煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛應用

隨著科學技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷，目前固定污染源污染氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)( AQMS) 、煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)( CEMS) 、差分光學吸收光譜( DOAS) 法在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)等，煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛應用和不斷完善，對于煙氣在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展有著很大的促進作用。

 

1.1、 空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)( AQMS)

 

空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)( Air Quality MonitoringSystem，簡稱AQMS) 需要在重點監(jiān)控區(qū)域設(shè)置子監(jiān)測點，進行連續(xù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測，定期與總站進行通訊和數(shù)據(jù)傳輸，形成一個對該區(qū)域空氣質(zhì)量進行采樣和測定的完整網(wǎng)絡(luò)。自1983 年北京市從美國TE 公司引進AQMS，目前在內(nèi)地約有200 多個AQMS 在運轉(zhuǎn)。

 

AQMS 的組成主要有采樣系統(tǒng)、監(jiān)測儀器、校準設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、通信設(shè)備和支持設(shè)備等，AQMS的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了以化學分析原理為基礎(chǔ)的濕法( 上世紀50 年代～ 90 年代) 到以物理光學原理為基礎(chǔ)的干法( 上世紀60 年代～現(xiàn)在) 到以差分吸收光譜為主的光譜技術(shù)法( 上世紀80 年代～現(xiàn)在) 。

 

濕法監(jiān)測儀器的傳感器采用庫倫池，基本原理是化學法和電化學法，需要使用的溶液和試劑，數(shù)據(jù)的性取決于試劑和人員操作，因此逐漸被干法監(jiān)測儀器所取代; 干法監(jiān)測儀器的基本原理是物理法和物理化學氣相法，干法監(jiān)測儀器在檢出限、漂移、線性、重復性、精度等各項性能指標均優(yōu)于濕法監(jiān)測儀器，且維護和修理更加方便，數(shù)據(jù)受人員操作影響小; 差分吸收光譜為主的光譜技術(shù)將在1. 3 中進行詳述，區(qū)別于光譜技術(shù)，濕法監(jiān)測儀器和干法監(jiān)測儀器被稱為傳統(tǒng)儀器。

 

近年來，出現(xiàn)了新的監(jiān)測儀器技術(shù)———大氣探測激光雷達系統(tǒng)及技術(shù)。大氣探測激光雷達系統(tǒng)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、望遠鏡接收系統(tǒng)和信號檢測系統(tǒng)等組成，具有易于接觸探測點、探測范圍廣、探測隱蔽性強、可實現(xiàn)大范圍實時探測等優(yōu)點。差分吸收激光雷達( Differencial Absorption Lidar，簡稱DIAL) 技術(shù)即是一種大氣探測激光雷達技術(shù)，該技術(shù)可以測量城市上空的NOx，SO2，O3，CH4等氣體組分的三維立體分布，波長范圍1. 59 ～ 1. 64 μm，測量光程可達幾十公里，可監(jiān)測煙氣的非法偷排，但由于價格昂貴，污染物的低檢測限也不太，目前還在研究階段。

 

AQMS 在運行中需要對監(jiān)測子站進行優(yōu)化設(shè)計，組成“監(jiān)測儀器—數(shù)據(jù)通信—計算機”網(wǎng)絡(luò)，可以迅速收集和處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到區(qū)域污染現(xiàn)狀和污染變化規(guī)律，供監(jiān)測部門和研究人員使用。

 

1.2、 煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)( CEMS)

 

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)又稱固體污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)( Continuous Emissions Monitoring System，簡稱CEMS) ，用于連續(xù)自動監(jiān)測固定污染源的污染物排放濃度，適用于火電廠等連續(xù)廢氣排放量的監(jiān)測，將儀器安裝在固定污染源上，可實時在線監(jiān)測二氧化硫( SO2 ) 、氮氧化合物( NOx ) 、顆粒物的排放濃度和排放量，同時將監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時傳送到環(huán)保監(jiān)控中心。

 

該系統(tǒng)需參照執(zhí)行國家環(huán)境保護總局制定的HJ /T 75 －2007 《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和HJ /T 76 － 2007 《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》。CEMS 自上世紀80 年代開始在我國大型火電廠安裝使用，目前已安裝了2 萬多套。

 

CEMS 按照取樣方法可分為三種: 稀釋法CEMS、直接抽取法CEMS 和原位直接測量法CEMS。

 

其中稀釋法需要使用干凈干燥的空氣進行稀釋取樣，稀釋探頭是保障測量性的關(guān)鍵配件; 直接抽取法不需要稀釋空氣，但前端需要帶過濾器，樣氣從煙道經(jīng)過過濾器抽到分析儀器進行分析; 原位直接測量法是將監(jiān)測儀器直接安裝在煙道內(nèi)對煙氣進行測量，不需要將樣氣從煙道中抽出。

 

針對不同污染物，CEMS 的分析測量方法更加多樣。SO2 測量方法有紫外熒光法、非色散紅外法(Non-dispersive Infrared，簡稱NDIR 法) 、紫外吸收法;NOx測量方法有不分光紅外法、化學發(fā)光法( ChemiluminescentDetector，簡稱CLD 法) 、脈沖熒光法; 粉塵測量方法有激光散射法、β 射線法、激光后散射法。

 

其中，紫外熒光法測量SO2 是指煙氣在190 ～ 230nm 紫外光下，SO2 分子受激發(fā)生成激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時發(fā)出熒光，測量熒光強度即可得到SO2氣體濃度，此方法靈敏度高，可檢測到10 － 12級別的低濃度氣體，適用于稀釋法CEMS; NDIR 法利用氣體對紅外線光譜能量的吸收在波長上具有選擇性對氣體進行定性定量測量，具有很好的性價比，可同時測定多種組分氣體，適用于直接抽取法CEMS; CLD 法是煙氣中的NO 或者利用鉬催化技術(shù)由NO2 轉(zhuǎn)化的NO 與臭氧發(fā)生反應，發(fā)光強度與氣體濃度成正比，適用于稀釋法CEMS。

 

目前，CEMS 分析測量方法的發(fā)展方向主要有傅立葉紅外監(jiān)測法和線狀光譜技術(shù)( 又稱可調(diào)諧二極管激光分析技術(shù)) ，傅立葉紅外監(jiān)測法是一種全譜分析技術(shù)，利用紅外光譜的吸收信息可以確定分子的化學成分，達到的定性和定量分析，設(shè)定參數(shù)后不僅可以連續(xù)自動地進行SO2 和NOx的監(jiān)測，還可以監(jiān)測出復雜煙氣中其他化學組分的含量; 可調(diào)諧二極管激光分析技術(shù)是一種新的痕量氣體分析方法，它的線狀光譜譜寬窄到10 － 2nm 數(shù)量級，可以有效地排除其他氣體組分干擾。

 

CEMS 一般由氣體分析儀，粉塵分析儀，溫度、壓力、流速監(jiān)測儀，樣氣采集系統(tǒng)，樣氣預處理系統(tǒng)，保護反吹系統(tǒng)，自動標定系統(tǒng)，系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。隨著計算機通信技術(shù)的發(fā)展，通用分組無線服務技術(shù)( General Packet Radio Service，簡稱GPRS) 、ADSL 寬帶網(wǎng)絡(luò)也相繼應用在CEMS 上，該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時、遠程、大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)裙δ埽哂羞m應性強、安裝方便、性能穩(wěn)定等特點。

 

1.3、 差分光學吸收光譜( DOAS) 法在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)隨著現(xiàn)代光譜測量技術(shù)的發(fā)展，不同于濕法和干法傳統(tǒng)監(jiān)測方法，由于光譜技術(shù)的探測靈敏度高，可達10 － 9 ～ 10 － 12級，分子光譜具有“指紋”特征，該技術(shù)在大氣污染氣體監(jiān)測中得到日益廣泛的應用，非常適合大范圍的在線監(jiān)測，相比于傳統(tǒng)監(jiān)測方法的費用和耗時都低很多。

 

差分光學吸收光譜( Differential Optical AbsorptionSpectroscopy，簡稱DOAS) 是一種光譜監(jiān)測技術(shù)，早該技術(shù)用于研究大氣層中的痕量氣體成分( 如甲烷、臭氧等) ，可通過長光程吸收低濃度氣體成分，達到測量的目的。DOAS 是被瑞典OPSIS 公司于上世紀80 年代作為商品推向市場的，用于環(huán)境空氣監(jiān)測和污染源監(jiān)測。DOAS 遵循的理論基礎(chǔ)是Lambert-Beer 定律，該技術(shù)就本質(zhì)來說是基于分子對光輻射的吸收，通過分析某一波段的吸收光譜來來鑒別氣體成分，并根據(jù)吸收強度來確定氣體含量，進一步推演出微量氣體的濃度。近年來出現(xiàn)了很多基于DOAS 的新技術(shù)，例如MAXDOAS， Tomogra-phic DOAS 和LPDOAS等。在煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)中，可測量200 ～250 nm 附近 的吸收光譜，來定性定量煙氣中SO2，NO，NO2 和NH3等有害氣體組分，還可以用DOAS 方法反演出上述氣體的濃度，消除煙氣中煙塵、水汽等其他組分的影響。

 

DOAS 技術(shù)可以實現(xiàn)一臺儀器多種痕量物質(zhì)的高敏度實時測量，原則上從紫外到近紅外波長區(qū)的任何一種光吸收物質(zhì)都可以被探測到，使用時不需要用常規(guī)氣體校準，采用非接觸測量的光譜技術(shù)校準，避免了測量對象的化學變化、采樣器壁的吸收損失等誤差源的影響。DOAS 技術(shù)已經(jīng)在煙氣排放監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛的應用，和其他傳統(tǒng)光學監(jiān)測方法相比，可同時監(jiān)測多種成分，漂移小，污染物濃度在其量程范圍內(nèi)線性好，平時的維護和保養(yǎng)也相對簡單。

 

1.4 、物聯(lián)網(wǎng)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( Wireless Sensor Networks，簡稱WSN) 是由安裝在監(jiān)測區(qū)域的廉價傳感器節(jié)點組成，傳感器可以經(jīng)過無線方式通信，因此WSN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計靈活，設(shè)備的位置可以隨時變化，并能實現(xiàn)WSN 跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線或者無線方式的連接。相比于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測，WSN 具有安裝、維護、管理方便，系統(tǒng)可隨時擴展的優(yōu)點。

 

物聯(lián)網(wǎng)( Internet of Things，簡稱IOT) 的概念是Auto-ID 實驗室于1999 年提出的，將微小的識別裝置放置在書、鞋、汽車等物體上，就可以知道物體的位置、狀態(tài)等信息，實現(xiàn)智能化的管理，Auto-ID 實驗室關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的概念是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別技術(shù)為支撐技術(shù)的。

 

物聯(lián)網(wǎng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識別技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)、定位系統(tǒng)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接，可以實現(xiàn)智能化定位和監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)無需人為操作，信息可以自處理，應用范圍廣泛，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。

 

煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)由于地理范圍廣泛而分散，包含的信息量和數(shù)據(jù)量也更加巨大，需要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器節(jié)點等感知設(shè)備獲取監(jiān)測儀器上的各種信息，如煙氣濃度、煙塵濃度、溫濕度、排氣量等，并接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實時傳送到監(jiān)測部門。