[科普中国]-烟气监测

背景介绍

目前，中国的二氧化硫和二氧化碳的排放量已分别居世界第一位和第二位。造成大气质量严重污染的主要原因是以燃煤为主的能源结构，而中国发电行业70 %为燃煤发电。燃煤电厂排放烟气中含有烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及少量一氧化碳，烟尘直接影响到大气的环境质量，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等均为酸性气体，是酸雨形成的主要因素。燃煤电厂烟气污染物的排放控制，首先应做好污染源的环境监测工作，它是环境管理的基础和标尺。1

相关概念干态烟气与湿态烟气与大气相比,烟气中的水蒸气含量较高,变化范围较大，为便于比较，监测方法规以除去水蒸气后标准状态下的干烟气为基准表示烟气中有害物质的测定结果。含湿量的测定方法有重量法、冷凝法、干湿球法等。烟气湿态体积就是烟气的实际体积。干态体积是去掉烟气中水蒸汽含量后的体积。

工况和标况依烟气状态不同，分为工况和标况两种，工况是依实际条件测定的烟气量，标况是工况换算成标准状态下的烟气量Nm3/h是指通常状态下的风量，即20度，1个大气压下； 因为气体是可以压缩的，流量与状态有关。Nm3/h叫标立方是就气体而言的，是指换算成标准状态下的体积，是1个标准大气压下273K下的体积。Nm3/h在环保中常用，许多环保标准均有表述，是指换算成标准状态下的体积流量，标态为温度273K（0度）,压力101325Pa.可按下式简单换算：V标准/V实际=273/（273+T实际），V-体积流量,T实际-实际气温；烟气在温度为273K，压力为101325Pa时的状态，简称“标态”。 一般标准中所规定的大气污染物排放浓度均指标准状态下干烟气的数值。

大气污染物排放登记表上面给出的污染源排放废气量采用的是标准状态的体积。标准立方米指的是温度273K，压力为101325Pa时的干空气所占体积。 在大气环境模式计算里，使用的是工况状态下的体积和烟气实际排放速度，在不考虑气体压缩影响和湿度极小时，工况状态烟气体积可由标准状态体积换算出；

V=VN*PN*T/P*TN，式中：

V-工况状态下干空气的体积；

VN-标准状态下干空气的体积；

P-工况状态下大气压，hPa；

PN-标准状态下大气压，1013.25hPa；

T-工况状态气体温度，K；

TN-标准状态温度；273.15K。

在大气环境容量测算时，必须进行上面修正，否则烟气抬升计算不正确，甚至会出现烟气的虚假下洗，导致容量测算有误。

采样设备滤筒在对大气污染源的监测中，烟尘排放浓度的监测是一个比较常规的监测项目。其中，收集烟尘采样滤筒主要有玻璃纤维滤筒和刚玉滤筒。日常的监测中，采样滤筒以玻璃纤维滤筒为主。滤筒称重时，有时会出现滤筒终重比初重还要小。这是由于滤筒采样后出现失重现象造成的。滤筒在采样前后除了要保证烘烤的时间和温度保持一致外，烘箱温度要设定在200 ℃，因为燃煤电厂的烟气温度一般在120～180 ℃，如果采样温度超过了烘箱烘烤温度，就会造成滤筒出现失重现象。另外，在工作现场装卸滤筒时，由于运输过程中震动摩擦滤筒常常会产生一些碎絮并脱落，造成滤筒初重损失。应在滤筒编号前挤压滤筒边缘并用毛刷清扫滤筒，减少碎絮的产生。

初始称重及采样结束后，用无尘包装纸包裹滤筒，现场安装、拆卸滤筒要迅速，尽量减少滤筒在空气中的暴露时间，以免滤筒被空气污染，影响烟尘采集量的准确度。

采样枪由于烟气中含有二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，再加上烟气湿度过大，往往会造成采样枪滤筒托内表面生锈，如果不及时处理，采样后的滤筒外表面会带有大片的锈渍，影响滤筒终重。采样前应擦拭滤筒托，必要时要用铁砂纸打磨，每次采样结束后，应将滤筒托在空气中暴露5 min 以上，确保水汽及酸性物质不在滤筒托表面滞留。

采样的过程中要十分小心，采样嘴不要碰烟道管壁，以免积灰吸入滤筒、枪嘴碰撞变形。

烟气分析仪在监测烟气中二氧化硫排放浓度时常用仪器为KM9106 便携式烟气分析仪及Testo335 烟气分析仪, 二者均采用定电位电解法, 另外, 还有傅立叶红外烟气分析仪, 采用红外光谱法。燃煤电厂在安装烟气脱硫装置后, 脱硫效率均在90 %左右, 出口烟气二氧化硫排放浓度较低, 用定电位电解法分析仪在脱硫装置出口测试时常常遇到二氧化硫检测不出来的现象。

定电位电解法烟气分析仪没有保温设施, 烟气抽出烟道遇冷会马上在采样管路上结露, 二氧化硫气体很容易溶于水, 加上脱硫装置出口二氧化硫浓度低、烟气湿度大, 造成了二氧化硫浓度检测不出来的现象。

针对上述问题, 采用在采样管路上裹保温材料 , 尽量减少采样管路暴露在空气中的距离,延长测试时间。如若仍解决不了, 则应选择傅立叶红外光谱法测试。1

测孔位置测孔位置和测点布置的原则

在烟尘、烟气监测工作中，测孔位置和测点布置的基本原则是，测孔位置应设在管道气流平稳段，并优先考虑垂直管道。原则上设在距弯头、阀门和其他变径管道下游方向大于倍直径处，上游方向倍直径处，当难于满足上述要求时，测孔位置与弯头等的距离至少是烟道直径的倍处，并适当增加侧点数。在采集气体污染物样品时，测孔位置原则上应设在管气流平稳段，并避开漏风部位，靠近管道中心位置采样。

在选定的测孔位置断面上，原则上设置互相垂直的两个测孔。当测定断面的流速分布较均匀、对称时, 可设一个采样孔，测点减少一半。测点在测量断面的具体布置尺寸，可按照GB5466一85《锅炉烟尘测试方法》和GB9079一88《工业炉窑烟尘侧试方法》中的规定执行。2

烟气测定烟气检测平台技术标准：1、位于固定污染源排放控制设备的下游；2、不受环境光线和电磁辐射的影响；3、烟道振动幅度尽可能小；4、安装位置应避免烟气中水滴和水雾的干扰；5、安装位置不漏风；6、安装烟气 CEMS 的工作区域必须提供永久性的电源，以保障烟气 CEMS 的正常运行；7、采样或监测平台易于人员到达，有足够的空间，便于日常维护和比对监测。当采样平台设置在离地面高度≥5 米的位置时，应有通往平台的 Z 字梯/旋梯/升降梯；8、为室外的烟气 CEMS 装置提供掩蔽所，以便在任何天气条件下不影响烟气 CEMS 的运行和不损害维修人员的健康，能够安全地进行维护。安装在高空位置的烟气 CEMS 要采取措施防止发生雷击事故，做好接地，以保证人身安全和仪器的运行安全。9、 应优先选择在垂直管段和烟道负压区域。10、 测定位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。 对于颗粒物 CEMS， 应设置在距弯头、 阀门、 变径管下游方向不小于 4 倍烟道直径，以及距上述部件上游方向不小于 2 倍烟道直径处； 对于气态污染物 CEMS，应设置在距弯头、 阀门、 变径管下游方向不小于 2 倍烟道直径，以及距上述部件上游方向不小于 0.5 倍烟道直径处。对矩形烟道， 其当量直径D=2AB/(A+B)， 式中 A、 B 为边长。 当安装位置不能满足上述要求时， 应尽可能选择在气流稳定的断面，但安装位置前直管段的长度必须大于安装位置后直管段的长度。在烟气 CEMS 监测断面下游应预留参比方法采样孔，采样孔数目及采样平台等按GB/T16157 « 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法»要求确定， 以供参比方法测试使用。在互不影响测量的前提下，应尽可能靠近。11、为了便于颗粒物和流速参比方法的校验和比对监测，烟气 CEMS 不宜安装在烟道内烟气流速小于 5m/s 的位置。13、火电厂湿法脱硫装置后未安装烟气 GGH（气-气换热器） 的烟道内， 由于水份的干扰，颗粒物 CEMS 无法准确测定其浓度，颗粒物 CEMS 可安装在脱硫装置前的管段中。

在锅炉烟气监测中,重点应是二氧化硫的测定，因为二氧化硫测定结果的准确与否，可直接反映锅炉所烧的煤种含硫量的高低及脱硫装置的运行情况好坏。

在用定电位电解法测定时应注意以下几点：

(1) 每次到现场监测前均要用所测烟气的标气进行校正,并且要及时更换到期的各个传感器。

(2) 在二氧化硫的监测中，因为乳胶管对二氧化硫有较强的吸附作用，所用的导气管不能为乳胶管，而要用聚四氟乙烯管或硅胶管，对采样枪进行加热。

(3) 要取定电位电解法测定时间区间二氧化硫(包括氮氧化物和一氧化碳) 浓度的平均值，不得以瞬时测定值代表污染物的排放值。例如在1小时内，用定电位电解法等时间间隔读取4 组，每组5 个数据，计算小时平均值。3

注意事项采样过程中的问题：

倒吸现象燃煤电厂锅炉负荷较大，烟气在进入烟囱前均采用引风机克服阻力，出入口静压大多在- 2 000 Pa以上，出入口烟道截面积大， 在采样结束后，采样枪拔出烟道前的过程中往往会产生倒吸现象，影响采样结果的准确性。有两个办法可以解决该问题：一是将采样枪直接伸入离测孔最远的测点，由远及近依次采样，减少采样结束至抽出采样枪的时间；另一个办法是提前1 s～2 s 的时间发出抽出采样枪的命令，控制在采样枪刚抽出测孔时采样时间结束。

采样过程中频繁出现阻力过大现象天气较冷且烟气湿度过大时，烟尘采样时经常会出现烟尘采样仪中的干燥筒一个样品未采集完，干燥瓶中的硅胶已变色。由于烟气中的水汽大、温度高，硅胶粒会不时产生爆裂，碎粉末随着气流进入采样仪内部，碎粉末积聚过多造成气路堵塞而无法正常工作。经过多年的工作经验，采取在干燥筒前再串联一个缓冲瓶。

烟尘采样时烟气分析仪加装缓冲瓶，烟气首先进入第一个缓冲瓶，热烟气骤冷可凝结出一部分水分，烟气湿度降低既可大大减少干燥瓶中硅胶更换次数，又可解决烟温过高硅胶遇水爆裂堵塞气路的问题。

烟气连续在线监测系统对大气污染源排放的颗粒物（也称烟尘）、气态污染物（包括二氧化硫、氮氧化物等）进行浓度和排放总量连续监测的装置，被称为“烟气排放连续监测系统”或“烟气连续排放监测系统”。国际上通用称呼CEMS（Continuous Emission Monitoring System）。烟气排放连续监测系统不仅能用于排放达标监控和排污计量使用，同时还可以用于设备（除尘、脱硫、锅炉燃烧工况）运行状态检查、故障诊断等。

烟气连续在线监测系统运用烟气红外采样、后散射烟尘浓度测量、皮托管烟气流速测量及计算机网络通讯技术，实现了固定污染源污染物排放浓度和排放总量的在线连续监测。同时又针对国内煤种较杂、煤质变化大、污染物排放浓度高、烟气湿度大的状况从技术上进行了改进。并按照国家标准设计定型，提供专业的中文操作平台及中文报表功能、多组模拟量及开关量输入输出接口，可实现现场总线的连接以及多种通讯方法的选用，使系统运行方便灵活。 、

烟气连续在线监测系统（CEMS）是功能齐全，整体水平最高的固定污染源在线监测系统。主要由以下几个子系统组成：

1) 固态颗粒物连续监测子系统 ；

2) 气态污染物连续监测子系统（SO2、NOX）；

3) 烟气含氧量、烟气流量、压力、温度，湿度等烟气参数连续监测子系统 ；

4) 数据处理与远程通讯系统。