煙氣在線監測系統的廣泛應用

隨著科學技術和網絡技術的不斷，目前固定污染源污染氣體在線監測系統主要有空氣質量自動監測系統( AQMS) 、煙氣排放連續監測系統( CEMS) 、差分光學吸收光譜( DOAS) 法在線連續監測系統、物聯網下無線傳感器網絡技術在線監測系統等，煙氣在線監測系統的廣泛應用和不斷完善，對于煙氣在線監測技術的發展有著很大的促進作用。

 

1.1、 空氣質量自動監測系統( AQMS)

 

空氣質量自動監測系統( Air Quality MonitoringSystem，簡稱AQMS) 需要在重點監控區域設置子監測點，進行連續的空氣質量監測，定期與總站進行通訊和數據傳輸，形成一個對該區域空氣質量進行采樣和測定的完整網絡。自1983 年北京市從美國TE 公司引進AQMS，目前在內地約有200 多個AQMS 在運轉。

 

AQMS 的組成主要有采樣系統、監測儀器、校準設備、數據處理設備、通信設備和支持設備等，AQMS的技術發展經歷了以化學分析原理為基礎的濕法( 上世紀50 年代～ 90 年代) 到以物理光學原理為基礎的干法( 上世紀60 年代～現在) 到以差分吸收光譜為主的光譜技術法( 上世紀80 年代～現在) 。

 

濕法監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，數據的性取決于試劑和人員操作，因此逐漸被干法監測儀器所取代; 干法監測儀器的基本原理是物理法和物理化學氣相法，干法監測儀器在檢出限、漂移、線性、重復性、精度等各項性能指標均優于濕法監測儀器，且維護和修理更加方便，數據受人員操作影響小; 差分吸收光譜為主的光譜技術將在1. 3 中進行詳述，區別于光譜技術，濕法監測儀器和干法監測儀器被稱為傳統儀器。

 

近年來，出現了新的監測儀器技術———大氣探測激光雷達系統及技術。大氣探測激光雷達系統主要由激光發射系統、望遠鏡接收系統和信號檢測系統等組成，具有易于接觸探測點、探測范圍廣、探測隱蔽性強、可實現大范圍實時探測等優點。差分吸收激光雷達( Differencial Absorption Lidar，簡稱DIAL) 技術即是一種大氣探測激光雷達技術，該技術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 在運行中需要對監測子站進行優化設計，組成“監測儀器—數據通信—計算機”網絡，可以迅速收集和處理監測數據，得到區域污染現狀和污染變化規律，供監測部門和研究人員使用。

 

1.2、 煙氣排放連續監測系統( CEMS)

 

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

 

該系統需參照執行國家環境保護總局制定的HJ /T 75 －2007 《固定污染源煙氣排放連續監測技術規范》和HJ /T 76 － 2007 《固定污染源煙氣排放連續監測系統技術要求及檢測方法》。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，樣氣從煙道經過過濾器抽到分析儀器進行分析; 原位直接測量法是將監測儀器直接安裝在煙道內對煙氣進行測量，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 分子受激發生成激發態，再由激發態返回基態時發出熒光，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由NO2 轉化的NO 與臭氧發生反應，發光強度與氣體濃度成正比，適用于稀釋法CEMS。

 

目前，CEMS 分析測量方法的發展方向主要有傅立葉紅外監測法和線狀光譜技術( 又稱可調諧二極管激光分析技術) ，傅立葉紅外監測法是一種全譜分析技術，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，設定參數后不僅可以連續自動地進行SO2 和NOx的監測，還可以監測出復雜煙氣中其他化學組分的含量; 可調諧二極管激光分析技術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、流速監測儀，樣氣采集系統，樣氣預處理系統，保護反吹系統，自動標定系統，系統控制與數據采集系統等部分組成。隨著計算機通信技術的發展，通用分組無線服務技術( General Packet Radio Service，簡稱GPRS) 、ADSL 寬帶網絡也相繼應用在CEMS 上，該系統實現了實時、遠程、大數據量的數據采集和傳輸等功能，具有適應性強、安裝方便、性能穩定等特點。

 

1.3、 差分光學吸收光譜( DOAS) 法在線連續監測系統隨著現代光譜測量技術的發展，不同于濕法和干法傳統監測方法，由于光譜技術的探測靈敏度高，可達10 － 9 ～ 10 － 12級，分子光譜具有“指紋”特征，該技術在大氣污染氣體監測中得到日益廣泛的應用，非常適合大范圍的在線監測，相比于傳統監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) 是一種光譜監測技術，早該技術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，用于環境空氣監測和污染源監測。DOAS 遵循的理論基礎是Lambert-Beer 定律，該技術就本質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。近年來出現了很多基于DOAS 的新技術，例如MAXDOAS， Tomogra-phic DOAS 和LPDOAS等。在煙氣在線監測系統中，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 技術可以實現一臺儀器多種痕量物質的高敏度實時測量，原則上從紫外到近紅外波長區的任何一種光吸收物質都可以被探測到，使用時不需要用常規氣體校準，采用非接觸測量的光譜技術校準，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 技術已經在煙氣排放監測領域得到廣泛的應用，和其他傳統光學監測方法相比，可同時監測多種成分，漂移小，污染物濃度在其量程范圍內線性好，平時的維護和保養也相對簡單。

 

1.4 、物聯網下無線傳感器網絡技術在線監測系統無線傳感器網絡( Wireless Sensor Networks，簡稱WSN) 是由安裝在監測區域的廉價傳感器節點組成，傳感器可以經過無線方式通信，因此WSN 網絡設計靈活，設備的位置可以隨時變化，并能實現WSN 跟互聯網進行有線或者無線方式的連接。相比于傳統的有線網絡在線監測，WSN 具有安裝、維護、管理方便，系統可隨時擴展的優點。

 

物聯網( 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、狀態等信息，實現智能化的管理，Auto-ID 實驗室關于物聯網的概念是以無線傳感器網絡和射頻識別技術為支撐技術的。

 

物聯網通過無線傳感器網絡技術、射頻識別技術、納米技術、智能嵌入技術、定位系統技術與互聯網連接，可以實現智能化定位和監控。無線傳感器網絡技術下物聯網在線監測系統無需人為操作，信息可以自處理，應用范圍廣泛，實現人類社會與物理系統的整合。

 

煙氣在線監測系統由于地理范圍廣泛而分散，包含的信息量和數據量也更加巨大，需要由無線傳感器網絡技術組成一個物聯網絡，通過傳感器節點等感知設備獲取監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，并接入互聯網絡實時傳送到監測部門。