烟气在线监测系统现状及思考

计测技术综合评述

doi: 10. 11823/j. issn. 1674-5795. 2016. 03. 01

烟气在线监测系统现状及思考

常颖，刘文敬，王振国，韩瑞国

(天津市计量监督检测科学研究院，天津300192)

摘要：固定污染源排放的烟气会对环境造成污染，对其进行科学监测至关重要。本文介绍了现有的烟气在线监测系统，包括空气质量自动监测系统、烟气排放连续监测系统、差分光学吸收光谱法在线连续监测系统、物 联网下无线传感器网络技术在线监测系统等，介绍了每个系统的组成、技术特点、监测方法、实际应用和发展方向，并从量值溯源和远程校准两个方面对烟气在线监测系统与计量系统的关系进行了阐述。

关键词：烟气；在线监测技术；计量；固定污染源

中图分类号：TB99 文献标识码： A 文章编号：1674-5795 (2016) 03-0001-04

Present Situation and Thoughts of On-line Flue Gas Monitoring Systems

CHANG Y in g,LIU Wenjing,WANG Zhenguo,HAN Ruiguo

(Tianjin Institute of Metrological Supervision Testing, Tianjin 300192, China)

Abstract ：The flue gas emitted from stationar^^ pollution sources has greatly increased pollution to the environment, and it is very important to scientifically monitor the flue gas. In the paper, the authors introduce the status of the on-line flue gas monitoring systems, including automatic- air quality monitoring system (AQMS) , continuous emission monitoring system (CEMS) based on differential optical absorption spectroscopy (DOAS) , on-line wireless sensor network monitoring system under the internet of thing . The structure of ever^^ on-line flue gas monitoring sys­tem, technical specification, practical applications and development direction have been described. And the relationship between the on-line gas monitoring systems and metrological systems is discussed in this paper.

Key words：flue gas；on-line monitoring technology；metrology; fixed pollution source

0引言

固定污染源是指排放污染物的固定设施，火电厂、冶金厂和水泥厂是主要的固定污染源企业。固定污染源 排放的污染物主要是二氧化硫（S〇2)、氮氧化物(NOx)和总悬浮颗粒物（TSP),这些污染物排入大气,会造成光化学污染、酸雨等环境污染，危害人体健康。

随着我国国民经济的迅猛发展，环境污染己成为 一个十分突出的问题，频发的雾霾天气也使得治理和 控制烟气中的有毒有害气体和颗粒物十分必要。烟气 排放组分的复杂性和工业现场环境的恶劣性给烟气排 放的监测带来极大的困难，尤其是气态污染物含量的 准确测量尤为突出。

我国工业烟气排放监测采用常规的方法，一般是 用烟气专用采样头深入烟道内进行样品的采集，在实

收稿日期：2016-02-26;修回日期：2015-03-15

作者简介：常颖（1986-),女，助理工程师，硕士，主要从事 环境与能源计量的研究。验室中对采集的样品进行分析测定，从而测出烟气中 污染物的含量。烟气分析方法主要有奥式气体分析仪 器法、色谱分析法、红外分析法等。奥式气体分析仪 器法是利用不同溶液来吸收气体样品中的不同污染物 组分，从而达到定性定量测量的目的，该仪器结构简 单，购买成本小但运行成本高，试剂和人员对分析结 果的准确度有很大的影响；色谱分析法利用色谱柱将 烟气样品中的污染物逐一分离，根据色谱图进行面积 归一化计算出各组分的含量，分析精确度非常高，但 由于色谱柱特别容易阻塞，对样品质量的要求也特别 高；红外分析法利用物质对不同波长红外线辐射的特 征吸收来测定气体的浓度，可以测定复杂气体组分的 样品。目前的烟气分析仪不能提供长期、实时、系统 的测试数据，因而需要更加方便的在线监测方法来准 确测定烟气中的污染物。

1烟气在线监测系统

随着科学技术和网络技术的不断进步，目前固定

•2 •综合评述2016年第36卷第3期

污染源污染气体在线监测系统主要有空气质量自动监 测系统（AQMS)、烟气排放连续监测系统（CEMS)、差分光学吸收光谱（DOAS)法在线连续监测系统、物 联网下无线传感器网络技术在线监测系统等，烟气在 线监测系统的广泛应用和不断完善，对于烟气在线监 测技术的发展有着很大的促进作用。

1.1空气质量自动监测系统（AQMS)

空气质量自动监测系统（Air Quality M onitoring System,简称AQMS)需要在重点监控区域设置子监测 点，进行连续的空气质量监测，定期与总站进行通讯 和数据传输，形成一个对该区域空气质量进行采样和 测定的完整网络。自1983年北京市从美国T E公司引 进AQMS，目前在内地约有200多个AQMS在运转。

AQMS的组成主要有采样系统、监测仪器、校准 设备、数据处理设备、通信设备和支持设备等，AQMS 的技术发展经历了以化学分析原理为基础的湿法（上 世纪50年代〜90年代）到以物理光学原理为基础的干 法（上世纪60年代〜现在）到以差分吸收光谱为主的 光谱技术法（上世纪80年代〜现在）。

湿法监测仪器的传感器采用库伦池，基本原理是 化学法和电化学法，需要使用大量的溶液和试剂，数 据的准确性取决于试剂和人员操作，因此逐渐被干法 监测仪器所取代；干法监测仪器的基本原理是物理法 和物理化学气相法，干法监测仪器在检出限、漂移、线性、重复性、精度等各项性能指标均优于湿法监测 仪器，且维护和修理更加方便，数据受人员操作影响 小；差分吸收光谱为主的光谱技术将在1.3中进行详 述，区别于光谱技术，湿法监测仪器和干法监测仪器 被称为传统仪器。

近年来，出现了新的监测仪器技术一大气探测 激光雷达系统及技术。大气探测激光雷达系统主要由 激光发射系统、望远镜接收系统和信号检测系统等组 成，具有易于接触探测点、探测范围广、探测隐蔽性 强、可实现大范围实时探测等优点。差分吸收激光雷 达（Differencial Absorption Lidar，简称 DIAL)技术即 是一种大气探测激光雷达技术，该技术可以测量城市 上空的N0X，S02,03，CH4等气体组分的三维立体分 布，波长范围1.59〜1.64 ^m，测量光程可达几十公 里，可监测烟气的非法偷排，但由于价格昂贵，污染 物的最低检测限也不太理想，目前还在研究阶段。

AQMS在运行中需要对监测子站进行优化设计, 组成“监测仪器一数据通信一计算机”网络，可以迅 速收集和处理监测数据，得到区域污染现状和污染变化规律，供监测部门和研究人员使用。

1.2烟气排放连续监测系统（CEMS)

烟气排放连续监测系统又称固体污染源烟气排放

连续监测系统(Continuous Emissions Monitoring System，简称CEMS)，用于连续自动监测固定污染源的污染物 排放浓度，适用于火电厂等连续废气排放量的监测，将仪器安装在固定污染源上，可实时在线监测二氧化 硫（S〇2)、氮氧化合物（N0J、颗粒物的排放浓度和 排放量，同时将监测的数据实时传送到环保监控中心。该系统需参照执行国家环境保护总局制定的HJ/T 75- 2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》和 HJ/T 76-2007《固定污染源烟气排放连续监测系统技

术要求及检测方法》。CEMS自上世纪80年代开始在我 国大型火电厂安装使用，目前全国已安装了2万多套。

CEMS按照取样方法[1]可分为三种：稀释法CEMS、直接抽取法CEMS和原位直接测量法CEMS。其中稀释法需要使用干净干燥的空气进行稀释取样,稀释探头是保障测量准确性的关键配件；直接抽取法 不需要稀释空气，但前端需要带过滤器，样气从烟道 经过过滤器抽到分析仪器进行分析；原位直接测量法 是将监测仪器直接安装在烟道内对烟气进行测量，不 需要将样气从烟道中抽出。

针对不同污染物，CEMS的分析测量方法更加多 样。S〇2测量方法有紫外荧光法、非色散红外法（Non-dispersive Infrared，简称 NDIR 法）、紫外吸收法; N0X测量方法有不分光红外法、化学发光法（Chemilu­minescent Detector，简称 CLD 法）、脉冲荧光法；粉尘 测量方法有激光散射法、P射线法、激光后散射法。

其中，紫外荧光法测量S02是指烟气在190〜230 nm紫外光下，S02分子受激发生成激发态，再由激发

态返回基态时发出荧光，测量荧光强度即可得到S02气体浓度，此方法灵敏度高，可检测到10-12级别的低 浓度气体，适用于稀释法CEMS; NDIR法利用气体对 红外线光谱能量的吸收在波长上具有选择性对气体进 行定性定量测量，具有很好的性价比，可同时测定多 种组分气体，适用于直接抽取法CEMS; CLD法是烟气 中的N0或者利用钼催化技术由N02转化的N0与臭氧 发生反应，发光强度与气体浓度成正比，适用于稀释 法 CEMS。

目前，CEMS分析测量方法的发展方向主要有傅立 叶红外监测法和线状光谱技术（又称可调谐二极管激 光分析技术）[2]，傅立叶红外监测法是一种全谱分析技 术，利用红外光谱的吸收信息可以确定分子的化学成