CESM烟尘烟气在线监测系统解决方案
烟气排放连续监测系统是一种对烟气成份（SO2 、NOx、烟尘）及相关烟气参数进行在线自动连续监测的设备。本设备是集光、机、电及计算机技术为一体的高科技产品，采用国家环保总局及美国环境保护组织（USEPA）推荐的紫外差分吸收光谱技术，具有在线连续测量、价格低、系统工作可靠、运行维护费用低、安装简便、无需人员监守等优点。

1．概述

烟气排放连续监测系统是一种对烟气成份（SO2 、NOx、烟尘）及相关烟气参数进行在线自动连续监测的设备。本设备是集光、机、电及计算机技术为一体的高科技产品，采用国家环保总局及美国环境保护组织（USEPA）推荐的紫外差分吸收光谱技术，具有在线连续测量、价格低、系统工作可靠、运行维护费用低、安装简便、无需人员监守等优点。

产品符合中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T76-2001?固定污染源排放烟气连续监测系统技术条件及检测方法?，并通过国家环保局检测中心测试合格。

2．系统组成

烟气排放连续监测系统是由气态污染物（SO2、NOX）、颗粒物（粉尘）、烟气参数测量子系统、数据采集和处理子系统、数据通讯系统等组成（见图一）。通过现场采样方式，测定烟气中污染物浓度，同时测量烟气温度、烟气压力、流速、流量、烟气含氧量等参数，送至工控单元计算出烟气污染物排放率、排放量，显示和打印各种参数、图表并通过数据、图文传输系统分别传输至企业污染源监控站和环保行政管理部门。

2.1．烟气在线监测仪

全套设备包括测试分析仪、净化空气吹扫系统等几部分。由测试仪完成SO2 、NOx、烟尘浓度测量，经过RS232口传至现场工控机，完成数据采集、处理、存储。净化空气吹扫系统向测试仪镜片不断的吹扫，以保持测试仪镜片的清洁。

在整套设备中，分析仪是核心，所有原始数据的获得全由它完成。分析仪主要包括光学系统、机械结构、电子学测量和控制系统等部分。

图2 外型及外部连接

光学系统

光学系统是完成烟气光谱采样的关键。光学系统主要由发射和接收两大部分组成，包括光源、透镜、角反射器、狭缝和多道光谱仪等。光源发出的光经过透镜直接进入烟道中，通过烟气吸收后经角反射器返回，由狭逢进入光谱仪，由光栅分光，在光栅色散焦平面由二极管阵列探测器（PDA）接收。

机械结构

机械结构部分包括插入式气体采样管、二极管阵列探测器的线性检测及本底测量装置的机械驱动。考虑到烟道中温度很高，而且有SO2等腐蚀性很强的污染气体，所以气体通道包括测量槽及有关配件均采用不锈钢、透紫外光的石英玻璃材料制作，如图3所示。气体通道上的光学元件和密封元件均耐高温耐腐蚀。

工作过程

利用气态污染物对特定波段的光具有吸收特性，选择波段在200nm~320nm的紫外光作光源，在此波段内水分子和其它气体几乎没有吸收。入射光被污染物吸收后，经光栅分光，由高灵敏二级管阵列探测器测量吸收光谱，并由此经计算机利用反演算法得到污染物的种类和含量。

氘灯发出的宽带光谱经石英聚光透镜后通过光分束器，再由反射镜反射到准直透镜，通过前窗镜照射到探头后端的角反射镜上，探头窗镜上装有透光波段200nm~250nm的紫外滤光片。角反射镜反射光按原光路返回到光分束器上，然后经过准直透镜照射到光谱仪的入射狭缝上，通过光栅色散形成光谱。高灵敏度线阵CCD探测器将光信号转变为电信号，CCD探测器输出的信号经前置放大器放大后送入高速信号采集A/D和CPU处理单元；控制处理单元的功能是将该信号数字化并存入存储器，然后由系统总控制单元采用适当地算法对其进行处理得到SO2 、NOx浓度、烟气温度等信息。在数据分析和处理中采用硬件和软件平均滤波技术，构成了差分吸收光谱测量系统，从而使光源强度随着时间的慢变化

不影响测量精度。由于计算是通过吸收峰来进行的，是由谱线的峰值和谷值来反演出来的，而粉尘只是对整条谱线起着衰减的效果。当然若粉尘密度太大，以至于发出的光回不来了，或衰减至一个极低的水平，那么吸收谱线不能分辨，此时这种方法就不适用了。水汽没有影响也是同样道理。

工作原理

1、 SO2 /NOx测量

根据Beer定理，探测器接收的透过吸收介质的光谱强度可表示为：

s：SO2 /NOx吸收截面

N：SO2 /NOx浓度

a2：除SO2 /NOx以外的其它气体散射和吸收所引起的消光系数

图5烟气中主要吸收气体分布

烟尘的测量

根据Beer定理，采用不透明度测试原理，即单色平行光束进入充满气体和颗粒物的烟气时，其光强因烟气中颗粒物对光的吸收和散射作用而减弱。

I0 ：发射光强???? I ：接收光强

K ：消光系数 ?????l ：光程???? c? ：烟尘浓度

烟气在线监测仪的技术特点

一台设备可同时测量多种烟气成份；

光栅光谱仪分光，二极管阵列PDA为光谱采样器，省去了用光电倍增管的光谱扫描机构，使系统更稳定、测量更精确；

光谱采样在烟道中，省去了复杂的抽气和定标过程，实现了实时连续监测；

气体浓度计算中应用光学差分吸收技术，可消除烟尘及光源幅度慢变化对测量结果的影响；

仪器中空气吹扫装置保证烟道内光学元件不被烟气污染，延长了维护周期，提高了测量精度。

特有的技术和设计，保证了系统几乎没有零点漂移。

主要技术指标

2.2．氧化锆氧量分析仪

工作原理

氧化锆氧量分析仪的传感器核心元件是用稳定氧化锆固体电解质材料制作而成的氧化锆管，在600℃以上的温度时，它具有良好的氧离子导电性。在锆管封闭端两侧涂覆多孔铂电极，当锆管两侧的氧浓度不同时，高浓度侧的氧分子获得铂电极上的自由电子，以离子的形式同过氧化锆离子导体到达低浓度侧，通过铂电极释放出电子，变成氧气释放出来。这样两侧产生一氧浓度差电势，形成一个电池。

根据能斯特方程有：

式中：R-气体常数

T-绝对温度

F-法拉第常数

P1-参比气体的氧分压

P2-待测气体的氧分压

E-氧浓度差电势

通过适当的换算处理，即可得到被测气体的氧浓度。

特点

氧化锆氧量分析仪是采用进口关键零部件和先进的工艺设计制作而成的具有维修简单、寿命长、测量准确等优点的一种新型测氧仪器。其特点如下：

1、结构简单，安装方便。

2、进口的原材料制作的锆管具有很强的抗热冲击性，可在开炉状态下迅速插入烟道中而不会导致损坏锆头；

3、检测器直接插入烟道中不会造成堵灰，同时，锆管上作了一层特殊的保护层，可减轻中毒现象，使锆管的寿命可达到一年以上；

4、检测器的易损件可方便更换，无需整体报废，维护简单，可操作性强；

5、变换器设有仪器自检、氧量、信号电势、本底电势、锆头温度四种功能数显，为日常检验和维护提供方便。

主要技术指标

1) 准 确 度：±3%F.S.

2) 测量范围：0～20%O2

3) 响应时间：＜5s（达90%的响应值）

4) 升温时间：＜30min

5) 重 复 性：±1.0%F.S.

6) 稳 定 性：±1.0%F.S.（24小时）

2.3．烟气流速测定仪

工作原理:

烟气流速测定仪由温度、压力测量系统、微控制器系统、反吹系统、模拟信号输出控制系统等部分组成.采用经典的S型皮托管方式测烟气流速; 微控制器系统采集各种传感器检测的信号,计算出动压、静压、温度等,根据公式计算出烟气流速。

主要特点:

测量精度高，稳定性好，可长期连续工作。

具备自动反吹系统，可定时清理落入皮托管上的烟尘；

设备自动进行动压、静压和流速的零点校准；

关键气路系统及传感器均采用优质进口部件，可靠性高；

在线监测仪器内部重要器件工作状况，具备自我诊断功能，并给出信号提示；

通过键盘即可对仪器测量的各项参数进行标定，简便、快捷。

主要技术指标

2.2．氧化锆氧量分析仪

工作原理

氧化锆氧量分析仪的传感器核心元件是用稳定氧化锆固体电解质材料制作而成的氧化锆管，在600℃以上的温度时，它具有良好的氧离子导电性。在锆管封闭端两侧涂覆多孔铂电极，当锆管两侧的氧浓度不同时，高浓度侧的氧分子获得铂电极上的自由电子，以离子的形式同过氧化锆离子导体到达低浓度侧，通过铂电极释放出电子，变成氧气释放出来。这样两侧产生一氧浓度差电势，形成一个电池。

根据能斯特方程有：

式中：R-气体常数

T-绝对温度

F-法拉第常数

P1-参比气体的氧分压

P2-待测气体的氧分压

E-氧浓度差电势

通过适当的换算处理，即可得到被测气体的氧浓度。

特点

氧化锆氧量分析仪是采用进口关键零部件和先进的工艺设计制作而成的具有维修简单、寿命长、测量准确等优点的一种新型测氧仪器。其特点如下：

1、结构简单，安装方便。

2、进口的原材料制作的锆管具有很强的抗热冲击性，可在开炉状态下迅速插入烟道中而不会导致损坏锆头；

3、检测器直接插入烟道中不会造成堵灰，同时，锆管上作了一层特殊的保护层，可减轻中毒现象，使锆管的寿命可达到一年以上；

4、检测器的易损件可方便更换，无需整体报废，维护简单，可操作性强；

5、变换器设有仪器自检、氧量、信号电势、本底电势、锆头温度四种功能数显，为日常检验和维护提供方便。

主要技术指标

1)准 确 度：±3%F.S.

2)测量范围：0～20%O2

3)响应时间：＜5s（达90%的响应值）

4)升温时间：＜30min

5) 重 复 性：±1.0%F.S.

6)稳 定 性：±1.0%F.S.（24小时）

2.3．烟气流速测定仪

工作原理:

烟气流速测定仪由温度、压力测量系统、微控制器系统、反吹系统、模拟信号输出控制系统等部分组成.采用经典的S型皮托管方式测烟气流速; 微控制器系统采集各种传感器检测的信号,计算出动压、静压、温度等,根据公式计算出烟气流速。

主要特点:

测量精度高，稳定性好，可长期连续工作。

具备自动反吹系统，可定时清理落入皮托管上的烟尘；

设备自动进行动压、静压和流速的零点校准；

关键气路系统及传感器均采用优质进口部件，可靠性高；

在线监测仪器内部重要器件工作状况，具备自我诊断功能，并给出信号提示；

通过键盘即可对仪器测量的各项参数进行标定，简便、快捷。

主要技术指标

3.4．系统组成及有关技术参数

烟气在线监测仪

量程： SO22000ppm（由测量槽长度决定）

NOX2,000ppm

烟尘 1,000mg/m3

零点漂移： SO2 、NOX? ≤ ±2.0% F.S.

烟尘≤ ±2.0% F.S.

量程漂移： SO2 、NOX? ≤ ±2.5% F.S.

烟尘≤ ±5.0% F.S.

线性误差：SO2 、NOX ≤ ±5.0% F.S.

测量原理： SO2 、NOX：紫外差分光谱法

烟尘：不透明度法

环境温度：－20℃～45℃

用电量：≤200W

仪器用空气要求：净化空气吹扫，保护镜片（系统自带）

报警输出：发送故障信息，由工控机显示

输出信号形式：RS232，与工控机连接。

氧量分析仪

测量原理：浓差电池式

量程：0.1～20%O2

精确度：±3% F.S.

升温时间：<30分钟

重复性：±1% F.S.

稳定性：±1% F.S. （24小时）

环境温度限制：－20℃～80℃

用电量：<150W

报警输出：发送故障信息，由工控机显示

输出信号形式：4-20mA .DC和0-10mA .DC?

烟气流量计

测量原理：差压作用原理?

一次装置：S型皮托管

性能指标:

仪器用空气要求：压缩空气定时吹扫

报警输出：发送故障信息，由工控机显示。

净化风机

功率：0.67kW

转速：2800转/min

风量：100m3/h

数据采集和处理系统

防尘要求：IP54

用电量：100W

环境空气温度限制：0-45℃

４．烟气排放连续监测系统（CEMS）安装要求

４.1 设备安装位置的选取

设备安装点选定锅炉除尘器后烟道，气流比较平稳区域，应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。安装位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于4倍直径，和距上述部件上游方向不小于2倍直径处。对矩形烟道，其当量直径D=2AB/（A+B），式中A、B为边长。如果不能达到这样的条件，那么未开口的距离可被采样管分开以下比率：距离入口2/3，距离出口1/3。

4.2 平台和设备房的搭建

为便于设备的安装和对比标定检测,设备安装现场应该搭建一安装平台。为了设备的长期稳定可靠运行，应在平台上搭建设备房并安装自启动空调。

平台的面积应能够满足所有设备的摆放和便于标定检测。其强度应能够承受至少1500公斤重力。平台面采用4-5mm厚的防滑钢板，安全性等要求应该满足国家有关工业平台的标准。平台的面积一般为长×宽=3.0×2.5(平方米)。为了便于设备搬运到平台上，一般平台的扶梯宽度不小于0.8米。

设备房推荐采用5mm厚夹芯彩钢板。房顶高度不低于2.2米。设备房面积一般不小于2.5×2.3(平方米)，如果受到现场条件的限制，设备房面积应不小于2.0×2.0(平方米)。为了便于设备搬运到平台上，一般平台的扶梯宽度不小于0.8米。

需方提供现场安装维护平台及设备房，具体要求供方可根据现场情况提出建议，需方实施。

4.3其它要求

需方提供至现场的设备电源：交流380V，三相四线，每相电流10A。要求长期供电不中断；

需方提供一路至现场的市话线（环保局远程监控用）；

需方提供至现场的可靠接地线。