王文長，夏余歡

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，中國制定了完善的環(huán)境法律及標(biāo)準(zhǔn)體系以加強(qiáng)源頭監(jiān)管，將工業(yè)企業(yè)作為重點(diǎn)納入固定污染源排放監(jiān)測體系，實(shí)施污染物排放總量控制與排污許可證制度及排污收費(fèi)制度，在企業(yè)的生產(chǎn)排放口設(shè)置大氣污染物排放在線監(jiān)測設(shè)備即煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)，強(qiáng)制跟蹤、計(jì)量和管理工廠的排放狀況，為環(huán)境執(zhí)法機(jī)構(gòu)提供監(jiān)管依據(jù)。

1 煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成

CEMS由顆粒物監(jiān)測單元、氣態(tài)污染物監(jiān)測單元、煙氣參數(shù)監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元以及傳送單元等組成。該系統(tǒng)通過采樣和非采樣方式，測定煙氣中顆粒物濃度、氣態(tài)污染物濃度，同時(shí)測量煙氣溫度、壓力、流速或流量、濕度、含氧量等參數(shù)；計(jì)算煙氣中污染物排放速率和排放量；顯示、記錄和打印各種參數(shù)，形成相關(guān)圖表并通過數(shù)據(jù)、圖文傳輸系統(tǒng)傳輸至監(jiān)管部門。

顆粒物監(jiān)測單元當(dāng)前以光學(xué)法為主流，相對單一；煙氣排放參數(shù)測量一般包括煙氣流速、溫度、壓力、濕度、氧含量等，技術(shù)成熟，其核心目的在于補(bǔ)償修正，計(jì)算排放量。

2 氣態(tài)污染物監(jiān)測單元

氣態(tài)污染物檢測單元是CEMS中最重要的組成部分，在整個(gè)CEMS中有著舉足輕重的地位。氣態(tài)污染物監(jiān)測單元檢測對象最常見的有氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳等；某些涉及廢物焚燒、污水處理、可揮發(fā)性有機(jī)物治理等的特定項(xiàng)目，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境評價(jià)要求，有時(shí)也會要求檢測鹵化物(如氯化氫、氟化氫)，非甲烷總烴，可揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等，檢測對象及背景工況復(fù)雜而多樣。

因此，根據(jù)環(huán)保要求及工況條件選擇恰當(dāng)?shù)娜犹幚矸绞胶头治鰞x表對于監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的成功與否無疑是決定性的。

3 樣氣取樣處理系統(tǒng)

樣氣取樣處理系統(tǒng)是分析儀系統(tǒng)集成的核心。工業(yè)企業(yè)的排放廢氣通常含水、含塵且溫度較高，樣氣的采樣、傳輸及處理甚為關(guān)鍵，必須滿足取樣連續(xù)可靠、氣體組分不受影響，并保證分析儀表正常工作等要求。通常，對于絕大部分的在線氣體分析系統(tǒng)來說，樣氣處理系統(tǒng)一般包括除水干燥部分，工程實(shí)踐表明這一環(huán)節(jié)也是整個(gè)氣體分析系統(tǒng)中故障率最高的環(huán)節(jié)。在以紅外分析儀等主流光學(xué)分析儀的應(yīng)用中，氣相水是很多待測對象的交叉干擾組分，冷凝水也嚴(yán)重干擾光學(xué)鏡片的正常工作，為保證儀表性能，減少誤差，必須控制進(jìn)氣氣體的水分。實(shí)際應(yīng)用中主要通過抽取采樣系統(tǒng)與原位采樣(直接測量)系統(tǒng)從不同角度消除水、顆粒物等干擾組分的影響。

3.1 抽取采樣法

抽取采樣是CEMS中最為經(jīng)典的方法。它將樣氣從排放管路中抽取出來再送入分析儀表測量，可分為完全抽取式和稀釋抽取式。

3.1.1完全抽取式

完全抽取式是直接從煙道或管道抽取樣氣、濾除顆粒物，將樣氣送入分析儀的取樣方式。根據(jù)與之配套的樣氣處理系統(tǒng)的不同，可進(jìn)一步分為冷/干法與熱/濕法兩大類。

3.1.1.1冷/干法

冷/干法在過去是應(yīng)用最為廣泛的抽取采樣方法，其主要特點(diǎn)是在樣氣進(jìn)入分析儀前，對樣氣進(jìn)行除塵、除水，獲得“冷”和“干”的樣氣。樣氣處理可以在取樣處進(jìn)行，也可在分析小屋內(nèi)進(jìn)行。冷/干法樣氣處理流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)冷/干法樣氣處理流程示意

傳統(tǒng)冷/干法普遍采用帶過濾器的采樣探頭以防止其堵塞，過濾器一般通過反吹或拆卸清洗的方式維護(hù)，保證采樣探頭的正常工作。過去相當(dāng)長的一段時(shí)期，在分析小屋/機(jī)柜內(nèi)處理樣氣是燃煤電廠CEMS的主流預(yù)處理方案。樣氣經(jīng)粗過濾后通過帶伴熱的輸送氣管路，在分析柜內(nèi)冷凝除水，最后經(jīng)精密過濾器過濾后送入分析儀表。該系統(tǒng)構(gòu)成較為簡單，維護(hù)難度較低，工程適應(yīng)性好，還可根據(jù)工況靈活調(diào)整冷凝、過濾級數(shù)等方案，以更好地保證分析儀表正常工作。但該方式存在被測組分被冷凝液吸收的問題，特別是在當(dāng)前嚴(yán)格的“超低排放”(即燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值)標(biāo)準(zhǔn)下，這種吸收往往是不可接受的，因而今后其應(yīng)用可能將日趨受限。

在國家排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的背景下，為避免被測組分被冷凝液吸收，一種在冷凝器前端加注磷酸(pH為1)的方法得到認(rèn)可。該方法本質(zhì)是人為生成酸性凝液，影響化學(xué)平衡，大幅降低酸性氣(如二氧化硫)與水結(jié)合生成酸，減少樣氣中被測組分的損失。加注磷酸處理方法，氣體出口露點(diǎn)只能到5 ℃左右，對于低量程的非分光紅外分析儀仍存在較大干擾，其應(yīng)用有較大局限性；而在紫外波段不存在干擾，與紫外分析儀系統(tǒng)配合使用效果最佳，常應(yīng)用于對已有的紫外分析儀系統(tǒng)的改造工程中。

隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，一種以滲透干燥管為核心的冷/干法采樣系統(tǒng)在工程中得到應(yīng)用。滲透干燥原理近似于膜分離技術(shù)，即利用干燥管半透膜對氣相水分子的選擇性透過達(dá)到分離水分的目的。典型的干燥管如Nafion管——一種以聚四氟乙烯為基體發(fā)展而來的聚合物材料?；跐B透干燥管的冷/干法采樣系統(tǒng)需要維護(hù)的部件更少，可安裝在分析小屋，也可與取樣過濾探頭整體集成并且更具技術(shù)優(yōu)勢，基于滲透干燥管的冷/干法采樣系統(tǒng)樣氣處理流程如圖2所示。

圖2 基于滲透干燥管的冷/干法采樣系統(tǒng)樣氣處理流程示意

經(jīng)過處理后的樣氣干燥、潔凈程度高(露點(diǎn)為-20 ℃，理論最低甚至可達(dá)-45 ℃)，后續(xù)輸送管線一般無須伴熱。滲透干燥法在氣相狀態(tài)除去水分子，避免冷凝水的出現(xiàn)，有效解決了被測組分的吸收問題。為達(dá)到理想的應(yīng)用，在工程實(shí)際中防堵設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，必須避免進(jìn)入干燥管的樣氣中帶有冷凝液滴及顆粒物等，因而前端的取樣探頭等部件的伴熱及過濾設(shè)計(jì)須根據(jù)排放氣體組分合理配置，必要時(shí)還應(yīng)增大干燥管直徑。另外，在一些煙氣處理工藝中，排放氣中含有氨氣，會對干燥管造成永久性破壞，氣體降溫后也可能產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶，此時(shí)應(yīng)在前端配備氨去除器。

3.1.1.2熱/濕法

在垃圾焚燒、廢物處理等工藝流程中，由于燃料的因素，排放氣濕度更高，而且通常還含有鹵化氫、氨等物質(zhì)，常溫下易結(jié)晶，且它們?nèi)苡谒笠环矫鎸⒃斐山M分損失，大幅降低測量值；另一方面其凝液具有很強(qiáng)的腐蝕性，對采樣系統(tǒng)甚至分析儀表產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，降低儀表使用壽命，對于常規(guī)的CEMS維護(hù)量極大，甚至直接癱瘓。為解決該難題，伴隨著分析儀技術(shù)特別是紅外技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了高溫紅外分析儀，它與保持采樣、分析系統(tǒng)全程處于高溫狀態(tài)的熱/濕法采樣系統(tǒng)組合使用取得了很好的效果。

早期的CEMS中，熱/濕法采樣系統(tǒng)通常與可抗粉塵、水分干擾的紫外-可見光分光光譜儀配合使用。熱/濕法不經(jīng)降溫、除水處理，而是通過全程加熱的管線將樣氣送入分析儀表，分析儀中配置高溫(一般高于排放氣溫度)氣室。系統(tǒng)中的樣氣僅經(jīng)過了前端的過濾除塵處理，因而進(jìn)入分析儀的是“熱”且“濕”的樣氣。熱/濕法采樣系統(tǒng)近十年來廣泛匹配傅立葉紅外分析儀或具有干涉濾波(和/或氣體濾波)相關(guān)技術(shù)的高溫多組分紅外分析儀，可以滿足生活垃圾焚燒等工藝的排放氣中絕大多數(shù)被測組分的可靠測量。熱/濕法采樣系統(tǒng)氣路如圖3所示。

從圖3可以看出，熱/濕法抽取采樣系統(tǒng)氣路更為直接。取樣部件主要由加熱的取樣探頭和帶加熱反吹的過濾器組成。從取樣部件到分析儀間的樣氣管線，包括氣泵、流量計(jì)、反吹/校準(zhǔn)部件等均處于加熱系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)成整體高溫測量系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)氣和反吹氣也是經(jīng)過加熱的，防止冷凝。加熱系統(tǒng)具有自動溫度控制功能，保證樣氣溫度高于露點(diǎn)(或酸露點(diǎn))至少10 ℃，通常在185 ℃左右，同時(shí)也配備測溫元件檢測伴熱溫度。

采用全程高溫的熱/濕法采樣系統(tǒng)測量方法，能夠同時(shí)測量包括鹵化氫、氨和水在內(nèi)的更多組分氣體污染物。測量過程中氣體成分不變，腐蝕減少，過濾、取樣和反吹也在高溫狀態(tài)下進(jìn)行，維護(hù)量小，效率高。熱/濕法最為關(guān)鍵的是必須保持整個(gè)高溫系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，保持樣氣溫度高于露點(diǎn)至少10 ℃。在實(shí)際應(yīng)用中通常還配置伴熱溫度失控報(bào)警聯(lián)鎖功能，通過及時(shí)切斷進(jìn)樣，并全流程吹掃等措施以保護(hù)取樣系統(tǒng)及儀表的安全。

圖3 熱/濕法采樣系統(tǒng)氣路示意

3.1.2稀釋抽取式

稀釋抽取法即使用不含被測組分的潔凈、干燥的氣體(零氣)稀釋樣氣，使混合氣露點(diǎn)顯著降低的抽取采樣方式。稀釋抽取采樣在美國市場占主導(dǎo)地位，主要因美國環(huán)保署(EPA)對煙氣排放量的統(tǒng)計(jì)以濕煙氣為基準(zhǔn)，稀釋抽取測量系統(tǒng)直接契合其要求。稀釋抽取測量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖4所示。

圖4 稀釋抽取測量系統(tǒng)的構(gòu)成示意

由圖4所示，其關(guān)鍵部件為稀釋探頭、稀釋氣(零氣)處理裝置和低量程的分析儀表。該系統(tǒng)的樣氣采集與稀釋處理在現(xiàn)場同時(shí)進(jìn)行。在采樣探頭頂部，通過一個(gè)音速小孔進(jìn)行采樣，并用干燥的氣體(零氣)在探頭內(nèi)部進(jìn)行稀釋混合后再向分析儀輸送。

通過計(jì)算選擇合適的稀釋比(選擇范圍在100∶1～250∶1)，一方面使稀釋后樣氣露點(diǎn)低于現(xiàn)場的最低環(huán)境溫度，避免樣氣冷凝；另一方面確保分析儀的測量范圍與樣氣稀釋后的實(shí)際濃度相匹配。與熱/濕法類似，稀釋后的樣氣無需經(jīng)過除水而直接進(jìn)入分析儀，樣氣管線一般也不需要伴熱。

稀釋采樣也能解決樣氣中水的冷凝所帶來的一系列問題，是一種“冷”、“濕”的采樣分析方法，在國內(nèi)“超低排放”的燃煤電廠也有較多應(yīng)用。但其構(gòu)成決定了它并不能解決抽取采樣系統(tǒng)應(yīng)用中遇到的全部問題，其探頭的音速小孔更易受煙道中煙氣溫度和組分的波動影響而堵塞；或者由于儀表空氣質(zhì)量的不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，而不得不配置一套專用的稀釋氣處理系統(tǒng)。

3.2 原位采樣(直接測量)方式

抽取采樣的種種弊端催生了原位采樣(直接測量)方式，原位測量一般分為點(diǎn)測量和線測量，本文僅討論點(diǎn)測量方式。原位測量方式?jīng)]有復(fù)雜的樣氣處理系統(tǒng)，主要由1臺高度集成的分析儀構(gòu)成，原位采樣(直接測量)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。原位氣體分析儀采用擴(kuò)散式采樣探頭，一體集成分析模塊，直接插入煙道內(nèi)部安裝，煙氣經(jīng)過濾器后進(jìn)入探頭的測量區(qū)域(相當(dāng)于氣室)測量。由于采用的是自由擴(kuò)散方式，所以煙氣中的粉塵只是落在探頭過濾器表面，可以通過儀表設(shè)置的自動吹掃程序，將粉塵吹回?zé)煹?，避免過濾器堵塞，實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行。

原位采樣(直接測量)系統(tǒng)多用紅外測量技術(shù)，1臺儀表可同時(shí)測量包括水在內(nèi)多種組分的氣態(tài)污染物，有些產(chǎn)品甚至可以檢測氯化氫。

圖5 原位采樣(直接測量)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

傳統(tǒng)意義上，原位采樣(直接測量)方式的典型應(yīng)用是對顆粒物的測量。對于氣態(tài)污染物來說，復(fù)雜的樣氣處理，長距離的取樣管線，無疑增加系統(tǒng)的維護(hù)量，降低系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，對分析結(jié)果的準(zhǔn)確性造成負(fù)面影響。原位采樣分析系統(tǒng)構(gòu)成簡單，可即時(shí)得出分析結(jié)果，無滯后，便于安裝，維護(hù)工作量小，在一些非惡劣工況下應(yīng)用于氣態(tài)污染物的分析具有明顯的優(yōu)勢。但由于它一般直接安裝在戶外，環(huán)境惡劣，干擾因素多，穩(wěn)定性受影響，而且在一些濕度大、腐蝕性強(qiáng)的煙氣環(huán)境下應(yīng)用有局限性，必須特殊設(shè)計(jì)，存在維護(hù)難度較大，成本較高的缺陷。

3.3 采樣系統(tǒng)與分析儀表的選擇匹配

用于環(huán)保監(jiān)測氣態(tài)污染物的分析儀表種類較多，尤以紫外法、紅外法或它們的衍生方法為代表的光學(xué)法應(yīng)用最為廣泛。這些分析儀由于儀表結(jié)構(gòu)和分析原理的各不相同決定了對樣氣的不同要求，需要采取不同的采樣處理方式。當(dāng)今工程應(yīng)用中常用的組合方案見表1所列。

表1 氣態(tài)污染物監(jiān)測單元的常見方案

4 結(jié)束語

工程上沒有完美的技術(shù)，但有恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。CEMS方案的選擇和設(shè)計(jì)不但需要考慮工業(yè)在線氣體分析儀的特點(diǎn)，同時(shí)又必須符合相關(guān)環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，對特定污染源的監(jiān)測需有良好的適應(yīng)性和可靠性。不同的氣體采樣方式和分析方法在煙氣樣氣的凈化、處理方法上差異較大，應(yīng)根據(jù)污染物濃度、具體背景組分以及環(huán)保處理工藝等因素選用。分析系統(tǒng)在保證監(jiān)測準(zhǔn)確性及響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)也應(yīng)易于工程化實(shí)施，兼顧防腐、防堵的要求，以滿足長周期運(yùn)行的要求，并盡可能提高系統(tǒng)的自動化程度，減小維護(hù)工作量。