賈劭瓊

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

0 引言

近年來，中國工業(yè)企業(yè)的環(huán)保問題日益受到關(guān)注，其中大氣污染物的排放問題也受到進(jìn)一步的重視。石化行業(yè)在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種固體顆粒物和污染氣體，根據(jù)環(huán)保部門的要求，石化企業(yè)也需要進(jìn)行煙氣的連續(xù)排放檢測。中國環(huán)保部門對污染源的監(jiān)測力度不斷加大，出臺了一系列新的環(huán)保規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，石化行業(yè)也受到了重點(diǎn)監(jiān)管。相比于鋼鐵、發(fā)電、冶金等行業(yè)，石化行業(yè)排放的污染氣體主要是SO2和NOx，污染氣體的排放量較低，為了能滿足超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，CEMS 的檢測技術(shù)需要有更高的精度和穩(wěn)定性。

1 CEMS系統(tǒng)概述

圖1 CEMS測量系統(tǒng)圖Fig.1 CEMS Measurement system diagram

CEMS 是煙氣連續(xù)排放檢測系統(tǒng)的簡稱，該系統(tǒng)包括連續(xù)檢測固定污染源顆粒物和氣態(tài)污染物排放量所需的全部設(shè)備[1]。根據(jù)測量對象的不同，CEMS 的采樣測量系統(tǒng)主要可以分為以下幾個(gè)部分。

1.1 測量煙塵固體污染物的子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的測量對象是固體顆粒物的濃度，比較常用的測量方法有兩種：一是透視法，二是散射法。

1.2 測量氣體污染物的子系統(tǒng)

CEMS 系統(tǒng)中最重要的部分是氣體污染物的測量，主要的測量對象是SO2、NOx、NH3等污染氣體。該系統(tǒng)通常包括采樣部分、分析儀主機(jī)、預(yù)處理部分及數(shù)據(jù)傳輸部分。CEMS 的采樣方法可以分為完全抽取法、稀釋法和直接測量法3 種[1]。由于稀釋法和直接測量法的難度較高，因而在工廠實(shí)際生產(chǎn)中大部分都使用直接抽取法。目前，市場上氣體污染物的分析儀所采用的測量原理主要分為兩類：一類是吸收光譜法，包括紅外光譜法和紫外光譜法，另一類是激發(fā)光譜法，包括紫外熒光法和化學(xué)發(fā)光法[1]。

1.3 測量具體煙氣參數(shù)的子系統(tǒng)

CEMS 系統(tǒng)主要關(guān)注待測煙氣的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：溫度和壓力使用傳感器測量并通過變送器將信號傳輸至分析儀；濕度通常使用皮托管測量；測量O2含量，則使用電化學(xué)的方法。

2 氣態(tài)污染物分析方法比較

目前在國內(nèi)的環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域，用于檢測污染氣體的分析儀主要采用以下幾種原理，包括非分散紅外法、非分散紫外法、紫外差分法等。不同方法在測量不同的污染物組分時(shí)效率不同，對石化行業(yè)來說，主要是測量含硫污染物和氮氧化物等污染氣體。

表1 SO2、NOx吸收波長表

2.1 非分散紅外法

在當(dāng)前國內(nèi)的市場中，應(yīng)用最廣泛和成熟的是非分散紅外分析儀，主要對SO2、NOx等多組分污染氣體的檢測，超過了75%的市場占有率。

非分散紅外吸收法所使用的基本原理是朗伯比爾（Lambert-Beer）吸收定律[2]。首先，分析儀需要給定一個(gè)光源，然后使光源穿過待檢測的氣體。由于不同的氣體會(huì)接收不同波長的光，按照上述的定理，可以通過計(jì)算被氣體吸收到的輻射強(qiáng)度進(jìn)而推導(dǎo)出氣體的濃度。

目前，國內(nèi)市場份額最大的非分散紅外分析儀型號是NDIR。此型號的分析由光源、氣室、濾光、檢測器4 部分組成。非分散紅外分析儀可以同時(shí)檢測SO2和NOx兩種不同的煙氣組分的含量；其次，非分散紅外SO2的量程最低可達(dá)75mg/m3，該量程符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中超低排放SO2監(jiān)測的要求[2]。而且，該分析儀有穩(wěn)定性高、易維護(hù)的特點(diǎn)。

但同時(shí)紅外氣體分析儀對環(huán)境溫度的變化有較大的反應(yīng)，受被測組分尤其是水分的影響較大，大多數(shù)分析儀有10%的誤差。在污染氣體的含量較低時(shí)，測量結(jié)果存在較大的線性偏差。其中，CO2對部分分析儀NOx組分的檢測精度有影響，CH4對SO2的檢測精度有影響。

2.2 非分散紫外法

非分散紫外分析法的基本原理仍然是遵循朗伯一比爾定律，針對的是物質(zhì)對100nm ～800nm 光譜區(qū)輻射吸收的基本特征。其中，對于污染氣體SO2和NOx來說可以接收近紫外光區(qū)內(nèi)特征波長光來推導(dǎo)出氣體濃度。具體吸收光譜見表1。

紫外吸收分析法能直接測定廢氣中NO2，不需要像非分散紅外分析法一樣要先將NO2轉(zhuǎn)換為NO，然后再測定NO2的濃度[3]。

非分散紫外分析法測量SO2時(shí)，基本不受H2O 和CO氣體的交叉干擾，SO2值維持在零點(diǎn)附近，分析儀線性較好。這主要是因?yàn)镠2O 和CO 在紫外光譜附近無明顯吸收峰，保證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)目前針對煙氣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 76-2007《固定污染源煙氣（SO2,NOX,顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)要求及監(jiān)測方法》，非分散紫外分析法都優(yōu)于要求的技術(shù)指標(biāo)。

圖2 非分散紫外分析儀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of non-dispersive UV analyzer

2.3 紫外差分法

紫外差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）同樣應(yīng)用比爾-朗伯定律，基于該定律，紫外差分分析儀使用氣體分子的窄帶吸收光譜來區(qū)分被測氣體的成分，同時(shí)通過吸收光譜中窄帶吸收光譜強(qiáng)度來進(jìn)一步計(jì)算出被測氣體的濃度。該方法所需變量是特征吸收信號，得到信號后反推氣體濃度，所以較少受環(huán)境溫度變化、振動(dòng)和組分的干擾[4]。紫外差分法在低濃度情況下，線性誤差較高，隨著SO2濃度的升高，線性誤差也進(jìn)一步下降。

紫外差分法一般采取高溫直抽取樣，這對伴熱提出了較高的要求。若伴熱效果不能達(dá)到要求，則會(huì)產(chǎn)生水蒸氣冷凝現(xiàn)象，SO2氣體溶于水后導(dǎo)致測量的組分結(jié)果不準(zhǔn)，長期運(yùn)行影響穩(wěn)定性。

2.4 幾種分析方法比較

以上幾種分析儀各有優(yōu)劣，可以應(yīng)用在不同的場景中，具體區(qū)別見表3。

3 超低排放要求

當(dāng)前環(huán)保部門要求的超低排放規(guī)模大小是SO2：小于等于35mg/m3，約為10ppm，NOx小于等于50mg/m3，約為35ppm，而且趨勢是愈來愈嚴(yán)格的。石化行業(yè)在運(yùn)行過程當(dāng)中，排放值更低，SO2約為5ppm，NOx也在10ppm ～20ppm 之間[5]。因?yàn)闊煔夂枯^大，需要先進(jìn)行預(yù)處理，監(jiān)測方法也有必要做出積極的改變。

在新的超低排放的要求下，非分散紅外分析法已經(jīng)不能滿足氣體檢測的要求：第一，此分析儀自身的檢測精度不夠高，真實(shí)排放已經(jīng)跨越了分析儀的量程下限；第二，利用非分散紅外分析儀時(shí)，煙氣的預(yù)處理也面臨一些難題，不能很好地滿足檢測精度的要求。對于非分散紅外分析儀，測量氣體中的水蒸氣和其他干擾氣體會(huì)對被測氣體帶來很大的影響。通常情況下，石化裝置中的污染氣體NH3，SO2和NO 等受水分子影響較大，一旦溶于H2O 后，按照紅外散射的原理，測試到的光譜無法分離并排除雜質(zhì)的干擾影響。因此，非分散紅外吸收方法受其測量原理和實(shí)際應(yīng)用的限制，得出不適合應(yīng)用于超低排放的結(jié)論。

表2 紫外分析儀技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specifications of UV analyzer

表3 3種氣體分析儀的比較Table 3 Comparison of three gas analyzers

在超低排放的應(yīng)用背景下，紫外差分分析儀必須消除水冷凝帶來的影響。通常來說，紫外分析儀大都采用熱濕法進(jìn)行采樣，這種方法是將高溫O2直接送進(jìn)儀表氣室，要求有全程伴熱，這樣可以避免氣體冷凝而產(chǎn)生的測量誤差。這類方法全程對加熱伴熱提出了很高的要求。還有一種采樣方法是使用稀釋法，也能避免冷凝水帶來的誤差。其工作的進(jìn)程是將稀釋氣體按一定比例稀釋，將煙氣中的SO2、NOx、CO2、水蒸氣，以及有測量需求的氣體雜質(zhì)消除[6]；然后，加伴熱管線將待測氣體送至儀表室，在室內(nèi)設(shè)置冷凝器用于去除樣氣中的水分，并將無水分的檢測氣體送至分析儀?？墒?，以上兩種方法所耗費(fèi)的成本較高，并且在實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)遇到一些限制。

非分散紫外分析儀的各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足超低排放的要求，且可以使用直接抽取法來測量。該方法響應(yīng)速度快，長期穩(wěn)定性好，不受H2O、CO 等氣體的干擾，準(zhǔn)確度較高。

4 石化CEMS選型

4.1 氣體分析選擇

目前國內(nèi)市場上占有率高的分析儀以歐美品牌為主，例如美國賽飛公司的紫外熒光分析儀，德國西克麥哈克公司的非分散紫外分析儀，西門子公司的非分散紅外分析儀等。

以國內(nèi)某芳烴裝置為例，該裝置選擇了德國西克麥哈克公司的基于非分散紫外法的DEFOR 分析儀，已滿足業(yè)主對于超低排放的要求。該芳烴裝置要求氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)的檢測量程必須滿足SO2：0mg/m3～75mg/m3；NO：0mg/m3～150mg/m3。

DEFOR 分析儀主機(jī)是全新一代基于S800 架構(gòu)的多組分分析平臺，它是一臺使用完全抽取法采樣的紫外氣體分析儀，該分析儀可同時(shí)測量3 個(gè)組分，尤其是可以對NO進(jìn)行小測量范圍的檢測。同時(shí)，此分析儀也可運(yùn)用在測量其他紫外吸收的氣體，包括SO2，NOx、NH3，CO 等污染氣體。根據(jù)紫外光譜的吸收特性可知，使用此分析儀可避免CO2和H2O 的交叉干擾。

該分析儀還進(jìn)行了信號處理技術(shù)路線的創(chuàng)新，達(dá)到增加氣體檢測器長期穩(wěn)定，補(bǔ)償信號零點(diǎn)漂移等技術(shù)目的。DEFOR 內(nèi)部的電子性能和附帶的軟件性能良好，可以穩(wěn)定地和遠(yuǎn)程過程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和分析。

4.2 其他子系統(tǒng)測量參數(shù)選型

目前對于顆粒物的測量主要有光散射法和濁度法，光散射法占據(jù)了大部分的市場份額。光散射法的優(yōu)點(diǎn)是安裝和在線校驗(yàn)簡單，儀表的檢出上限為0.5mg/Nm3，但同時(shí)存在對儀表易結(jié)露的弱點(diǎn)；濁度法的優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)簡單，檢出上限為2.5mg/Nm3，缺點(diǎn)是在線校驗(yàn)困難，檢出上限較高。綜上，針對某芳烴裝置的CEMS 檢測方法見表4。

5 采樣探頭開孔位置

進(jìn)行煙氣的檢測時(shí)，測點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在矩形或圓形煙道的直管段或煙氣層流的部位，而在煙道的斷面存在劇烈變化的位置應(yīng)選擇避開，應(yīng)安置在流速大于5m/s 的部位，盡量不要在漏風(fēng)處進(jìn)行開孔[6]。對于使用抽取法來測量的氣體混合物，應(yīng)在有一定直管段的煙氣管道上開孔。通常來說，會(huì)將采樣點(diǎn)的位置設(shè)置在離煙道內(nèi)壁大于等于1m或設(shè)置在煙道直徑1/3 處，同時(shí)還應(yīng)考慮相應(yīng)的校驗(yàn)檢測孔位置。

圖3 是國內(nèi)某芳烴裝置的CEMS 采樣開口示意圖。

以圖3 為例，在煙道上設(shè)置開孔位置見表5。

表5 中的D，對于矩形煙道來說是當(dāng)量直徑，按照公式（1）計(jì)算[6]：

表4 CEMS檢測方法Table 4 CEMS Detection methods

圖3 某芳烴裝置CEMS煙道采樣開孔示意圖Fig.3 Schematic diagram of CEMS flue sampling opening in an aromatics plant

表5 CEMS采樣探頭安裝位置Table 5 CEMS Sampling probe installation location

式中，D——當(dāng)量直徑；A、B——邊長。

采樣開孔位置的下方還需要搭建采樣平臺，平臺的大小要求不小于1.5m2，同時(shí)應(yīng)安裝不低于1.2m 高的護(hù)欄，方便工人更加安全地操作[7]。采樣探頭開孔位置距離平臺的高度約為1.2m ～1.3m。

但是，在工廠的實(shí)際施工過程中，因空間方位等其他要素的制約，目前大多石化廠的煙道敷設(shè)走向很難滿足檢測煙氣關(guān)鍵參數(shù)時(shí)所需要的直管段長度。如果開孔的位置確實(shí)不能符合上述要求，那么可以在煙道有穩(wěn)定氣流的斷面附近開孔。

6 結(jié)束語

本文首先簡單介紹了CEMS 系統(tǒng)的組成，并對CEMS系統(tǒng)的核心部分氣體分析儀進(jìn)行了進(jìn)一步的說明。介紹了非分散紅外分析儀、非分散紫外分析儀和紫外差分分析儀的基本原理，對比了這3 種分析儀各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并說明了在超低排放的標(biāo)準(zhǔn)下分析儀的選型，對3 種分析儀的特性做了總結(jié)。最后，以某芳烴裝置為例，說明了CEMS 分析儀的選型方案以及分析了采樣探頭在煙道上的開孔位置。通過本文可以得出結(jié)論，在需要超低排放的監(jiān)測場所，最好選用基于非分散紫外法原理的氣體分析儀。紫外差分吸分析儀需要克服冷凝造成的SO2誤差，并且長期穩(wěn)定性不高，而非分散紅外分析儀理論上不適合進(jìn)行超低濃度污染氣體的測量。