烟尘烟气连续自动监测系统运行管理课件

烟尘烟气连续自动监测系统烟尘烟气连续自动监测系统运行管理运行管理知识培训知识培训1 抽取式CEMS1.1固定污染源连续监测的采样方式气态污染物连续排放监测的对象主要为二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、氯化氢等有害气体和一氧化碳、二氧化碳等燃烧物，主要对其进行排放浓度和排放量的计算，同时监测氧含量。仪器的采样方式目前主要分为两种：即抽取采样法和直接测量法。采样方式抽取采样法直接测量法直接抽取法采样稀释法前处理方式后处理方式内稀释方式外稀释方式内置式测量外置式测量采样方式分类 直接抽取系统是直接从烟道或管道抽气、滤除颗粒物，将烟气送入分析仪的系统。该系统有三种类型：1.热湿系统；2.在探头后装有冷凝干燥系统；3.在分析仪前装有冷凝干燥系统；1.2 直接抽取法热湿法热湿法是指加热采样管和输送气体到分析仪的管路，加热温度必须高于气体冷凝的温度。把热湿气体送入分析仪，至少要在探头上装有粗过滤器以除去颗粒物；对于易溶于水的气体，必须加热，必须小心维持从探头到分析仪所抽取的气样的温度高于露点。如果加热系统发生故障，湿气将迅速地冷却并污染整个系统，由此可能会腐蚀系统的部件、造成堵塞，甚至会引起分析仪故障和损伤，致使整个系统崩溃。1.2.1 热湿系统的特点和使用烟气中气体成分复杂，含水量高，有些成分如HCl、NH3极易被吸附，测量难度很大，例如垃圾焚烧排放。采用直接高温测量方法，能够对包括水和HCl、NH3在内的污染物进行多组分同时测量。因为在测量过程中气体不降温，气体成分不变，腐蚀减少。同时，在高温状态下进行粉尘过滤，取样和反吹操作，提高了效率，延长了无维护时间。因此是目前烟气测量的最先进的方法。分析系统的主要技术包括：多组分红外线气体分析器(高温测量)；高温取样系统，包括高温取样探头；高温取样反吹校准系统；高温气路系统(过滤器、流量计、泵、管线等)。1.2.2 热湿系统流程图系统由取样系统和高温多组分红外分析仪组成。取样系统包括带加热过滤器的高温取样探头，高温条件运行的测量反吹校准阀组和伴热取样管线。系统机柜内组装有高温测量系统，包括使用高温测量气室的多组分红外光度计、高温取样泵、高温流量计和加热样气传输管线。1.2.2 热湿系统流程图1.3 直接抽取法前处理方式在气体进入分析仪前进行处理，已广泛用于抽气系统的设计中，其目的是降低烟气温度低于环境温度并除湿，以冷却和干燥气体。可在探头后或分析仪前处理烟气。直接在探头后处理的方式我们称为前处理方式。在分析仪前处理烟气的方式我们称为后处理方式。1.3 直接抽取法前处理方式除去烟气中的水分，在输送过程中就可避免与冷凝有关的问题。在探头处理的优点是不需要加热爱采样管，但对处理系统进行维护时不太方便；若采用后处理方式，在分析仪前处理，虽然便于检查处理系统，但必须使整个采样管保持适当的温度。采用后处理方式，即在分析仪前处理，虽然便于检查处理系统，但必须使整个采样管保持适当的温度。由于气体传输途中环境温度远远低于采样气体温度会造成传输管道结露而损失SO2、NOx，并腐蚀管道，所以要对采样探头、烟尘过滤器和传输管路加热。加热采样的目的是为保证采样气体在流动过程中能保持一个稳定的温度，并且保证在流动过程中不会因传输管道温度低于采样气体露点温度而结露，进一步水解SO2、NOx，给测量带来误差。1.4 直接抽取法后处理方式按规定加热采样管路的长度每一节不能超15m，管路内必须有3个测温探头，以保证控温精度。为了保证加热管的正常工作系统必须有一套稳定的控温装置。环境温度的剧烈变化会给温度控制装置带来麻烦。1.4 直接抽取法后处理方式1.4 直接抽取法后处理方式1.采样探头2.采样伴热管3.除湿系统4.采样泵5.细过滤器6.氮氧化物转化器1.5 抽取系统部件介绍1.采样探头2.采样伴热管采样伴热管把进入探头的样气送至样气处理系统或分析仪。由于有些气态污染物易溶于水，应加热输送，加热温度应等于或高于烟气温度。在分析仪前除湿时，从探头至除湿系统的整个管路必须始终加热。伴热管的加热方式分为两种：一种是恒功率电热带，另一种是自控温电伴热带。2.采样伴热管3.除湿系统冷凝除湿电子制冷器机械制冷器干燥除湿渗透干燥器半导体致冷器又称温差致冷组件，俗称电子制冷器。机械制冷器原理和冰箱制冷一样，有压缩泵和散热片。渗透干燥器具有离子交换膜的独特性能，将一种合成塑料用于特定种类分子的传输。当水蒸气的分压与膜的一侧不同时，水蒸气将被输送。4.采样泵采样泵是抽取系统的重要组件，用以将样气从烟道传输到分析仪。泵的能力应满足分析仪对抽气量的要求，同时应不漏气并不被润滑油而污染。有两类泵能满足上述条件：（1）隔膜泵（2）射流泵。5.细过滤器粗过滤器除去样气中的大颗粒物，由于气体分析仪几乎要求完全除去0.5u m 以上的颗粒物，所要用细过滤器，放置在分析仪的前面。细过滤器可以是滤纸。为使气体通过，滤纸是多孔的。微孔的大小应能阻止细颗粒物穿过。块状烧结滤料也用于制造过滤器，可滤去更细的颗粒物。6.氮氧化物转化器样气中存在的氮氧化物，常具有NO、NO2、N2O4等多种形态，其中除NO外，其他形态的相互转化极不稳定，分析NOx总量是有意义的，只有将NOx转化为NO才可对仪器进行标定和测量。氮氧化物转换器的工作原理氮氧化物转换器的工作原理是，在转换器外部通过加热器加热，使转换器内部温度达到气体与转换器内转换介质催化物质工作条件，样气从转换器一端进入，在转换器内通过吸附作用将NO。转化为成分稳定的NO，而催化剂不参与化学反应。1.6 气态污染物连续监测的分析仪器一般说来，一台分析仪器包含整个系统的控制/显示单元、测量单元（光学部件单元）、信号处理单元等。1.6.1 非分散红外分析仪 NDIR1.简单非分散红外 Simple Non Dispersive Infrared 2.Luft检测器或串联型气动式检测器3.Photoacostic光声检测器4.气体过滤相关GFC NDIR Gas filter Correlation5.傅里叶变换FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy6.差分光学吸收光谱 DOAS1.6.2 非分散紫外 Non Dispersive Ultraviolet 当分子吸收紫外(uv)区光谱(短波，高能)的特征光导致组成分子的电子跃进。吸收的紫外线光子激发原子的电子，在分子中处于高能级态。受激发的电子快速的损失能量通过以下四种方法之一返回到基态：分离，吸收高能光子能够引起电子完全脱离分子，造成分离；再发射，当电子能量衰减返回到基态后再发射同样的光子；荧光，当电子能量衰减返回到基态时，在低于最初的吸收频率发射光子，造成气体发光;磷光，与荧光的过程类似，但是在一个长的时间周期发生磷光。非分散紫外分析仪在UV区运行，应用差分吸收技术。仪器测量SO2对紫外光的吸收，SO2吸收带中心波长为285nm。然后与在578nm波长处的吸收进行比较，578nm的波长处没有SO2吸收。采用差分技术，用参比波长代替了参比气室，从而计算出污染物含量。已经证明差分吸收NDUV仪器在排放源监测应用中非常可靠。相比较而言该种技术干扰少。1.6.3 紫外荧光 Ultraviolet Fluorescense 紫外荧光方法测量二氧化硫的原理是当190-230nm附近的紫外光照射到二氧化硫气体后，二氧化硫分子吸收紫外光的能量受激发从高能级返回基态时发出荧光，荧光强度的大小反映出二氧化硫的浓度。紫外荧光法对SO2的检测灵敏度很高，可以检测到ppb级的低浓度SO2，同时动态范围和线性度也比较好，因此被广泛地应用在环境空气质量监测系统中。使用紫外荧光法测量高浓度SO2气体时，需要配接稀释采样器。1.6.4 化学发光法NOx监测仪器化学发光是由于化学反应产生的光能发射。氮氧化物等化合物吸收化学能后，被激发到激发态，在由激发态返回至基态时，以光量子的形式释放能量。测量化学发光强度对物质进行分析测定的方法称为化学发光法。由若干方法可以对NOx进行化学发光测定，最广泛使用的是臭氧的发光反应。在化学发光分析仪(图119)中，用UV光照射石英管中的氧气产生O3。提供的O3超过反应需要O3以确保NO完全转换成NO2和稀释测量气体，使存在于样品气体中的其他吸收发射的化学发光辐射的分子，例如：O2、N2、CO2的熄灭作用减至最小。因为光电倍增管信号正比于NO分子数，而不是NO浓度，所以必须小心地控制样品的流量。2 稀释式CEMS稀释抽取式系统在采样探头顶部，通过一个音速小孔进行采样，并用干燥的仪表空气在探头内部进行稀释，然后将稀释后的样气送入分析仪进行分析。由于样品气进入分析仪前未经除湿，因此稀释抽取式CEMS的测量结果为湿基浓度。图 2-1 稀释抽取式分析流程2.1 稀释采样系统1.稀释比2.稀释原理3.采样探头4.采样管线5.稀释空气净化系统1.稀释比1.1 稀释比计算公式 稀释比=(Q1+Q2)/Q2 Q1是稀释气流量（升/分）。Q1值可以由操作者调节，稀释比可以在一定范围内改变。将经稀释的样品（Q1+Q2)(升/分）经采样管线送至烟气检测仪。1.2 计算确定稀释比 采样系统的稀释比必须满足两个标准:第一个标准：使用的监测仪的测量范围应与实际抽取的样品的预计的浓度（稀释后）一致。第二个标准：应取得以下系统参数：a.最低环境温度。b.实际烟气的水蒸气百分数含量最大值。2.稀释原理 音速临界小孔采取耐热玻璃和陶瓷材质，小孔前端由石英过滤棉过滤，并经过陶瓷孔板到达小孔。小孔的长度远远小于孔径，当小孔两端的压力差大于0.46倍以上时，气体流经小孔的速度与小孔两端的压力变化基本无关，而只取决于气体分子流经小孔时的震动速度，即：产生恒流。实验室的实验表明：当稀释探头的真空度大于13inHg(英寸汞柱，约合44kPa)时，在绝大多数烟道条件下都能满足音速小孔的恒流条件。3.采样探头烟道内稀释探头Coarse FilterCritical OrificeDry Air LineCal Gas LineDiluted Sample OutVenturiNozzleQuartz Wool Fine FilterVacuum Reference Line烟道外稀释探头4.采样管线 稀释系统的采样管线由四根聚四氟乙烯管组成，其中两根分别用于往采样探头输送校准气和稀释空气，一根用于往各种分析仪器输送稀释后的烟气样品，另一根用于探头部分的真空度监测。所有采样管线除真空管线外均为正压。5.稀释空气净化系统 稀释空气和零点校准气采用除尘、除水、除油，以及必要时除CO2和浓度过高的空气本底中的SO2和NOX的仪表空气，它应该是干燥的,露点为-30C 到-40C，压力620 68 KPa。2.2 分析系统1.SO2气体分析仪原理2.NO-NO2-NOx气体分析仪原理3.仪表空气清洁系统1.SO2气体分析仪原理稀释抽取式SO2分析仪基本采用紫外荧光法。图2-1-1 紫外荧光分析二氧化硫2.NO-NO2-NOx气体分析仪原理NOx分析仪采用化学荧光法。样气经过滤，通过毛细管及模式阀门分别进入NO2转换室和反应室，在此室NO与O3反应产生特征荧光，荧光强度与NO浓度成正比，从光电倍增管得到荧光强度信号，从而得出NOX浓度。3.仪表空气清洁系统仪表空气清洁系统由过滤器、无热除水器、SO2NOx切割器组成(图2-5)。1.保持现场清洁2.稳定供电3.空调稳定2.3 系统影响3 直接测量式及DOAS原理CEMS 3.1 直接测量（in-situ）式CEMS基本情况 直接测量式CEMS一般有两类：1.传感器安装在探头端部，探头直接插入烟道，使用电化学或光电传感器，测量较小范围内污染物浓度（相当于点测量）；2.传感器和探头直接安装在烟道或管道上，传感器发射一束光穿过烟道，利用烟气的特征吸收光谱进行分析测量，可归为线性测量，可采用红外、紫外、差分光学吸收光谱、激光等技术。3.2 直接测量（in-situ）式CEMS介绍3.2.1 直接测量式CEMS的结构类型3.2.2 直接测量式CEMS的测量原理1.单波长法单波长法2.双波长法双波长法3.差分吸收光谱法（差分吸收光谱法（DOASDOAS）3.2.1 直接测量式CEMS的结构类型根据探头构造不同，可分为：内置式外置式根据光线是否两次穿过烟气，可分为：单光程双光程根据探头和光谱仪连接方式，可分为：一体式分体式光纤连接图3-1 内置式结构示意图（双光程）图图3-2 3-2 外置式结构示意图外置式结构示意图（双光程）（双光程）内置式和外置式探头比较3.2.2 直接测量式CEMS的测量原理1.单波长法2.双波长法3.差分吸收光谱法（DOAS）1.单波长法单波长法又称绝对波长法或峰值吸收法，通常适用于单组分的测量。所谓单组分是指试样中只含有一种被测成分，或者在混合物中待测组分的吸收峰波长并不位于其它共存物质的吸收波长处。测量时，选择在待测物质的吸收峰波长进行定量测定，气体浓度可由朗伯-比尔定律进行计算式中：式中：C C气体浓度气体浓度A A吸光度吸光度L L吸收层厚度吸收层厚度K K吸光常数吸光常数 单波长法存在的问题粉尘干扰仪器老化交叉干扰校准周期短光路污染2.双波长法利用选取的两波长1和2处的吸收系数差值与吸收度差值的比值来分析计算被测物质的浓度双波长法存在的问题粉尘干扰仪器老化交叉干扰校准周期短光路污染DOAS：Differential Optical AbsorptionDOAS方法是利用光线在大气中传输时，大气中各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些微量气体在大气中的浓度。DOAS方法的基础也是朗伯比尔定律，它根据气体分子的精细吸收特征来得到烟气浓度。3.差分吸收光谱法（DOAS）Spectroscopy，德国海堡大学环境物理研究所的Prof.Platt于1975年提出。到20世纪80年代末，DOAS技术作为一种空气监测系统在欧盟范围内得到广泛的认可。在瑞典，OPSIS公司成功地升级并确定DOAS系统的基本结构。随后，法国ESA公司和美国的Thermo公司也分别推出了自己的商业性的DOAS系统。发展概况我国安徽铜陵蓝盾公司和中科院安徽光机所合作研发了DOAS 系统。目前，国内已有深圳、厦门、杭州、福州等城市的空气自动监测系统引进了瑞典OPSIS公司的AR-500 DOAS系统。宁波、汕头等城市的空气自动监测系统准备了美国TE公司的TE-2000 DOAS系统。泉州、漳州、三明等城市的空气自动监测系统使用了法国Environment公司的SANOA DOAS系统。天津、拉萨、安庆等城市选用了蓝盾公司的DOAS系统。图3-3 一些常见污染物的差分吸收光谱主要气体主要气体参考波长参考波长/nmSO2210NO225NO2245表3-2 气体测量的参考波长 3.3.1 仪器组成光学系统机械结构电子学测量和控制系统吹扫保护系统3.3.2 仪器的工作过程3.3.3 探头结构3.3 采用DOAS技术的直接测量式CEMS结构介绍3.3.1.1 光学系统光学系统是完成烟气光谱采样的关键。光学系统主要由发射和接收两大部分组成，包括光源、透镜、角反射器、狭缝和多道光谱仪等。光源发出的光经过透镜直接进入烟道中，通过烟气吸收后经角反射器返回，由狭缝进入光谱仪，由光栅分光，在光栅色散焦平面由二极管阵列探测器(PDA)接收。(1)辐射光源一个良好的光源要求具备发光强度高、光亮稳定、光谱范围广和使用寿命长等特点。常用的紫外光源有以下几种：汞灯 紫外线金属卤化物灯，如卤钨灯等 氙灯 氘灯 图3-5紫外线汞灯光谱图图3-6氙灯光谱图图3-7氘灯光谱图(2)光谱仪 光谱仪主要作用就是分光，将包含多种波长的复合光以波长进行分解，然后从探测器上得出以波长为坐标排列的不同波长的光强分布。光谱仪按分光原理及分光元件的类别可以分为干涉光谱仪、棱镜光谱仪和光栅光谱仪等。干涉光谱仪采用干涉原理进行分光，具有杂散光低、光能利用率高等优点，但是光路设计复杂。而采用色散分光的光谱仪系统结构相对简单，一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件、聚焦光学系统和探测器。常用的分光元件有棱镜和光栅两类。棱镜是利用不同波长的光有不同的折射率而使复合光分开的光学元件。光栅是利用光的衍射和干涉作用使复合光色散。(3)探测器光电探测器是根据量子效应，诸如产生由于吸收的光子的电子，将所接收到的光信息转变成电信息的元件。其灵敏度本质上随光子能量辐射线的波长而变化。在紫外分光光谱分析中常用的探测器一般为线阵探测器，有PDA、CCD、CMOS、NMOS等。CCD产品图3.3.1.2 机械结构机械结构部分包括插入式气体采样管、二极管阵列探测器的线性检测及本底测量装置的机械驱动。考虑到烟道中温度很高，而且有SO2等腐蚀性很强的污染气体，所以气体通道包括测量槽及有关配件均采用不锈钢、透紫外光的石英玻璃材料制作，气体通道上的光学元件和密封元件均耐高温、耐腐蚀。3.3.1.3 电子学测量和控制系统分析仪的各个部件通过电子学测量和控制系统，组合成为有机的整体。电子学系统的实现涉及微弱信号检测、自动控制、软件工程以及电源变换等多项技术。3.3.1.4 吹扫保护系统吹扫保护系统由空气净化装置、吹扫风机、管路、信号检测等部分组成。空气(也有采用压缩空气作为吹扫保护气的)经过净化装置过滤后，被风机加速，通过管路送人测量探头内，保护镜片不被烟气污染。信号检测装置实时监测风机的工作状态，在风机跳闸停运时，提供报警信号，提示维护人员进行必要的处理。3.3.2 仪器的工作过程 利用气态污染物对特定波段的光具有吸收特性，选择波段在200-320nm的紫外光作光源，在此波段内水分子和其它气体几乎没有吸收。入射光被污染物吸收后，经光栅分光，由高灵敏二级管阵列探测器测量吸收光谱，并由此经计算机利用反演算法得到污染物的种类和含量。3.3.3 探头结构自动校准：直接测量式CEMS可内置校准池，实现自动校准手工校准：在光路中放置标气池，进行手工校准3.4 直接测量式CEMS的标定校准方法标气池标气入口标气出口3.5 日常维护及常见故障处理故障现象故障现象 原因分析原因分析处理办法处理办法备备 注注光强弱光强弱光源老化光源老化更换光源更换光源系统应具备自动检测系统应具备自动检测功能，信号弱时进行提功能，信号弱时进行提示示镜片污染或镜片污染或探头堵塞探头堵塞清洁镜片清洁镜片或探头或探头镜片变得镜片变得易污染易污染吹扫风机故吹扫风机故障障更换风机更换风机并清洁镜并清洁镜片片过滤器定期更换，否过滤器定期更换，否则会堵塞，造成风机负则会堵塞，造成风机负载过大、磨损严重，甚载过大、磨损严重，甚至烧毁至烧毁日常维护工作日常维护工作清洁探头角反射镜清洁探头角反射镜更换吹扫风机过滤器更换吹扫风机过滤器校准校准表表3-3 3-3 日常维护主要问题日常维护主要问题