烟气自动监测设备基本原理及构造课件

废气自气自动监测设备基本原理及构造基本原理及构造 吕吕俊俊俊俊鹏鹏20142014年年年年4 4月月月月目目目目录录uu一、一、一、一、CEMSCEMS概要介概要介概要介概要介绍绍uu二、气二、气二、气二、气态污态污染物染物染物染物监测监测子系子系子系子系统统uu三、常三、常三、常三、常见见烟气分析烟气分析烟气分析烟气分析仪仪分析原理分析原理分析原理分析原理uu四、四、四、四、颗颗粒物粒物粒物粒物监测监测子系子系子系子系统统uu五、烟气排放参数五、烟气排放参数五、烟气排放参数五、烟气排放参数监测监测子系子系子系子系统统uu 六、数据六、数据六、数据六、数据处处理子系理子系理子系理子系统统uu七、前沿技七、前沿技七、前沿技七、前沿技术术交流交流交流交流一、一、CEMSCEMS概要介绍概要介绍uCEMSCEMS概念概念 英文Continuous Emission Monitoring System的缩写。烟气连续排放监测系统。可对固定污染源长时间在线连续监测，实时监测污染物的排放浓度，计算排放率、排放总量。并将数据上传到上级（或几级）环保部门的监控中心，确保排污企业污染物浓度和排放总量达标。各种相关的环保设备如脱硫、脱销等装置，也依靠CEMS的数据进行监控和管理，以提高环保设施的效率。uCEMSCEMS的主要测量参数的主要测量参数污染物主要有：二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、颗粒物（烟尘）烟气参数主要有：氧含量（O2）、烟气流速（流量）、烟气湿度、温度和压力等。其他参数：CO、CO2、HCL、HF、H2S等。CEMSCEMS组成框图组成框图颗粒物粒物监测子系子系统气气态污染物染物监测子系子系统烟气排放参数烟气排放参数监测子系子系统数据数据处理子系理子系统通通讯子系子系统环保局监控平台企业中控系统采样伴热系统烟气参数信号一体化温压流测量信号固定污染源监测小屋传输到环保局有线通讯传输CEMS系统示意图通过无线通讯传输二、气二、气态污染物染物监测子系子系统分分类 采样方法分类，气体分析方法采样方法分类，气体分析方法u完全抽取系统（热管法）完全抽取系统（热管法）红外光谱吸收原理紫外光谱吸收原理u稀释抽取系统稀释抽取系统SO2-紫外荧光分析NOX化学发光法u直接测量法直接测量法紫外差分吸收光谱法（DOAS）分类依据分类依据l主要以烟气从现场到分析房的取样方法分类，主要涉及的参数是SO2、NOX等气态污染物的浓度，与烟尘、流速、温度、压力等参数无关l稀释法：将烟气用零空气稀释后，是混合烟气的结露点降到一定温度以下，再进行传输到分析仪进行分析l热管法：是通过一根拌热管，将烟气传输到分析仪进行分析l直接测量法方法是将分析仪直接插入到所要测量的烟道中现场分析。完全抽取系完全抽取系统（热管法）管法）u热热湿法（高温法）湿法（高温法）湿法（高温法）湿法（高温法）在测量过程中不降温，气体成分不变，有过滤环节，不降温除水。高温分析仪，采购和维护成本高。可测量HCL、NH3、H2S等易溶于水的物质。适用于垃圾焚烧排放监测u前前前前处处理方式理方式理方式理方式直接在采样探头后进行烟气处理，过滤、降温、除水。不需要拌热传输样气。预处理系统在平台上，维护不方便，防护等级要求高。u后后后后处处理方式理方式理方式理方式需要全程拌热传输样气。完全抽取系完全抽取系统过程示意程示意图除水份和相关除水份和相关杂质后的烟气杂质后的烟气烟气烟气除尘后的烟气除尘后的烟气烟烟囱囱拌热管长拌热管长距离传输距离传输除尘除尘装置装置预处预处理系理系统统气路气路分配分配单元单元SO2SO2分析仪分析仪NOXNOX分析仪分析仪数据采集处理单元数据采集处理单元热管采样探头的原理热管采样探头的原理烟囱烟囱烟囱壁烟囱壁取样管取样管取样过滤除尘腔取样过滤除尘腔不锈钢过滤器不锈钢过滤器反吹装置反吹装置反吹气体反吹气体经除尘后的烟气经除尘后的烟气未经处理的未经处理的原烟气原烟气拌热管拌热管红色部分为拌热装置红色部分为拌热装置热管法的优缺点热管法的优缺点u直接抽取法的优点：直接抽取法的优点：1 1、专用分析仪，每台分析仪可测量多种成分、专用分析仪，每台分析仪可测量多种成分2 2、技术相对简单、成熟技术相对简单、成熟,易操作易操作,易维护易维护3 3、不受温度和压力的限制不受温度和压力的限制4 4、直接抽取测量，所测数值反映真实值，精确度高直接抽取测量，所测数值反映真实值，精确度高 u直接抽取法的缺点直接抽取法的缺点1 1、全程标定时，标气量消耗较大。、全程标定时，标气量消耗较大。2 2、干基测量时，脱水环节会引起溶水损失，导致较小误差、干基测量时，脱水环节会引起溶水损失，导致较小误差3 3、预处理系统的零部件的耐腐蚀性要求较高。、预处理系统的零部件的耐腐蚀性要求较高。稀释抽取系统稀释抽取系统u烟道内稀烟道内稀释需要选用耐热耐腐蚀的材料工艺要求比较高样气输送管线不需要拌热配稀释空气（零气）u烟道外稀烟道外稀释样气输送管线不需要拌热配稀释空气（零气）稀稀释释抽取探抽取探头头稀释法过程示意图稀释法过程示意图仪表气仪表气烟气烟气零空零空气发气发生器生器零空气零空气除尘除尘装置装置混合混合稀释稀释腔腔常温长距离传输常温长距离传输除尘后除尘后的烟气的烟气结露点降低结露点降低的混合样气的混合样气烟烟囱囱气路气路分配分配单元单元SO2SO2分析仪分析仪NOXNOX分析仪分析仪数据采集处理单元数据采集处理单元烟气烟气稀释法的优缺点稀释法的优缺点u稀释采样法的主要优点：稀释采样法的主要优点：采样流量小，减轻了尘和水的预处理要求样气正压传输，不怕管道微小泄露实现全程标定时，标气耗量小。采用单分析仪测量，湿基测量u稀释采样法的主要缺点：稀释采样法的主要缺点：采用比例稀释法，稀释比例造成误差探头反吹难度大，不好控制，易堵塞探头部分烟囱内外有温差，容易结水，造成腐蚀对零空气要求高，很难达到需求的露点，造成样气的结露点高于常温，造成腐蚀和污染物的损失技术复杂，成本高，要求运行环境好，维护麻烦 直接测量法直接测量法u内置式内置式光学镜头在烟囱内，易受污染单端安装，安装调试简单震动对测量影响小u外置式外置式光学镜头在烟囱外，不易受污染两端安装，安装调试相对复杂受震动的影响大，光路校正不适合于高浓度和大直径的管道直接测量法直接测量法过程示意图过程示意图测量数据输出测量数据输出光源发射端光源发射端光源接收端光源接收端分析仪分析仪分析仪分析仪烟烟囱囱直接测量法直接测量法的优缺点的优缺点u直接测量法的优点：直接测量法的优点：无需管线传输，湿基测量实时分析，响应时间快不需要采样管线，成本低u直接测量法的缺点：直接测量法的缺点：分析仪表全部暴露在高温、高湿、高尘的现场环境中，不易稳定可靠工作维护难度大，光机电计算机一体化，全系统集成度高，维护人员必须具有系统级水平烟气介质的改变对测量影响很大-温度、颜色、颗粒的大小、湿度的高低不好定标.机械运动部件多，易出故障.烟气中的烟尘、水分浓度变化会影起测量值的变化。三、常三、常见烟气分析烟气分析仪分析原理方法分析原理方法uu非分散非分散非分散非分散红红外吸收法（外吸收法（外吸收法（外吸收法（NDIRNDIR）uu紫外差分吸收法（紫外差分吸收法（紫外差分吸收法（紫外差分吸收法（DOASDOAS）uu紫外紫外紫外紫外荧荧光法光法光法光法uu化学化学化学化学发发光法光法光法光法uu傅立叶傅立叶傅立叶傅立叶变变化化化化红红外光外光外光外光谱谱分析法分析法分析法分析法（FTIRFTIR）u激光法分析激光法分析仪当一束平行单色光通过某一均匀非散射的吸光物质时,吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。即光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目成正比。朗伯-比尔定律（应用：SO2吸收7300nm、NO吸收5300nm的红外光；SO2吸收280320nm、NO吸收195225nm的紫外光）样气以恒定的流量注入气以恒定的流量注入检测室，当室，当红外外线穿穿过检测室室时，样气吸收一定的气吸收一定的红外外线能量，穿能量，穿过参比室参比室和和检测室后的室后的红外外线的光的光强度度产生差生差值，通，通过检测器将光器将光强度差度差值转换成成电信号，最后信号，最后计算出算出样气中气中待待测成分的成分的浓度度。非分散非分散红外光外光测量与分析原理量与分析原理紫外光紫外光测量与分析原理（点量与分析原理（点测量）量）氙灯氙灯光源光源发出的紫外光出的紫外光汇聚聚进入光入光纤，通通过光光纤传输到到检测室，穿室，穿过检测室室时经被被测气体吸收后，通气体吸收后，通过光光纤传输到光到光谱仪。在光。在光谱仪内部内部经过光光栅分光，由分光，由阵列列传感器将分光后的光信号感器将分光后的光信号转换为电信号，再将信号，再将电信号信号转换成气体的吸收光成气体的吸收光谱信息，然后信息，然后经过比比较谱线，计算被算被测物的物的浓度。度。反射镜光源光谱仪烟气紫外光紫外光测量与分析原理（量与分析原理（线测量）量）傅利叶傅利叶变换红外光外光谱测量与分析原理量与分析原理 当采样气体进入检测室时，红外光束中一些特定波长的光被被测气体分子吸收，而吸收强度取决于分子中原子间的化学键的作用力，被吸收的光线的波长（或频率）对每种气体来说都是唯一的，FTIR 分析仪用其特有的分析方法来检测比较这些特征光的光谱图，计算出每种气体的浓度。基于FTIR光谱技术原理的分析仪能够同时测量上百种化合物，极快的响应时间并且交叉干扰比NDIR分析少。FTIR的最大特点是不需要对照参考物质频繁地校准分析仪 FTIR原理当190nm230nm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后由基态转变成激发态，由激发态返回基态时发出荧光，荧光强度的大小与二氧化硫的浓度成正比。紫外荧光法化学化学发光法光法v基于基于NO与与O3的化的化学学发发光反光反应应生成激生成激发态发态的的NO分子，在分子，在返回基返回基态时态时放出与放出与NO浓浓度成正比的光，度成正比的光，用光用光电电倍增管接收倍增管接收此光即可得到此光即可得到NO的的浓浓度。度。lLasIR可可调二极管激光（二极管激光（TDLAS）气体分析）气体分析仪是采用近是采用近红外可外可调式激光式激光器（器（NIRTunablediodeLaser，TDL）作）作为光源的光源的红外气体分析外气体分析仪。l基本原理与普通的基本原理与普通的红外气体分析基本相似：根据外气体分析基本相似：根据Lamber-Beer定律，定律，特定气体只吸收特定波特定气体只吸收特定波长的光的光谱，吸收的吸收的强度与气体度与气体浓度成正比，通度成正比，通过对气体吸收气体吸收强度的度的检测，计算出特定气体的算出特定气体的浓度。度。I=Ioesp(-cl)I被吸收后的光被吸收后的光强度度Io吸收前的光吸收前的光强度度截面分子吸收截面分子吸收强度度C吸收物吸收物质的的浓度度l光程路径光程路径长度度可调二极管激光分析仪（TDLAS）I0I当没有气体出现时当有气体出现时气体吸收光强度,I=Io-I四、四、颗粒物粒物监测子系子系统光透射法光透射法颗粒粒物物监测仪Chuan 传感器传感器感器光源光源排放源排放源控制控制单元元后散射法后散射法颗粒粒物物监测仪 射射线法（用量很少），主要用于法（用量很少），主要用于环境境空气中空气中PM10的的测量。量。电荷感荷感应法法（已法法（已经不适于在不适于在线监测）。）。工作原理（激光透射法）工作原理（激光透射法）A.采用激光采用激光进行烟道内透行烟道内透过率率T（transmission）/浊度度O(opacity)/消消光度光度E(extinction)测量。量。B.通通过比重法比重法测量粉量粉尘含量，建立起消光度和粉含量，建立起消光度和粉尘浓度关系，度关系，实现对粉粉尘浓度度测量。量。透射法烟尘分析仪工作原理透射单程光测烟尘示意图透射单程光测烟尘示意图当一束光通过含当一束光通过含有烟尘的烟气时，有烟尘的烟气时，光强因烟尘的吸光强因烟尘的吸收和散射作用而收和散射作用而减弱。通过测定减弱。通过测定入射光束通过烟入射光束通过烟气后的光强与原气后的光强与原来光强的比值来来光强的比值来定量烟尘的浓度定量烟尘的浓度透射双程光测烟尘示意图透射双程光测烟尘示意图双光程颗粒物监测仪器双光程颗粒物监测仪器将发射器和接收器部件将发射器和接收器部件装在同一个壳体中，安装在同一个壳体中，安装在烟道同一侧。另一装在烟道同一侧。另一侧用反射镜取代了接收侧用反射镜取代了接收器。其优点是结构紧凑，器。其优点是结构紧凑，更重要的是发射器光源更重要的是发射器光源和接收器的光敏部件是和接收器的光敏部件是在同一个温度下运行，在同一个温度下运行，克服了单光程监测仪器克服了单光程监测仪器中的热漂移影响。中的热漂移影响。透射法测尘的优缺点透射法测尘的优缺点v优点：优点：技术成熟、运行稳定、体积小，现场使用最多。技术成熟、运行稳定、体积小，现场使用最多。测低浓度时精度低。测低浓度时精度低。价格相对较低价格相对较低v缺点缺点 安装比较麻烦安装比较麻烦 受震动和测量介质折射率的影响受震动和测量介质折射率的影响散射测烟尘示意图散射测烟尘示意图光通过含有颗粒物的光通过含有颗粒物的烟气时发生散射，在颗烟气时发生散射，在颗粒粒径不变的条件下，粒粒径不变的条件下，散射后的光强与入射光散射后的光强与入射光强的比值与烟气中颗粒强的比值与烟气中颗粒物的浓度成正比物的浓度成正比 通过测量散射光强就通过测量散射光强就可以得到烟尘强度可以得到烟尘强度散射测烟尘的优缺点散射测烟尘的优缺点v优点：优点：安装方便安装方便 精度相对较高精度相对较高低浓度烟尘低浓度烟尘v缺点：缺点：容易受颗粒物颜色变化的影响。容易受颗粒物颜色变化的影响。价格高。价格高。技术相对复杂。技术相对复杂。射线法和电荷感应法射线法和电荷感应法v 射线法射线法 基于颗粒物质对恒定能量射线的吸收量正比于颗粒物的质量基于颗粒物质对恒定能量射线的吸收量正比于颗粒物的质量v电荷感应法电荷感应法 运动烟尘粒子摩擦产生静电，利用直流运动烟尘粒子摩擦产生静电，利用直流/交流耦合探测头捕捉电交流耦合探测头捕捉电荷量的多少，测量烟尘荷量的多少，测量烟尘此两种方法现在暂时不推荐使用此两种方法现在暂时不推荐使用四种测尘方法的比较四种测尘方法的比较 方方 法法 特特 点点 不不 足足 效效 果果 结结 论论激光对穿法激光对穿法成熟、稳定、成熟、稳定、体积小，使用体积小，使用最多。易实现最多。易实现在线标定。在线标定。不直接与烟尘浓不直接与烟尘浓度成正比、低浓度成正比、低浓度下灵敏度小。度下灵敏度小。国内使用证明，与国内使用证明，与手工方法一致性好，手工方法一致性好，运行稳定。运行稳定。符合国家重量法标符合国家重量法标准，数据准确、适准，数据准确、适于连续运行。于连续运行。激光散射法激光散射法成熟、稳定、体成熟、稳定、体积小，安装容易。积小，安装容易。测量精度较高。测量精度较高。与颗粒物颜色相关。与颗粒物颜色相关。在高浓度时，测量在高浓度时，测量值易达到饱和。值易达到饱和。运行效果较好。运行效果较好。适用于连续监测运适用于连续监测运行。行。B B射线法射线法与质量浓度直与质量浓度直接相关，与手接相关，与手工方法相近。工方法相近。复杂、难以长期复杂、难以长期运行，存在辐射。运行，存在辐射。较少用于长期在线较少用于长期在线检测，故障率较高。检测，故障率较高。便携式直读仪器的便携式直读仪器的发展方向，发展方向，电荷法电荷法简单、价格便简单、价格便宜宜精确度和相关性精确度和相关性太差太差国内试验表明：用国内试验表明：用于质量浓度测量不于质量浓度测量不准确。准确。广泛用于布袋除尘广泛用于布袋除尘 泄漏报警器泄漏报警器五、烟气参数测量技术简介五、烟气参数测量技术简介v流速流速-流量流量v氧量氧量v温度温度v湿度湿度v压力压力烟气流速的测量常用技术简介烟气流速的测量常用技术简介v主要测量方法主要测量方法皮托管皮托管差压分析法差压分析法热式流量计热式流量计靶式流量计靶式流量计转子流量计转子流量计风杯风杯超声波流速仪超声波流速仪v流速是在线监测系统中最难测量的参数流速是在线监测系统中最难测量的参数最大的原因在于现场工况的不稳定性最大的原因在于现场工况的不稳定性皮托管皮托管差压流量计差压流量计v原理简介原理简介 S S型皮托管是由两根相同的金属管并型皮托管是由两根相同的金属管并联组成。测量端有方向相反的两个联组成。测量端有方向相反的两个开口，测量时，面向气流的开口测开口，测量时，面向气流的开口测的压力为全压，背向气流的开口测的压力为全压，背向气流的开口测的压力为静压，用压力差转化成流的压力为静压，用压力差转化成流速速几个几个问题堵塞堵塞需要定需要定时反吹反吹磨磨损腐腐蚀定期更定期更换，一般周，一般周期期3年年烟道截面烟道截面积和流和流场的的稳定性很重定性很重要要热式流量计热式流量计v原理简介原理简介测量探量探头有两个有两个传感器感器,一个是速度一个是速度传感器，一个是温度感器，一个是温度传感器，两个感器，两个传感器都是基准感器都是基准级铂电阻阻传感器。感器。铂电阻固定在阻固定在坚固、密封的不固、密封的不锈钢套管中，在套管中，在测量量电路中它路中它们也作也作为测量量桥路的两个臂，温度路的两个臂，温度传感器在感器在工作中工作中测量被量被测气体的温度，它作气体的温度，它作为参比温度，而速度参比温度，而速度传感器被加感器被加热，并使其被加并使其被加热的温度和参比温度有的温度和参比温度有一固定的温差一固定的温差T，当参比温度，当参比温度变化，化，则T也随着也随着变化，可以通化，可以通过加加热功率的功率的变化来化来测量气体的量气体的质量量流量。流量。超声风速计超声风速计v利用超声波脉冲在顺利用超声波脉冲在顺流和逆流传播的时间流和逆流传播的时间差换算出流体的流速差换算出流体的流速测氧量常用技术简介测氧量常用技术简介v氧化锆法氧化锆法v顺磁法顺磁法-磁风法、磁压法、磁力机械磁风法、磁压法、磁力机械氧化氧化锆测氧含量氧含量v当当氧氧化化锆锆被被加加热热时时，由由于于氧氧离离子子在在氧氧化化镐镐晶晶体体结结构构中中的的迁迁移移作作用用，使使氧氧化化锆锆晶晶体体变变成成导导电电体体，烟烟气气中中氧氧浓浓度度的的不不同同使使这这种种迁迁移移作作用用产产生生的的电电流流不不同同，会会产产生生电电压压差差，换换算算出出氧氧含含量量，一一般般做做成成管管装装。分分直直插插式式和和抽抽取式取式烟气电压表氧化锆元件参比气电极-+顺磁法测氧含量顺磁法测氧含量根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多，在磁场中具有极高顺磁性的原理制成的一类测量气体中氧含量的仪器当被测样气中有氧存在时，氧分子受磁场吸引，沿磁场强度梯度方向形成氧分压差，其大小随氧含量不同而异，。该信号经反馈放大器放大作为仪器检测输出。测温度常用技术简介测温度常用技术简介v热电偶法热电偶法 测温范围测温范围:-50:-501600.1600.v热电阻法热电阻法 铂热电阻铂热电阻-应用于中温场合应用于中温场合-200-800.-200-800.铜热电阻铜热电阻-应用于低温场合应用于低温场合-50-150-50-150。六、数据六、数据处理子系理子系统v烟气排放烟气排放连续自自动监测系系统的核心，的核心，运行在运行在CEMS的的监测现场，负责采集采集现场的各种的各种污染物染物监测数据、数据、仪器工器工作状作状态，并将，并将检测数据整理数据整理储存，通存，通过通通讯手段，将数据手段，将数据传输到到环保保监控控管理部管理部门。v连续24小小时自自动采集保存烟气采集保存烟气监测数数据，来据，来电自启自启动恢复。恢复。v实时监控系控系统的工作状的工作状态，如停，如停电纪录，故障，故障诊断和自断和自动报警，并将警，并将纪录储存。存。v操作运行日志操作运行日志纪录，方便，方便维护和管理。和管理。v可通可通过宽带、无、无线、有、有线方式与方式与环保保监理部理部门软件平台通件平台通讯，实现远程数程数据据传输和遥控和遥控监测。v具有数据具有数据显示、示、处理、理、输出、出、报表等表等功能。功能。状态数据状态数据v针对仪器运行状器运行状态并在并在测定数据中定数据中给出状出状态标记,标记跟随数据一起被跟随数据一起被纪录到存到存储设备中中.v“P”表示表示电源故障源故障v“F”表示排放源停运表示排放源停运v“C”表示校准表示校准v“M”表示表示维护v“O”表示超表示超标排放排放v“Md”表示确失数据表示确失数据v“T”表示超表示超测定上限定上限v“D”表示表示仪器故障器故障数据有效性的判别数据有效性的判别v有效数据有效数据污染源排放烟气情况下,正常运营所测得的数据。有效小时均值：不少于45分钟有效数据的整点平均值有效日均值：18小时有效月均值：22天v维护数据数据仪器非正常运营时所监测的数据，如校准、吹扫、仪器故障、仪器预热等时段监测所得数据。该数据只作为判断污染源及仪器的工作状态，不能作为计算污染源排放浓度的依据v参考数据参考数据在正常工作状态下，监测时间少于有效数据监测时间，即少于75%有效时间的数据。需要经过环保部门的同意防可作为有效数据参与计算污染源排放浓度。数据安全数据安全v二二级操作管理操作管理权限限v系系统管理管理员可进行所有的系统设置工作，如：设定操作人员的密码、操作级别，设定系统的设备配置等。v一般操作人一般操作人员只进行日常例行维护和操作，不能更改系统的配置。v系系统对所有的控制操作所有的控制操作均自均自动纪录并入并入库保存。保存。环保建保建设，是构建和，是构建和谐社会的需要，也是社会的需要，也是顺应民心、保民心、保护民生的大事。民生的大事。祝愿祝愿陕西省西省环保，在生保，在生态文明建文明建设和社会和社会发展展的主干的主干线、主、主战场和大舞台上取得更大和大舞台上取得更大发展！展！谢谢环保建保建设，为国家国家长远利益服利益服务，为人民生人民生命健康命健康负责！