烟气连续排放监测系统及其应用
1 问题的提出
随着科学技术和全球经济的迅猛发展，环境污染和生态破坏日趋严重，大气质量正在不断的恶化。当今危害环境和人类身体健康的3种主要污染物是：酸雨、城市空气污染、工业排放的有毒气、液体。
为了保证清洁的空气质量，早在1969年美国就通过了《大气污染防治法》，此项法律在当时环境保护上具有很大的进步意义。随着时代的发展，我国也逐渐认识到环境在人类生活和经济发展中的重要地位，《中华人民共和国大气污染防治法》已于2000年9月1日起施行。控制和减少环境污染不仅是一种政府行为要强制执行，而且是一种民族意识。大气环境污染监测系统则是进行控制和减轻大气环境污染工作必不可少的首要装备。
目前世界上生产烟气连续排放监测系统CEMS(Continuous Emission Monitoring System)的公司很多，在中国市场CEMs销售商主要有：ABB公司；美国环境系统公司，热电子公司下属的热环境公司；德国siemens公司，SICK公司，M&C公司；英国爱能公司；日本掘场公司，岛津公司等。
ABB作为全球最主要的CEMS供货商，烟气连续监测系统在全世界范围内每年销售约600套，具有全球的应用经验。大量的应用业绩及较高的世界市场占有率使ABB成为烟气连续排放监测领域的技术及市场领导者。
本文将主要以ABB公司的Advance cemasNDIR烟气连续监测系统及相关分析仪器进行详细的介绍。
2 CEMS的技术现状
CEMS是对固定污染源烟气排放在线连续监测的系统，分别由颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气参数监测子系统和数据处理与通讯子系统组成。具体到一个污染排放连续监测系统主要由采样技术、烟气分析技术、烟尘分析技术、流量测量技术、数据控制采集技术和其他辅助技术组成。
2．1 采样技术
CEMS的采样方法从广义上可以分成3种类型：抽取法，直接测量法，参数法。抽取法可以细分为直接抽取测量法和稀释法；直接测量法可以采取管路测量和点测量方式；参数法主要依赖于物理参数的测量，例如：温度，压力，或通过其他过程量的测量来预测估计排放量。
在酸雨的测量中，稀释法(湿式测量)占有主导的地位。一般情况下这种采样方法能很好地满足测量要求，但当污染物浓度长时间持续在较低水平的情况下，测量就受到限制。对于一些动态变化参数的测量，例如烟道的温度、烟道的压力和气体分子量的变化都会对稀释测量技术带来不利的影响。当分析仪的灵敏度达不到要求时，采用稀释法测量的系统就无法再正常工作。
通常来讲，反应性气体和可压缩性气体如氯化氢，氨气和甲醛等常常给测量带来很大的挑战。这些气体在烟道的流动过程中可能会发生反应，或者它们会在温度较低的抽取采样系统中被液化、吸附或者在达到分析仪之前就已经被聚合。
因此为了能够获得可靠的测量结果，需要根据采样气体的组成成分采取具体的采样方式和分析技术。
2．2烟气分析技术
当今的气体分析技术主要包括：非分散红外气体分析，紫外线气体分析，化学荧光气体分析，磁氧气体分析，火焰离子检测分析，气相色谱分析，质谱分析，傅立叶变换红外分析等。
对大气污染物中二氧化硫、氮氧化物的分析技术很多，但常常受到被测条件的制约。适合于对烟气中二氧化硫进行连续测量的方法主要有紫外荧光法与红外吸收法，其中，紫外荧光法是GB3095—1996中所规定的二氧化硫监测方法，化学发光法是GB3095-1996中所规定的氮氧化物监测方法，这类分析仪是CEMS的核心，在整个CEMS中所占的价格比例约为20％。
2．3烟气测量技术
CEMS中烟尘测量是一个相对独立的部分，在我国该技术发展的相对比较成熟。
烟尘测量仪应用的主要困难是分析仪计量单位和现行国家法定计量单位的差异。以前烟尘的测量主要采用手动采样称重法，因此标准规定采用烟尘的质量分数。而现代连续监测系统采用、光学或电学方法测量，并采用浊度作为计量单位。质量分数对称重法非常适宜，但对光学法和电学法则需要进行单位转换，而单位转换需要进行额外的标定试验，这种转换必须满足一定的条件。由于测试现场条件的限制，转换单位时将产生较大的误差。同时标定试验工作量很大，使得附加费用增加很多，不利于推广应用。
美国环境排放标准规定了排放烟尘的浊度标准，美国的CEMS几乎全部采用光学浊度仪进行烟尘质量分数的测量。目前在我国的实际应用中也越来越多地采用浊度作为烟尘计量单位。
3 ABB分析仪系列
ABB提供品种齐全的分析仪表产品，以满足各式各样的需求，并借助先进的通讯网络工程应用技术，仪表能够与PC或者不同DCS之间实现连接，从而使分析仪表系统的操作和服务更加简单。目前在烟气测量方面涉及和采用的分析仪器主要有Advance Optima和Easyline两大系列，分析系统常用的是Advance Cemas NDIR系统。
3．1 Advance Optima模块化气体分析仪
Advance Optima模块化分析仪广泛应用于石化、水泥、冶金、电厂、环保行业，它依据测量任务，使用相应测量原理的分析模块，提供灵活、经济、可靠、广泛的选择。
该模块化分析仪表系列采用先进的系统集成分析工艺技术，使气体的连续分析标准化，并可以把标准化的模块和特定的要求相结合，使分析解决方案成本降低。具体产品包括：Uras 14红外分析模块，Magnos 16/17氧分析模块，Multi—FID 14火焰离子检测器分析模块，Caldos 15/17热导分析模块，Limasll紫外分析模块等。
该分析仪表特点如下:
1个中央处理单元和多个分析模块：通用控制技术、通用连接技术、标准系统机箱；6种不同分析模块，用于气体在线分析和排放监测系统，模块化设计易于维护，具自诊断功能；配置3个分析模块，分析样气中最多6种不同成分；在线测量值显示和棒图显示，菜单操作，简便易学；状态和出错信息显示；系统配置灵活；多种通讯接口，直接与上位机通讯；可选的一体化气体模块；通用19时(1时=25.4mm)机架式机箱或壁挂式机箱，防爆危险场所，分析仪可以直接安装于2区；选择隔爆机箱时，分析仪可以安装于1区。
此外，Advance Optima具有网络通讯功能，使仪表可以与客户的PC或DCS连接。Advance Optima具有多种通讯协议，其中包括RS-232/RS-485 Modbus协议，TCP/IP协议，Profibus等协议。用户可以选择不同的软件工具进行显示和进行进一步的信息传送，从而实现远程直接操作、维修甚至服务的目的。
3．2 Easyline气体分析仪
Easyline系列分析仪是ABB推出的低成本、高性能气体分析仪，已得到广泛的应用。
该分析仪坚固耐用、使用简单，只需要通过4个按键就可以进行操作。它具有逻辑菜单，运行平稳的特点。应用领域包括工业过程分析、空气检测、生物发酵、空调技术、垃圾处理产生的气体、仓库和水果储藏等。
3种Easyline分析仪通过Modbus协议RS-232/RS-485接口可以轻松地与PC，PLC和DCS等过程控制系统集成。测得的数据和状态信号能够向上一级的系统传递，例如传送到基于Windows平台的应用中。传送过程是通过服务器DDE来完成的，它还具有读取并存储数据、显示实时数据和历史趋势等功能。
Easyline IR 只是一种红外分析仪，它能有选择地对多达两种气体成分进行体积分数的测量。它能对一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、甲烷、一氧化氮等气体进行测量，并有高选择性和高稳定性内置校正单元，可以在没有标定气体的情况下进行校正。
Easyline O2用于测量氧气的纯度或用来测量过程气体中氧气的体积分数。这种氧气分析仪的测量方法是墓于氧气具有特别的顺磁性原理。
Easyline TC 是一种热导分析仪，它采用精密加工的硅传感器，响应速度快。
3．3 ABB公司的CEMS特点
ABB的Advance Cemas NDIR 分析系统是专门用于烟气连续排放监测的CEMS。测量一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫，二氧化氮和氧气等，自动校准无需配置钢瓶气；系统具有自诊断功能显示探头、采样管线，样品处理系统、故障和维护请求；按环保要求完成数据的处理，包括CEMS参数的记录、趋势、计算以及各种报表输出；系统通过了TUV和CSA机构关于CEMS测试以及安装维护的认证。
3．3．1 系统特点
该系统的全中文显示应用软件，便于使用与操作，多种显示功能的选择完全符合国家和地方标准。测量结果均通过了国家环保总局的认证。系统基本配置及特点如下:
气体分析仪器采用德国ABB H&B公司微机智能型Advance Optima分析仪(配置Uras 14红外分析模块)。
颗粒物监测子系统选用德国原装产品，特点是：性能稳定，一次性成本投入少，可用毫克每立方米、微克每克、消光值、衰减率4种显示，便捷菜单操作，自带反吹扫系统，带有RS-232接口。
流量监测仪选用美国原装流量计，应用热传导式原理测定烟气的流速。其特点：耐磨损、耐腐蚀设计适用于电站烟气分析；定期自动清洗传感器，长期保持测量精度；带有双传感器，可以补偿烟气温度波动对测量精度的影响；可以兼测烟气温度。
统拥有强大的数据采集与处理系统，多组模拟量、开关量输入输出接口；可实现现场总线的连接；多种通讯方法的选用，使系统运行更为方便、灵活；累计平均时间小于等于10s，实时数据刷新时间小于等于3s。
系统内置标气池，无需钢气瓶，经过认定机构测试认证：标气池长期稳定，8a以上测试，飘移小于1％标气值。
3．3．2 系统主要功能及应用范围
检测烟尘(颗粒物)质量分数、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氨气的体积分数，烟气流速、烟气温度、烟气湿度、烟气中氧的体积分数等多项相关参数及统计排放率、排放总量等。
CEMS主要应用领域：石化行业中的催化剂再生炉和自备电厂锅炉等；供热及电力行业的各种锅炉；建材行业的水泥、玻璃及陶瓷窑炉；冶金行业的焦炉、高炉、转炉等。
2002年镇海石化公司的CFB锅炉采用了ABB的CEMS。系统采用了德国ABB生产的Advance Optima 气体分析仪，德国 DERAG 公司的尘浓度仪，美国INTEK公司的流量计和温度变送器，数据采集系统由中国ABB公司提供。系统目前还处在安装调试阶段。
4 中国CEMS现状和前景展望
20世纪90年代以来，国内石化、电力行业较早开始引进CEMS，到目前为止，粗略统计全国共使用各种型号的CEMS已达数百套。随着中国持续、快速的经济增长和生活质量的提高，人们对环境保护也提出了更高的要求，实现经济与环境的协调发展必须依靠环境科技的强大支撑。加强环境技术创新，发展高科技，实现产业化，既是解决中国环境保护面临的深层问题、进一步提高环境科技和环保产业整体素质和综合实力、实现跨越式发展的紧迫需求，也是应对环保产业参与国际竞争，立于不败之地的战略抉择。
近年来，随着人们环保意识的逐渐提高和石化及各个行业领导的高度重视与大力推广，烟气连续排放监测系统将得到越来越广泛的应用!
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