大连市烟气在线连续监测系统状况调查

中国环境学会  2011年 03月31日


  邢  军   马  骏  (大连市环境监测中心,116023)


  摘要:根据《污染源自动监控管理办法》(国家环境保护总局令28号)的要求,大连市环境监测中心对全市所有烟气在线连续监测系统完成验收监测并每季度进行比对监测,通常对在线监测系统的调查和比较,掌握了全市烟气在线监测系统的现状及存在问题,并提出相应的对策和建议。
  关键词:烟气在线监测  采样方式  测量技术  性能比较


  1前言


  根据《污染源自动监控管理办法》(国家环境保护总局令28号)的要求,大连市环保局于2006年起要求全市重点污染企业安装废水、废气连续监测系统,截止到2009年底全市共14家企业安装废气在线连续监测系统39套,其中有机废气在线连续监测系统1套,均正常运行。按照大连市环境保护局要求,大连市环境监测中心每季度均对烟气连续监测设备比对监测一次。


  2废气连续监测系统概述


  2.1 CEMS的概念
  烟气连续排放监测系统(Continuous emission monitoring systems for flus gas)简称CEMS,测定污染源颗粒物和气态污染物或排放速率所需的全部设备。它是由采样、测试、数据采集和处理三个子系统组成的监测体系。
  采样系统:采集、输送烟气或延期与测试系统隔离。
  测试系统:检测污染物,显示物理量或污染物浓度。
  数据采集、处理系统:采集并处理数据,生产图谱、报表。


  2.2 CEMS组成和描述
  烟气CEMS是由颗粒物CEMS和气态污染物CEMS(含O2或CO)、烟气参数测量子系统、数据采集处理子系统组成(图1)。通过采样方式和非采样方式,测定烟气中污染物浓度,同时测量烟气温度、烟气压力、流速、流量、烟气含氧量、烟气含湿量(或输入含湿量);计算烟气污染物排放率、排放量;显示和打印各种参数、图表并通过数据图文传输系统传输至管理部门。


  2.3 CEMS的分类及测试技术
  2.3.1 CEMS的分类
  烟气CEMS是由颗粒物CEMS按测量方式分可分为三类:抽取式监测系统、现场监测系统和遥测系统。
  2.3.2 CEMS采用分析技术
  按取样方式和检测原理而分,目前,国内主要采用的技术见表。
  CEMS的基本技术分类

  分类

二氧化硫

氮氧化物

颗粒物

流速

含氧量

湿度

直接抽取式

冷干

非分散红外

非分散紫外

DOAS

GFC

电化学

非分散红外

非分散紫外

DOAS

GFC

电化学

β射线法

 

氧化锆

电化学

顺磁氧

干湿氧

热湿

DOAS

傅立叶红外

DOAS

傅立叶红外

稀释抽取式

紫外荧光

化学发光

 

 

 

 

直接测量式

DOAS

非分散紫外

DOAS

非分散紫外

浊度法

散射法

光闪烁

S型皮托管

热丝法

超声波法

氧化锆

电容法

 

 

  2.4 CEMS 主要技术要求
  烟气连续监测系统主要技术要求包括:外观要求、环境条件、供电电压、安全要求、校准、净化、数据采集等。


  2.5 CEMS 检测质量保证
  分为安装时的质量保证、校准时的质量保证和复检时的质量保证三个方面。 上述具体内容请参考 HJ/T76——2001 国家环保总局《固污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》。


  3大连市烟气连续监测系统采用的测量技术现状和发展趋势


  3.1气态污染物测量技术现状和发展
  气态污染物测量技术按取样方式可分为直接抽取法、稀释抽取法和直接测量法,而直接抽取式又可分为冷干法和热湿法。冷干-直接抽取式的测量结果为干基浓度,热湿-直接抽取式的测量结果为湿基浓度,稀释抽取式目前国内所采用的技术其测量结果均为湿基浓度,直接测量式也为湿基浓度。由于我国的排放限值是在干基浓度基础上的折算浓度,因此湿基浓度的结果无法回避湿度的测量。
  3.1.1直接抽取法
  这种方法是最传统的烟气连续分析方法,他将被测烟气连续地进行抽取,经过采样探头过滤、加热保温、冷凝脱水和细过滤,进入气体分析仪。这种方法在欧洲最为流行,但预处理系统复杂、维护工作量大、总体价格较高。
  3.1.2稀释抽取法
  稀释抽取法是在抽取的基础上,用干净的空气将抽取的烟气进行确定倍数的稀释(如100倍)。这样可避免直接抽取方法中复杂的样品预处理系统,同时由于无需除水,因而是带湿测量的,这也是美国环保局(EPA)的优选方法,在美国甚为流行。但这种方法要求高精度稀释头(设计制造相当困难),同时稀释头也需要定期更换过滤装置。
  3.1.3直接测量法
  现场直接测量法是目前为止最为简明的方式,免去了复杂的取样管道及预处理系统,维护工作量小,几乎没有消耗品,其难点是在线标定,同时探头和分析仪直接置于现场,防护要求较高。
  目前大连市安装的连续监测系统气态污染物测量技术主要以直接抽取法中电化学法和稀释抽取法中紫外荧光法为主。而通过大量的比对监测数据可以看出,虽然这两种方法在准确度方面均比较令人满意,可是电化学法对前处理要求比较高,在仪器的维护校准方面需要花费更大的力气。所以目前发达国家电化学原理的CEMS,已较少使用了。
  就测量技术而言,目前国外发达国家有的,我国目前也均在使用,任何一项连续自动监测技术,不可能适用于所有的场合,有其利必有其弊。而如何选择适用本地区的监测技术就需要更深入的研究。美国主要选用了稀释抽取式有其历史的原因,也是其法律法规促成的结果。直接将环境空气中连续自动监测的质控措施应用于污染源连续自动监测,方便了许多使用者的维护,同时美国的法规接受湿基浓度,则促进了稀释抽取式的发展。我国由于对干基浓度的要求,则不可避免地首先选择了直接抽取式。以后,随湿度监测技术的成熟,并伴随法律法规要求连续自动监测污染因子的增多,取样方式似有向直接测量式发展的趋势,进而向遥测方式发展。分析技术则以光学技术为主导,向全谱分析和线状光谱技术方向发展。测量范围则逐渐向低浓度发展,追求更高的准确度和精密度。


  3.2颗粒物测量技术现状和发展
  由于不易获得较好的稳定性和重复性的标准颗粒物浓度,与气态污染物的监测相比,颗粒物的连续自动监测更不被看好。正因为如此,法规中对颗粒物CEMS准确性的要求则更为宽泛。
  3.2.1不透明光度法
  当一束光通过含有烟尘的烟气时,光强因烟尘的吸收和散射作用而衰弱,并遵循Lambert-Beer定律:           I=I0exp(-aL)                 
  式中,I0为入射光辐射强度:I为出射光辐射强度:a为入射光波长、烟尘粒子半径、烟尘浓度相关的衰弱系数;L为光束透过烟气层的距离,即光程。
  测量仪器主要由激光发射端、激光接受端组成。激光发射端、激光接受端均为法兰安装形式,留有反吹气接口、电源及信号线缆连接插座。
  3.2.2β射线衰减法
  使用等速采样设备对烟气进行等速采样,烟气通过滤带过滤后烟尘集于样品滤带上,通过β射线对空白和样品滤带的比对测量,从而得出颗粒物的精确质量。
  3.2.3电荷转移监测仪法
  电荷法监测设备是利用探测各项颗粒物与探针之间所产生的静电荷,经过放大分析和处理,转换成一种电信号并传送进监测系统。利用“摩擦生电”原理来获取信号的烟尘排放监测设备称为“直流耦合”技术;利用“电荷感应”原理来信号的烟尘排放监测设备称为“交流耦合”技术。颗粒物排放量与“交流耦合”技术监测探头感应信号具有线性关系。
  目前大连市安装的连续监测系统颗粒物测量技术主要以散射法为主。监测技术的发展直接受法律法规的影响,颗粒物的连续自动监测发展非常明显体现了这点。“十一五”之前由于颗粒物的排放浓度较高,因此2005年前,我国主要安装的颗粒物CEMS基本为适合测量高浓度的浊度法,近些年,颗粒物的排放浓度逐渐降低,尤其是这几年,大型火电厂逐步安装湿法脱硫设备,导致许多颗粒物浓度也越来越低,所以更为适合测量低浓度的散射法正逐步占据主导地位。以后,随环保法律法规进一步严格,散射法的应用将更多。


  3.3烟气参数测量技术现状和发展
  3.3.1烟气氧量
  烟气氧量作为判断烟气是否被稀释的一个重要参数,是污染物浓度监测中的必测项目。过程自动控制领域氧气的测量是较为成熟的技术,应用于CEMS监测,存在的问题不多。大连市烟气连接监测系统也均采用直接测量法中氧化锆法测量氧气含量。
  3.3.2烟气流速
  各种流速CEMS性能比较见表。  
  流速CEMS性能比较表

  测量方法

测量方式

优点

缺点

压差传感法

点测量

要用速度场系数校准

结构简单,安装方便,易于维护,运行可靠。

要用高压气体定时反吹。

靶式流量计法

点测量

要用速度场系数校准

结构简单,安装方便,易于维护,运行可靠,成本低。

当垂直于气流的靶面积发生改变时影响流量测定的准确性。

热平衡法

点测量

要用速度场系数校准

结构简单,安装方便,易于维护,运行可靠,不许要测量烟气温度、压力。

质量流量与烟气密度有关,由于是直接插入烟道测量,要防治烟气对热丝的污染。

超声波法

线测量

与气体密度、温度压力无关,测量断面排气平均流速。

安装要求高,价格贵。

  烟气流速的测量,除S型皮托管基本为国内生产,热平衡法和超声波法则基本进口。皮托管法和热平衡法为点式测量,超声波法为线式测量,三者均为湿基流速。
  大连市烟气连接监测系统均S型皮托管法,其优势主要在于结构简单,安装方便,易于维护,运行可靠。皮托管流速测量技术需要解决的是在线的校准问题以及在直管段不能充分满足要求的情况下,如何客观反映现实。


  3.3.3烟气湿度
  湿度在干基浓度的二氧化硫和氮氧化物测量中,由于流速为湿基流速,仅在总量的计算中需要,而在湿基浓度的测量中,湿度则用于向干基浓度的转换。目前,在CEMS的技术规范中,湿度的连续自动监测并非强制要求,可以采用手工测量并输入的方法。


  4大连市烟气连续监测系统的应用及问题分析


  根据《污染源自动监控管理办法》(国家环境保护总局令28号)大连市废气污染物排放大户均对重点排放源安装了烟气在线连续监测系统。截止到2008年底全市14家企业共安装烟气在线连续监测系统39套,其中有机废气在线连续监测系统1套,并全部通过验收。
  根据大连市环境保护局污染减排工作的要求,大连市环境监测中心每季度对全市重点企业安装的烟气在线连续监测进行一次比对监测。


  4.1问题分析
  通过验收监测和比对监测发现的问题如下:
  1、企业自身承担设备日常运营。部分企业自身承担设备的日常校准和维护,其自身能力有限,而后期设备的运营、维护都需要大量的资金和专业的人员设备保证。所以企业自身的维护、校准、维修、质量保证和质量控制工作不能满足要求,致使仪器准确度下降。
  2、受现场条件限制,安装位置普遍不符合监测规范要求,造成监测数据的系统误差。因受现场条件限制,大部分企业的CEMS系统安装位置不符合规范要求。大部分烟气CEMS安装在烟道的平直段,但距烟道弯头部的距离太近;有的安装在汇总烟道处,距离烟道汇总口的距离太近,造成监测数据的系统误差较大。
  3、烟气在线监测设备只有在负荷平稳时准确率较高,如果负荷变化较多快,须每次重新制定标准曲线。如标准曲线制定不及时,可能影响在线监测设备的合理率。
  4、监测数据无法为管理服务。由于现阶段没有法律、法规的依据,在线连续监测系统每日产生的大量监测数据,只能为管理部门提供参考的依据,不能作为处罚或行政管理的依据。


  4.2建议
  1、从源头做起。企业在选购在线设备时,行政部门应给予相应的分析指导,通过分析不同废气排放大户产生的废气中温度、湿度、污染物浓度等因素的不同,指导企业选取符合其自身特点的在线监测仪器的原理,从而为以后验收监测、比对监测顺利通过增加砝码。
  2、将在线监测设备的后期维护推向市场,迫使市场形成独立的专业的后期维护公司。因为在线监测设备的后期运行需要大量资金和专业化的维护队伍,仅以安装在线装置企业自身实力无法满足专业化的维护需要和保证数据的质量。而专业的维护队伍和定期的维护,对被测企业一次性通过环保验收和日常仪器维护、标准曲线建设都是至关重要的。
  3、由于过去废气排放大户未预留安装烟气在线连续监测装置的位置,增大了监测数据的相对误差,建议新建重点废气排放企业均要给烟气在线连续监测设备留有安装位置,保证监测数据的准确性。
  4、建议尽快出台有效的法律、法规,保障监测数据可以为行政执法服务。
    
  参考文献
  [1]《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003);
  [2]《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检验方法》(HJ/T76-2001);
  [3]《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996);
  [4]董雪峰,蒋文军,火电厂烟气在线监测系统主要存在的问题及解决方法,河南电力,2007年1期;
  [5]余剑明,姚唯建,汤龙华;火电厂烟气连续监测系统评述;电力环境保护;2000年02期。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
  作者简介:
  邢军(大连市环境监测中心),男,28本科,南京理工大学,环境工程专业。通讯方式:大连市沙河口区连山街58号,邮编116023,xj8288@htoamail.com。联系电话:13609852550。
  马骏(大连市环境监测中心),女,28,本科,大连大学,环境科学专业。通讯方式:大连市沙河口区连山街58号,邮编116023,majun19820607@163.com。联系电话:13942044098。
   

 
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