煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用

隨著科學(xué)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(xué)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(yīng)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(jìn)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(diǎn)監(jiān)控區(qū)域設(shè)置子監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行連續(xù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測，定期與總站進(jìn)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(jìn)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(jìn)AQMS，目前在內(nèi)地約有200 多個AQMS 在運(yùn)轉(zhuǎn)。

 

AQMS 的組成主要有采樣系統(tǒng)、監(jiān)測儀器、校準(zhǔn)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(xué)分析原理為基礎(chǔ)的濕法( 上世紀(jì)50 年代～ 90 年代) 到以物理光學(xué)原理為基礎(chǔ)的干法( 上世紀(jì)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(jì)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(xué)法和電化學(xué)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(xué)氣相法，干法監(jiān)測儀器在檢出限、漂移、線性、重復(fù)性、精度等各項性能指標(biāo)均優(yōu)于濕法監(jiān)測儀器，且維護(hù)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(jìn)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(dá)系統(tǒng)及技術(shù)。大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、望遠(yuǎn)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(diǎn)、探測范圍廣、探測隱蔽性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)大范圍實(shí)時探測等優(yōu)點(diǎn)。差分吸收激光雷達(dá)( Differencial Absorption Lidar，簡稱DIAL) 技術(shù)即是一種大氣探測激光雷達(dá)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(dá)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(yùn)行中需要對監(jiān)測子站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，組成“監(jiān)測儀器—數(shù)據(jù)通信—計算機(jī)”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(shí)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(shí)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(hù)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)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(qiáng)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(jìn)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(yīng)，發(fā)光強(qiáng)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(xué)成分，達(dá)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(jìn)行SO2 和NOx的監(jiān)測，還可以監(jiān)測出復(fù)雜煙氣中其他化學(xué)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(yù)處理系統(tǒng)，保護(hù)反吹系統(tǒng)，自動標(biāo)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(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，通用分組無線服務(wù)技術(shù)( General Packet Radio Service，簡稱GPRS) 、ADSL 寬帶網(wǎng)絡(luò)也相繼應(yīng)用在CEMS 上，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時、遠(yuǎn)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(yīng)性強(qiáng)、安裝方便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

 

1.3、 差分光學(xué)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(dá)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(yīng)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(fèi)用和耗時都低很多。

 

差分光學(xué)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(dá)到測量的目的。DOAS 是被瑞典OPSIS 公司于上世紀(jì)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(qiáng)度來確定氣體含量，進(jìn)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(shí)現(xiàn)一臺儀器多種痕量物質(zhì)的高敏度實(shí)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(zhǔn)，采用非接觸測量的光譜技術(shù)校準(zhǔn)，避免了測量對象的化學(xué)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(yīng)用，和其他傳統(tǒng)光學(xué)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(hù)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)WSN 跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(hù)、管理方便，系統(tǒng)可隨時擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

 

物聯(lián)網(wǎng)( Internet of Things，簡稱IOT) 的概念是Auto-ID 實(shí)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(shí)現(xiàn)智能化的管理，Auto-ID 實(shí)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(shí)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(yīng)用范圍廣泛，實(shí)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(diǎn)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(shí)時傳送到監(jiān)測部門。