CESM煙塵煙氣在線監測系統解決方案

CESM煙塵煙氣在線監測系統解決方案
煙氣排放連續監測系統是一種對煙氣成份（SO2 、NOx、煙塵）及相關煙氣參數進行在線自動連續監測的設備。本設備是集光、機、電及計算機技術為一體的高科技產品，采用國家環保總局及美國環境保護組織（USEPA）推薦的紫外差分吸收光譜技術，具有在線連續測量、價格低、系統工作可靠、運行維護費用低、安裝簡便、無需人員監守等優點。

1．概述

煙氣排放連續監測系統是一種對煙氣成份（SO2 、NOx、煙塵）及相關煙氣參數進行在線自動連續監測的設備。本設備是集光、機、電及計算機技術為一體的高科技產品，采用國家環保總局及美國環境保護組織（USEPA）推薦的紫外差分吸收光譜技術，具有在線連續測量、價格低、系統工作可靠、運行維護費用低、安裝簡便、無需人員監守等優點。

產品符合中華人民共和國環境保護行業標準HJ/T76-2001?固定污染源排放煙氣連續監測系統技術條件及檢測方法?，并通過國家檢測中心測試合格。

2．系統組成

煙氣排放連續監測系統是由氣態污染物（SO2、NOX）、顆粒物（粉塵）、煙氣參數測量子系統、數據采集和處理子系統、數據通訊系統等組成（見圖一）。通過現場采樣方式，測定煙氣中污染物濃度，同時測量煙氣溫度、煙氣壓力、流速、流量、煙氣含氧量等參數，送至工控單元計算出煙氣污染物排放率、排放量，顯示和打印各種參數、圖表并通過數據、圖文傳輸系統分別傳輸至企業污染源監控站和環保行政管理部門。

2.1．煙氣在線監測儀

全套設備包括測試分析儀、凈化空氣吹掃系統等幾部分。由測試儀完成SO2 、NOx、煙塵濃度測量，經過RS232口傳至現場工控機，完成數據采集、處理、存儲。凈化空氣吹掃系統向測試儀鏡片不斷的吹掃，以保持測試儀鏡片的清潔。

在整套設備中，分析儀是核心，所有原始數據的獲得全由它完成。分析儀主要包括光學系統、機械結構、電子學測量和控制系統等部分。

圖2 外型及外部連接

光學系統

光學系統是完成煙氣光譜采樣的關鍵。光學系統主要由發射和接收兩大部分組成，包括光源、透鏡、角反射器、狹縫和多道光譜儀等。光源發出的光經過透鏡直接進入煙道中，通過煙氣吸收后經角反射器返回，由狹逢進入光譜儀，由光柵分光，在光柵色散焦平面由二極管陣列探測器（PDA）接收。

機械結構

機械結構部分包括插入式氣體采樣管、二極管陣列探測器的線性檢測及本底測量裝置的機械驅動。考慮到煙道中溫度很高，而且有SO2等腐蝕性很強的污染氣體，所以氣體通道包括測量槽及有關配件均采用不銹鋼、透紫外光的石英玻璃材料制作，如圖3所示。氣體通道上的光學元件和密封元件均耐高溫耐腐蝕。

工作過程

利用氣態污染物對特定波段的光具有吸收特性，選擇波段在200nm~320nm的紫外光作光源，在此波段內水分子和其它氣體幾乎沒有吸收。入射光被污染物吸收后，經光柵分光，由高靈敏二級管陣列探測器測量吸收光譜，并由此經計算機利用反演算法得到污染物的種類和含量。

氘燈發出的寬帶光譜經石英聚光透鏡后通過光分束器，再由反射鏡反射到準直透鏡，通過前窗鏡照射到探頭后端的角反射鏡上，探頭窗鏡上裝有透光波段200nm~250nm的紫外濾光片。角反射鏡反射光按原光路返回到光分束器上，然后經過準直透鏡照射到光譜儀的入射狹縫上，通過光柵色散形成光譜。高靈敏度線陣CCD探測器將光信號轉變為電信號，CCD探測器輸出的信號經前置放大器放大后送入高速信號采集A/D和CPU處理單元；控制處理單元的功能是將該信號數字化并存入存儲器，然后由系統總控制單元采用適當地算法對其進行處理得到SO2 、NOx濃度、煙氣溫度等信息。在數據分析和處理中采用硬件和軟件平均濾波技術，構成了差分吸收光譜測量系統，從而使光源強度隨著時間的慢變化

不影響測量精度。由于計算是通過吸收峰來進行的，是由譜線的峰值和谷值來反演出來的，而粉塵只是對整條譜線起著衰減的效果。當然若粉塵密度太大，以至于發出的光回不來了，或衰減至一個極低的水平，那么吸收譜線不能分辨，此時這種方法就不適用了。水汽沒有影響也是同樣道理。

工作原理

1、 SO2 /NOx測量

根據Beer定理，探測器接收的透過吸收介質的光譜強度可表示為：

s：SO2 /NOx吸收截面

N：SO2 /NOx濃度

a2：除SO2 /NOx以外的其它氣體散射和吸收所引起的消光系數

圖5煙氣中主要吸收氣體分布

煙塵的測量

根據Beer定理，采用不透明度測試原理，即單色平行光束進入充滿氣體和顆粒物的煙氣時，其光強因煙氣中顆粒物對光的吸收和散射作用而減弱。

I0 ：發射光強???? I ：接收光強

K ：消光系數 ?????l ：光程???? c? ：煙塵濃度

煙氣在線監測儀的技術特點

一臺設備可同時測量多種煙氣成份；

光柵光譜儀分光，二極管陣列PDA為光譜采樣器，省去了用光電倍增管的光譜掃描機構，使系統更穩定、測量更精確；

光譜采樣在煙道中，省去了復雜的抽氣和定標過程，實現了實時連續監測；

氣體濃度計算中應用光學差分吸收技術，可消除煙塵及光源幅度慢變化對測量結果的影響；

儀器中空氣吹掃裝置保證煙道內光學元件不被煙氣污染，延長了維護周期，提高了測量精度。

的技術和設計，保證了系統幾乎沒有零點漂移。

主要技術指標

2.2．氧化鋯氧量分析儀

工作原理

氧化鋯氧量分析儀的傳感器核心元件是用穩定氧化鋯固體電解質材料制作而成的氧化鋯管，在600℃以上的溫度時，它具有良好的氧離子導電性。在鋯管封閉端兩側涂覆多孔鉑電極，當鋯管兩側的氧濃度不同時，高濃度側的氧分子獲得鉑電極上的自由電子，以離子的形式同過氧化鋯離子導體到達低濃度側，通過鉑電極釋放出電子，變成氧氣釋放出來。這樣兩側產生一氧濃度差電勢，形成一個電池。

根據能斯特方程有：

式中：R-氣體常數

T-溫度

F-法拉第常數

P1-參比氣體的氧分壓

P2-待測氣體的氧分壓

E-氧濃度差電勢

通過適當的換算處理，即可得到被測氣體的氧濃度。

特點

氧化鋯氧量分析儀是采用進口關鍵零部件和的工藝設計制作而成的具有維修簡單、壽命長、測量準確等優點的一種新型測氧儀器。其特點如下：

1、結構簡單，安裝方便。

2、進口的原材料制作的鋯管具有很強的抗熱沖擊性，可在開爐狀態下迅速插入煙道中而不會導致損壞鋯頭；

3、檢測器直接插入煙道中不會造成堵灰，同時，鋯管上作了一層特殊的保護層，可減輕中毒現象，使鋯管的壽命可達到一年以上；

4、檢測器的易損件可方便更換，無需整體報廢，維護簡單，可操作性強；

5、變換器設有儀器自檢、氧量、信號電勢、本底電勢、鋯頭溫度四種功能數顯，為日常檢驗和維護提供方便。

主要技術指標

1) 準 確 度：±3%F.S.

2) 測量范圍：0～20%O2

3) 響應時間：＜5s（達90%的響應值）

4) 升溫時間：＜30min

5) 重 復 性：±1.0%F.S.

6) 穩 定 性：±1.0%F.S.（24小時）

2.3．煙氣流速測定儀

工作原理:

煙氣流速測定儀由溫度、壓力測量系統、微控制器系統、反吹系統、模擬信號輸出控制系統等部分組成.采用經典的S型皮托管方式測煙氣流速; 微控制器系統采集各種傳感器檢測的信號,計算出動壓、靜壓、溫度等,根據公式計算出煙氣流速。

主要特點:

測量精度高，穩定性好，可長期連續工作。

具備自動反吹系統，可定時清理落入皮托管上的煙塵；

設備自動進行動壓、靜壓和流速的零點校準；

關鍵氣路系統及傳感器均采用優質進口部件，可靠性高；

在線監測儀器內部重要器件工作狀況，具備自我診斷功能，并給出信號提示；

通過鍵盤即可對儀器測量的各項參數進行標定，簡便、快捷。

主要技術指標

2.2．氧化鋯氧量分析儀

工作原理

氧化鋯氧量分析儀的傳感器核心元件是用穩定氧化鋯固體電解質材料制作而成的氧化鋯管，在600℃以上的溫度時，它具有良好的氧離子導電性。在鋯管封閉端兩側涂覆多孔鉑電極，當鋯管兩側的氧濃度不同時，高濃度側的氧分子獲得鉑電極上的自由電子，以離子的形式同過氧化鋯離子導體到達低濃度側，通過鉑電極釋放出電子，變成氧氣釋放出來。這樣兩側產生一氧濃度差電勢，形成一個電池。

根據能斯特方程有：

式中：R-氣體常數

T-溫度

F-法拉第常數

P1-參比氣體的氧分壓

P2-待測氣體的氧分壓

E-氧濃度差電勢

通過適當的換算處理，即可得到被測氣體的氧濃度。

特點

氧化鋯氧量分析儀是采用進口關鍵零部件和的工藝設計制作而成的具有維修簡單、壽命長、測量準確等優點的一種新型測氧儀器。其特點如下：

1、結構簡單，安裝方便。

2、進口的原材料制作的鋯管具有很強的抗熱沖擊性，可在開爐狀態下迅速插入煙道中而不會導致損壞鋯頭；

3、檢測器直接插入煙道中不會造成堵灰，同時，鋯管上作了一層特殊的保護層，可減輕中毒現象，使鋯管的壽命可達到一年以上；

4、檢測器的易損件可方便更換，無需整體報廢，維護簡單，可操作性強；

5、變換器設有儀器自檢、氧量、信號電勢、本底電勢、鋯頭溫度四種功能數顯，為日常檢驗和維護提供方便。

主要技術指標

1)準 確 度：±3%F.S.

2)測量范圍：0～20%O2

3)響應時間：＜5s（達90%的響應值）

4)升溫時間：＜30min

5) 重 復 性：±1.0%F.S.

6)穩 定 性：±1.0%F.S.（24小時）

2.3．煙氣流速測定儀

工作原理:

煙氣流速測定儀由溫度、壓力測量系統、微控制器系統、反吹系統、模擬信號輸出控制系統等部分組成.采用經典的S型皮托管方式測煙氣流速; 微控制器系統采集各種傳感器檢測的信號,計算出動壓、靜壓、溫度等,根據公式計算出煙氣流速。

主要特點:

測量精度高，穩定性好，可長期連續工作。

具備自動反吹系統，可定時清理落入皮托管上的煙塵；

設備自動進行動壓、靜壓和流速的零點校準；

關鍵氣路系統及傳感器均采用優質進口部件，可靠性高；

在線監測儀器內部重要器件工作狀況，具備自我診斷功能，并給出信號提示；

通過鍵盤即可對儀器測量的各項參數進行標定，簡便、快捷。

主要技術指標

3.4．系統組成及有關技術參數

煙氣在線監測儀

量程： SO22000ppm（由測量槽長度決定）

NOX2,000ppm

煙塵 1,000mg/m3

零點漂移： SO2 、NOX? ≤ ±2.0% F.S.

煙塵≤ ±2.0% F.S.

量程漂移： SO2 、NOX? ≤ ±2.5% F.S.

煙塵≤ ±5.0% F.S.

線性誤差：SO2 、NOX ≤ ±5.0% F.S.

測量原理： SO2 、NOX：紫外差分光譜法

煙塵：不透明度法

環境溫度：－20℃～45℃

用電量：≤200W

儀器用空氣要求：凈化空氣吹掃，保護鏡片（系統自帶）

報警輸出：發送故障信息，由工控機顯示

輸出信號形式：RS232，與工控機連接。

氧量分析儀

測量原理：濃差電池式

量程：0.1～20%O2

精確度：±3% F.S.

升溫時間：<>

重復性：±1% F.S.

穩定性：±1% F.S. （24小時）

環境溫度限制：－20℃～80℃

用電量：<>

報警輸出：發送故障信息，由工控機顯示

輸出信號形式：4-20mA .DC和0-10mA .DC?

煙氣流量計

測量原理：差壓作用原理?

一次裝置：S型皮托管

性能指標:

儀器用空氣要求：壓縮空氣定時吹掃

報警輸出：發送故障信息，由工控機顯示。

凈化風機

功率：0.67kW

轉速：2800轉/min

風量：100m3/h

數據采集和處理系統

防塵要求：IP54

用電量：100W

環境空氣溫度限制：0-45℃

４．煙氣排放連續監測系統（CEMS）安裝要求

４.1 設備安裝位置的選取

設備安裝點選定鍋爐除塵器后煙道，氣流比較平穩區域，應避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。安裝位置應設置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于4倍直徑，和距上述部件上游方向不小于2倍直徑處。對矩形煙道，其當量直徑D=2AB/（A+B），式中A、B為邊長。如果不能達到這樣的條件，那么未開口的距離可被采樣管分開以下比率：距離入口2/3，距離出口1/3。

4.2 平臺和設備房的搭建

為便于設備的安裝和對比標定檢測,設備安裝現場應該搭建一安裝平臺。為了設備的長期穩定可靠運行，應在平臺上搭建設備房并安裝自啟動空調。

平臺的面積應能夠滿足所有設備的擺放和便于標定檢測。其強度應能夠承受至少1500公斤重力。平臺面采用4-5mm厚的防滑鋼板，安全性等要求應該滿足國家有關工業平臺的標準。平臺的面積一般為長×寬=3.0×2.5(平方米)。為了便于設備搬運到平臺上，一般平臺的扶梯寬度不小于0.8米。

設備房推薦采用5mm厚夾芯彩鋼板。房頂高度不低于2.2米。設備房面積一般不小于2.5×2.3(平方米)，如果受到現場條件的限制，設備房面積應不小于2.0×2.0(平方米)。為了便于設備搬運到平臺上，一般平臺的扶梯寬度不小于0.8米。

需方提供現場安裝維護平臺及設備房，具體要求供方可根據現場情況提出建議，需方實施。

4.3其它要求

需方提供至現場的設備電源：交流380V，三相四線，每相電流10A。要求長期供電不中斷；

需方提供一路至現場的市話線（遠程監控用）；

需方提供至現場的可靠接地線。