在煙道上，結構簡單，無須管線，采用差分吸收法測量，即將一束光直接照射在煙道氣體中，利用分子的吸收光譜測量若干波長上的吸收，根據這些波長上分子吸收系數的差來確定吸收分子的含量。由于采用多個波長來確定一種分子的濃度，所以具有較強的抗干擾性。其主要缺點是儀器工作環境惡劣，維修不便，同時差分吸收無法實現在線校準，測量精度低，難以長期連續工作，國內已很少使用，國際市場份額僅占不足1。

稀釋取樣法是將除塵后的取樣煙氣用大量的干燥純凈空氣按一定比例稀釋（100～250倍）后，使樣氣的露點溫度遠低于室溫（一般達到-30。C以下），再送至微量分析儀進行分析，分析結果乘以稀釋比，得到檢測值。稀釋法通過采用臨界孔技術保證稀釋比。所謂臨界孔指：當臨界孔兩端的壓力比達到0.53以上時，流體經過臨界孔的流速被限制在聲速，因此流體流過臨界孔的流量是恒定值。很容易保證稀釋氣的壓力恒定，即稀釋氣的流速亦是一個恒定值，所以樣氣的稀釋比是一個恒定值。稀釋法的主要優點是：

1）樣氣經大比例稀釋后降低了煙氣露點，傳輸管道不會出現結露和堵管現象，防止了煙氣中的水汽凝結造成溶解性污染物的成分損失；

2）杜絕了由于酸性凝結水腐蝕管道引起的故障，提高了系統的運行可靠性；

3）煙氣抽取量小（典型值50mL/min）,延長了過濾器使用壽命，儀器維護量小；

4）不需要煙氣預處理裝置，簡化了操作環節；

5）適用于各種場合，國際市場份額約占80。

稀釋法的主要缺點是：

1）樣氣中未除去水分，為濕法測量，結果需修正；

2）需用微量分析儀，精度要求高，降低靈敏度，誤差增大；

3）需要空氣凈化裝置，提高了成本，增大了維護量；

4）系統價格較高。

直接抽取法（加熱管線法）是通過加熱管對抽取的已除塵的煙氣進行保溫，保持煙氣不結露，經細除塵干燥裝置冷凝除濕預處理裝置后再送至分析儀。直接抽取法由于存在脫水過程，對煙氣中濃度較低且易溶于水的HCl、NH3、H3S等成分無法測量，因此不能用于垃圾焚燒發電廠的煙氣監測中。若將高溫高濕的煙氣送入儀器中進行分析，則對分析儀的要求很高，整套系統價格昂貴，多應用于多成分、低濃度、易溶于水的氣態污染物測量。直接抽取法適用于煙氣除塵效果好的場合，主要優點是：

1）樣氣中去除了水分，為干氣測量；

2）用常量分析儀監測，精度可靠；

3）無需稀釋氣，維修費用低；

4）一臺氣體分析儀可進行多種污染物監測，成本低；

5）系統價格適中。

直接抽取法的主要缺點是：

1）需要電（或汽）伴熱；

2）需要采樣泵和預處理裝置。

經全面分析，由于本工程采用除塵效率高達99.95布袋除塵器，煙塵排放濃度僅為14.2mg/Nm3，故本工程選擇直接抽取取樣法。

3.2.煙塵監測子系統

CEMS中煙塵的測量是一個相對獨立的部分，根據HJ/T75-2001規定，適合于煙塵連續監測的方法主要有：光散射法和濁度法。

光散射法是指用經過調制的激光或紅外平行光束射向煙氣時，煙氣中的煙塵對光向所有方向散射，經煙塵散射的光的強弱與煙塵散射截面成正比，當煙塵濃度升高時煙塵的散射截面增大，散射光增強，即光強在一定范圍內與煙塵濃度成比例，通過測量散射光強來定量煙塵濃度。根據接受器與光源所呈角度的大小可分為前散射、邊散射及后散射。前散射測塵儀接受器與光源呈±60°；邊散射測塵儀接受器與光源呈±（60°～120°）；后散射測塵儀接受器與光源呈±（120°～180°）。

散射法的主要優點是：安裝容易，靈敏度高，維護量小，測量范圍廣，可用于大中小各種尺寸的排放源。散射法的主要缺點是：燃料種類變化較大時需進行標定，屬于新型儀器，目前在國內已安裝量還比較少，該法可適用于燃煤、燃油排放源的測量，也可用于粉體加工傳送過程的濃度測量。

濁度法（也稱透射法，對穿法）是指光通過含有煙塵的煙氣時，光強因煙塵的吸收和散射作用而減弱，通過測定光束通過煙氣前后的光強比值來定量煙塵濃度。濁度法有激光光源和紅外光源兩種，激光光源采用半導體激光器，壽命較長，且不受水氣的影響，紅外光源主要受到水氣含量變化的干擾，測量精度較低。濁度法的主要優點是：技術成熟，結果可靠，價格適中，目前國內使用數量較多。濁度法的主要缺點是：需雙端安裝，進行光路對中，安裝及維護稍有不便，發射端及接收端都需要潔凈空氣保護。該法可用于國內的各種燃煤煙塵排放源的煙塵濃度測量。

設置煙塵監測孔時，應優先選擇在垂直管段，若煙道直管段長度大于6倍煙道當量直徑，則監測孔前的直管段不小于4倍當量直徑、且監測孔后的直管段長度不小于2倍當量直徑；若煙道直管段長度小于6倍煙道當量直徑，則監測孔前的直管段長度必須大于監測孔后的直管段長度。

本工程選用濁度法煙塵測塵儀，因兩臺布袋除塵器來自不同廠家，一臥式，一立式，缺乏垂直管道，且每臺除塵器后配兩臺引風機，即一爐配兩段鋼煙道，為減少探頭安裝數量，煙塵監測孔開在煙囪兩側的磚煙道上。

3.3.煙氣污染物監測子系統

由于要對兩臺鍋爐的煙氣污染物進行監測，為降低成本，采用一套分析儀對兩臺鍋爐輪流監測的方法。

煙氣中SO2的分析方法主要有紫外熒光法和非分散紅外吸收法（NDIR法）,NOx的分析方法主要有化學發光法（CLD法）和非分散紅外吸收法（NDIR法）。

紫外熒光法測量SO2濃度原理：煙氣在190nm～230nm的紫外光照射下，其中的SO2分子受激發生成激發態SO2，其返回基態時發出熒光，而且熒光強度與煙氣中SO2的濃度成正比，通過測量熒光光強就可得到SO2的濃度值。該法靈敏度高，可探測到ppb級的低濃度SO2，而且動態范圍和線性度好。

化學發光法測量NOx濃度原理：煙氣中的NO與臭氧發生反應生成激發態的NO2，其返回基態時放出光子，當臭氧過量時，發光強度與煙氣中NO濃度成正比，測量發光光強即可得到NO濃度值；同時利用鉬催化技術將煙氣中的NO2全部轉化為NO與臭氧發生反應，測量發光光強即可得到NOx總濃度值。

紫外熒光法和化學發光法均適用于稀釋取樣法。
非分散紅外吸收法是利用各種氣體對于紅外線這一光譜波段能量的吸收在波長上具有選擇性這一原理構成的，可以通過一臺儀器測定多組分氣體，有較好的性價比、適用于直抽取樣法。