烟气连续监测系统_CEMS_技术及应用

中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION

本期主题环境监测

2009年 第1期

烟气连续监测系统(CEMS)技术及应用

Continuous Emission Monitoring System (CEMS) Technologies and Application

1 引言

随着工业发展和现代化进程的推进，人类生存生态环境越来越恶化，造成了越来越多的污染，比如水污染、大气污染、土壤污染及温室气体等，使人类的生存空间、环境受到越来越多的威胁。所以环境污染已经成为了一个全球性的、各个国家和各地区都关注的问题。

在我国大气污染主要是酸雨和颗粒物，而火电厂是产生这些污染源的大户，控制火电厂的污染排放也就成了重中之重。而对污染源控制的关键是要进行有效的监测和准确的测量。

烟气连续监测系统（CEMS，Continuous Emission Monitoring System），用于连续自动监测固定污染源的污染物排放浓度。将仪器安装在污染源上，实时测量监测污染物的排放浓度和排放量，同时，将监测的数据传送到环保监控中心。国家要实行环境保护，对环境污染的控制，实现节能减排，就是通过对排污企业收取排污费来控制，而烟气排放连续监测系统就是国家对排污企业控制和收费的依据。

2 CEMS在中国发展的三个阶段

中国的环保产业发展相对比较晚，相应的CEMS产品在国内的应用也晚于西方发达国家，主要经历了以下三个阶段：

（1）CEMS从无到有的阶段。1980年随着300MW、600WM火电站的引进项目（国家十二项重点建设项目之一），我国首次从国外引进了第一套自动烟气连续监测系统（CEMS），就此开始了CEMS引进和

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开发阶段。

从1980年至1996年属于CEMS发展的初级阶段，处于CEMS应用的摸索阶段。那时候对火电厂的排放也仅限于是否冒烟（颗粒物）、酸雨（SO2的排放）、有毒气体(CO)等。

国内也在根据引进的技术进行自己产品的研发，北京分析仪器厂开始根据引进的国外技术开发自己的产品。在此之前对火电厂的排放监测都是使用人工取样，实验室分析，工作量大且实时性差。引进了连续烟气监测系统在当时是个很大的提高，但这个阶段对环境保护的意识淡漠，CEMS重要性没有得到充分的认识及足够的重视。对自动连续烟气监测仪还没有法规的要求，缺乏专业的使用人员和维护人员，致使当时价格昂贵的进口CEMS大部分成了摆设。图1为CEMS安装位置和取样点。

管理和数据处理上的一致性，实际测得的数据缺乏权威性。这时候安装的CEMS产品基本属于实验性质，为后来制定CEMS的技术规范和要求奠定了重要基础。

（3）从2001年到现在是第三个阶段。在此阶段，HJ/T75-2001《火电厂烟气排放连续监测技术规范》和HJ/T76-2001《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》正式发布，从技术层面对CEMS的安装、调试、检测和验收作出详细要求和说明，标志着中国的CEMS的应用走上正轨。要求火电厂不仅要使用CEMS，还要用好。另外，随着计算机的发展和自动控制、自动检测技术的应用发展，CEMS产品的自动化程度也得到极大的提高。而计算机通信的发展也为CEMS数据的处理和数据通信提供了很好的平台，GPRS、ADSL宽带网络等也相继应用在CEMS上。

这样CEMS已经变成了一套完整的系统。从取样点的选择到CEMS的安装调试，标准中规定了要监测的对象，有污染物的监测（颗粒物、SO2、NOx）,烟气参数的连续监测（烟气的温度、压力、流速以及氧的测量）。并规定了CEMS要经过环保部门的适应性检测和定期标定，还规定了监测数据和报表格式，并要

图1 安装在烟囱上的CEMS

求将数据传送到环保监测部门，真正实现CEMS应用。

（2）从1997年到2000年为第二个阶段。1997年中国第一部关于火电厂的CEMS的法规性的文件《火电厂大气污染物排放标准》正式发布。文件中明确提出火电厂的污染物排放需要装设CEMS连续监测系统。随后在1998年2月6日的《酸雨两控区和二氧化硫污染控制区划分方案》中，对两控区重点二氧化硫排放源要求安装在线式连续监测计量装置（即CEMS），并进行长期连续监测。

在此阶段，CEMS的安装和应用是有法规的要求，CEMS也逐渐应用到火电厂以及城市锅炉、化工厂锅炉等污染源排放检测。此时安装的CEMS产品就比较多种多样，五花八门，各种方法都有。但大部分照搬国外的技术和方法，没有考虑到中国的实际国情。

由于缺乏统一的技术规范，这个阶段出现的CEMS产品参差不齐，良莠难辩。同时也缺乏统一的

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3 CEMS在中国的现状

越来越多国外CEMS产品进入了中国，国内也有越来越多的仪器厂家开始引进或者自主研发CEMS 产品。各种各样的分析技术和产品也纷纷出现。

按取样方法来分，有代表性的3种为：稀释法CEMS(美国热电子为代表)，直接抽取法CEMS（欧洲西门子为代表，在韩国、日本此方法也占主导地位）及原位直接测量法CEMS。

图2是稀释法取样时用的专用探头，需要使用干净干燥的空气来稀释取样。稀释探头是稀释法的关键部件，准确的稀释比才能保证测量的准确性。

图3 中是直接抽取法所用的取样探头，不需要稀释空气，前端带过滤器。样气直接从烟道抽到分析仪

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粗过滤器

精细过滤器

换热器

稀释空气

腔出口

文丘里管出口

真空管

2006年监测的559个城市中，空气质量达到一级标准的城市24个（占4.3%），二级标准的城市325个（占58.1%），三级标准的城市159个（占28.5%），劣于三级标准的城市51个（占9.1%）。

环境保护必然成为社会关注的焦点和重点，而作

稀释空气

烟道

临界孔

标气管

喷嘴文丘里管

出气管

为环境保护的重要监控手段的烟气排放连续监测系统也就会迎来更大发展。

作为政府环保部门的执法依据和控制手段，对CEMS的要求和其他在线分析仪器系统有很大的不

图2 稀释法的采样探头

加热管

样气标气

同，具体如下：

（1）权威性

CEMS产品作为计量设备，要有国家专业部门的计量许可证和国家环保部门的环保认证，作为进入我国环保行业的准入制度。另外CEMS产品的安装、验收和运行维护都要经过各级环保部门的认证和许可。并

过滤器

探杆

图3 直接抽取法用的取样探头

定期进行比对实验，确定仪器在保证测量误差内。

（2）准确性

CEMS的监测数据在使用过程中必须保证测量数据的准确性，对仪器本身的技术指标提出严格的要求，并对设备的实际使用过程的标定和校准提出完整的要求和规定，确保数据的准确性。在HJ/T76-2001《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法（试行）》的标准中，明确提出CEMS的零点漂移、量程漂移，线性和相对准确度等方面技术最低指标要求。

（3）稳定性

在环保标准中要求对测量数据的完整性提出要求，要求有效的测量数据达到85%以上，这就要求所安装的CEMS设备要稳定可靠运行，能够实时连续监测和稳定长期运行，维护量小，仪器故障率低，保证测量的有效数据。

器里。

原位直接测量法是将监测仪器直接安装在烟道上对烟气进行测量的方法，相当于烟道就是仪器的测量气室，不需要将烟气抽出来。

在分析方法上，测量SO2的方法有紫外荧光法、不分光红外法、紫外吸收法；NOx有化学发光法、脉冲荧光法、不分光红外法；测量粉尘的有透光度粉尘仪、激光散射粉尘仪、β射线法粉尘仪；流速测量有S型皮托管烟气流速监测仪器、超声波法烟气流速监测仪器、热平衡式烟气流速监测仪器、靶式流量计法烟气流速监测仪器。

而随着CEMS在火电厂的发展，CEMS在城市环保、钢铁、水泥、工业锅炉等领域的应用也越来越普遍，并且迅速发展起来。

由于中国面临着必须以经济建设为中心的艰巨发展任务，未来的发展必然面临巨大的环境压力，而且这种压力将会越来越大。寻求新的经济增长与环境保护并重的发展道路及经济发展模式将是政府的重要任务，也是大势所趋。建立节约型社会将是未来发展模式的核心。

在环保局公布的大气环境的报告中指出，在

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4 CEMS产品的实际应用

CEMS的应用方法和产品很多，下面主要介绍目前市场上应用最广泛的的直接抽取式方法的CEMS产品在电厂环保监测中的实际应用。

电厂的CEMS安装在烟气脱硫的烟道或烟囱上，安装在烟囱上时对测量数据和安装要求容易满足，但

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由于取样点比较高（70~80m，甚至超过100m）造成维护特别不方便，实际的应用中大多数选择烟道安装。一套标准的CEMS要监测以下几个参数：

气体污染物：SO2/NOx ，mg/Nm3；颗粒物：mg/Nm3；

烟气参数：O2/压力/温度/流量/湿度。4.1 系统组成

CEMS系统根据安装位置分两个部分，一部分为安装现场烟道或烟囱的设备，包括气体取样探头、粉尘仪、流量、压力、温度和湿度测量。另一部分安装在CEMS分析室，气体预处理系统、气体分析仪主机、标气及数据采集控制单元等。图4为CEMS的系统配置图。

粉尘仪

流量计

2）粉尘仪保护风机：用来保护粉尘仪的光学镜头，防止镜头的污染。

（3）烟气流量、温度、压力、湿度测量单元1）烟气流量：通常有3种方法皮托管微差压法、热式法和超声波法，环保监测验收比对的方法一般采用的是皮托管微差压法。这种方法最简单、经济，应用比较广泛，但测量精度稍差，特别是低流速的情况下测量数据有限制。超声波法对安装要求比较高，相对来说价格较高。热式法在粉尘浓度高的地方使用起来维护量大，不容易准确测量。

2）温度的测量：一般采用热电阻Pt100或热电偶的方法，是常用的工业测量方法。

3）压力的测量：采用压力变送器来测量，也是很常用的方法。

4）湿度的测量：常见的有电容法、干湿氧计算法等，也可以手工测量，输入CEMS系统。

以上这些参数主要为把数据转换标准状态下的

取样探头

数据采集和处理系统

干烟气的流量，在计算排放量时在一个统一的标准上进行。

（4）数据采集处理计算单元1）数据采集单元

一般选用工业常用PLC控制和采集，因为PLC的

图4 CEMS系统框图样品预处理系统

分析仪主机

可靠性和稳定性，并且具有可编程的功能，能够保证整个系统稳定可靠的运行，实现智能化控制。PLC的通用的通信功能、联网功能也能大大提高系统的灵活性。

2）数据处理单元

选用通用的计算机对PLC采集的数据进行处理计算，一方面形成环保要求的数据报表，另一方面将数据传输到环保监测中心。4.2 几种常用CEMS产品

几种常用CEMS产品的特点及比较如表1所示。

（1）气体污染物分析部分

1）取样探头：前端带过滤器，安装在烟道或烟囱上。

2）预处理单元包括：制冷器、取样泵、过滤器、反吹单元等。用于完成样气的净化、除尘、除湿。这些安装在一个机柜内。

3）气体分析主机单元：用来测量气体污染物浓度的分析仪器，是CEMS里最主要的部件。仪器要有自动诊断和标定功能，一般要测量SO2/NOx/O2。也可以根据用户的实际需求来进行选择。

（2）颗粒物浓度分析部分

1）粉尘分析仪：用于测量烟气中的粉尘浓度，直接安装在烟道或烟囱上。粉尘分析仪一般测定的是光的不透过率，在现场需要使用称重法的手段对粉尘仪进行标定来转化成浓度值。

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5 结语

随着中国经济的飞速发展，两个矛盾也越来越突出和明显。即能源短缺和由于工业发展带来的生态环境的破坏。

中国煤炭储量仅占世界总储量的16%。其他能源

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表1

抽取法

分类

直接抽取系统

稀释系统

点测量

原位直接测量法

线测量

分析

系需要加热样品管线统性能

需要加热样品管线

有多通道红外分析仪选择，也可单通道红外分析仪如：SO2、多通道红外分析仪如：SO2、多通道红外分析仪如：SO2、以选择单通道分析仪加O24合1、NOX、NOX、CO和独立的O2分析仪如：NOX、CO和独立的O2分析仪如：CO及O2分析仪SO2、氧化锆氧化锆NOX、CO 和O2

需要稀释样品管线（零气，真空传感器直接安装在烟道上

信号，样品和标气管线）在寒冷的天气下需要加热

需要稀释样品管线（零气，真空传感器直接安装在烟道上信号，样品和标气管线）在寒冷的天气下需要加热

即使有水和杂质的干扰，精度也能达到2%满量程

由于改变烟道的温度和压力，IR/UV出错高温干扰

传感器直接安装在烟道上

传感器直接安装在烟道上

在洁净、平稳的样气条件下，精度稀释至ppb浓度时，精度达到2%达到1%满量程满量程，需要乘以稀释比转换成

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直接测量结果mg/m实际测量的浓度

会有水分的误差，需要控制稀释性

比对稀释气体要求高能

滞后时间大都在30s~1min

与样品流速和样品线长度有关

滞后时间大都在30s~1min

与样品流速和样品线长度有关

即使有水和杂质的干扰，精度也能达到2%满量程

由于改变烟道的温度和压力，IR/UV出错高温干扰

直接测量，不通过预处理系统，直接测量，不通过预处理系统，滞后时间短滞后时间短

无法在现场使用标气标定

标标气可以引入分析仪现场或探标气必须引入探头，标气也要稀无法在现场使用标气标定

标气用量少释，标气用量大定头，

复杂系统难于了解和维护传统的元件易于了解和维护报警标准：流速，制冷温度，冷凝对稀释探头的要求比较高水探测完全自诊断维护

通风对于烟道上的通风机电机，通风对于烟道上的通风机电机，有不机过滤器和清洗光学表面，有不机过滤器和清洗光学表面，

同的访问和繁重的维护同的访问和繁重的维护

传感器当高级别的微粒存在时，传感器探头过滤器更换简便或自动反冲小探头过滤器易阻塞，由于玻璃当高级别的微粒存在时，

必须更加频繁地从烟道上移走维洗离析物，不能自动反冲洗；需要撤必须从烟道上移走维护

护消更换探头，费用昂贵

传感器和电子仪器怕振动、雨、太阳、雪、风、雷电，电子仪器老化光学调整

附加的测量需安装法兰，重新安装

由于烟道中杂质信号，范围性能差

雨、太多数分析系统装在柜中，不受气昂贵的采样探头怕振动，雨、太传感器和电子仪器怕振动、

雪、风、雷电，电子仪器老化候影响阳、雪、风ppb分析仪，实验室级阳、

光学调整别可

靠

性附加的测量附加的测量附加的测量和需在分析柜中仅增加分析仪需在分析柜中仅增加分析仪需安装法兰，重新安装升级

较低量程时范围性能好由于已经是ppb浓度，范围性能差由于烟道中杂质信号，范围性能

差

资源所占比例更低。石油占1.8%，天然气占0.7%。中国能源折合成标准油当量占世界总储量的比例不足11%。与占世界21%的人口比例相比，中国已发现的能源人均储量相当贫乏。而中国重工业和高能耗产业的发展却越来越高，必然导致基础能源的缺乏和经济持续增长的矛盾。

另一方面，温室气体的排放也造成了生态环境的巨大破坏。2006年，全国平均气温9.9℃，较常年偏高1.1℃，是1951年以来最暖的一年。

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为解决这些矛盾，政府提出了“节能减排”的方针措施，在线分析仪器系统和CEMS系统将更有广阔的发展空间，也会向着更多领域发展。国家在10年内将投入2万个亿对环境进行监控治理，其中用于分析监测装备将不少于10％，目前已经开始的烟囱烟气排放监控治理试点工作将在全国全面展开。

作者简介：郜武，技术部经理，主要从事在线气体分析及系统工作。

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