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烟气在线监测系统的广泛应用

点击次数:1025 发布时间:2017-09-19
随着科学技术和网络技术的不断进步,目前固定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 MonitoringSystem,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TE 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———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NOx,SO2,O3,CH4等气体组分的三维立体分布,波长范围1. 59 ~ 1. 64 μm,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—数据通信—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( SO2 ) 、氮氧化合物( NOx ) 、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。SO2 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;NOx测量方法有不分光红外法、化学发光法( ChemiluminescentDetector,简称CLD 法) 、脉冲荧光法; 粉尘测量方法有激光散射法、β 射线法、激光后散射法。
 
其中,紫外荧光法测量SO2 是指烟气在190 ~ 230nm 紫外光下,SO2 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SO2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NO 或者利用钼催化技术由NO2 转化的NO 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) ,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分,达到准确的定性和定量分析,设定参数后不仅可以连续自动地进行SO2 和NOx的监测,还可以监测出复杂烟气中其他化学组分的含量; 可调谐二极管激光分析技术是一种新的痕量气体分析方法,它的线状光谱谱宽窄到10 - 2nm 数量级,可以有效地排除其他气体组分干扰。
 
CEMS 一般由气体分析仪,粉尘分析仪,温度、压力、流速监测仪,样气采集系统,样气预处理系统,保护反吹系统,自动标定系统,系统控制与数据采集系统等部分组成。随着计算机通信技术的发展,通用分组无线服务技术( General Packet Radio Service,简称GPRS) 、ADSL 宽带网络也相继应用在CEMS 上,该系统实现了实时、远程、大数据量的数据采集和传输等功能,具有适应性强、安装方便、性能稳定等特点。
 
1.3、 差分光学吸收光谱( DOAS) 法在线连续监测系统随着现代光谱测量技术的发展,不同于湿法和干法传统监测方法,由于光谱技术的探测灵敏度高,可达10 - 9 ~ 10 - 12级,分子光谱具有“指纹”特征,该技术在大气污染气体监测中得到日益广泛的应用,非常适合大范围的在线监测,相比于传统监测方法的费用和耗时都低很多。
 
差分光学吸收光谱( Differential Optical AbsorptionSpectroscopy,简称DOAS) 是一种光谱监测技术,早该技术用于研究大气层中的痕量气体成分( 如甲烷、臭氧等) ,可通过长光程吸收低浓度气体成分,达到准确测量的目的。DOAS 是被瑞典OPSIS 公司于上世纪80 年代作为商品推向市场的,用于环境空气监测和污染源监测。DOAS 遵循的理论基础是Lambert-Beer 定律,该技术就本质来说是基于分子对光辐射的吸收,通过分析某一波段的吸收光谱来来鉴别气体成分,并根据吸收强度来确定气体含量,进一步推演出微量气体的浓度。近年来国际出现了很多基于DOAS 的新技术,例如MAXDOAS, Tomogra-phic DOAS 和LPDOAS等。在烟气在线监测系统中,可测量200 ~250 nm 附近 的吸收光谱,来定性定量烟气中SO2,NO,NO2 和NH3等有害气体组分,还可以用DOAS 方法反演出上述气体的浓度,消除烟气中烟尘、水汽等其他组分的影响。
 
DOAS 技术可以实现一台仪器多种痕量物质的高敏度实时测量,原则上从紫外到近红外波长区的任何一种光吸收物质都可以被探测到,使用时不需要用常规气体校准,采用非接触测量的光谱技术校准,避免了测量对象的化学变化、采样器壁的吸收损失等误差源的影响。DOAS 技术已经在烟气排放监测领域得到广泛的应用,和其他传统光学监测方法相比,可同时监测多种成分,漂移小,污染物浓度在其量程范围内线性好,平时的维护和保养也相对简单。
 
1.4 、物联网下无线传感器网络技术在线监测系统无线传感器网络( Wireless Sensor Networks,简称WSN) 是由安装在监测区域的大量廉价传感器节点组成,传感器可以经过无线方式通信,因此WSN 网络设计灵活,设备的位置可以随时变化,并能实现WSN 跟互联网进行有线或者无线方式的连接。相比于传统的有线网络在线监测,WSN 具有安装、维护、管理方便,系统可随时扩展的优点。
 
物联网( Internet of Things,简称IOT) 的概念是Auto-ID 实验室于1999 年提出的,将微小的识别装置放置在书、鞋、汽车等物体上,就可以知道物体的位置、状态等信息,实现智能化的管理,Auto-ID 实验室关于物联网的概念是以无线传感器网络和射频识别技术为支撑技术的。
 
物联网通过无线传感器网络技术、射频识别技术、纳米技术、智能嵌入技术、全球定位系统技术与互联网连接,可以实现智能化定位和监控。无线传感器网络技术下物联网在线监测系统无需人为操作,信息可以自处理,应用范围广泛,实现人类社会与物理系统的整合。
 
烟气在线监测系统由于地理范围广泛而分散,包含的信息量和数据量也更加巨大,需要由无线传感器网络技术组成一个物联网络,通过传感器节点等感知设备获取监测仪器上的各种信息,如烟气浓度、烟尘浓度、温湿度、排气量等,并接入互联网络实时传送到监测部门。

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