新泽TK-1000型烟气在线监测系统总体方案设计

烟气在线监测系统有烟气在线监测仪、测量子系统、数据处理和采集系统、中心站数据处理系统软件等组成。在现场进行直接采样，测量出排放气体中污染物浓度，并且测出排放气体中压力、流速、温度等参数，通过信号的转换，将模拟信号转换为数字信号后，发送到数据采集处理系统进行数据处理和运算。然后就可以得到污染物排放率和排放量，监测、存储烟气数据；同时通过网络把这些参数传输到企业和，达到实时在线监测多种污染气体的效果。
一、测量原理
物质对电磁辐射具有吸收作用，这种现象称之为吸收光谱，和物质的吸收特性及辐射能量有关。所以说，不同物质对于辐射的吸收是有选择性的，每一种物质都有各自的特征吸收光谱，不同的气体对光的也有不同的吸收光谱。利用物质吸收谱分析方法可以同时测定多种污染气体的浓度。
1、光吸收定律 光吸收定律，是研究光吸收的基本定律。即比尔—朗伯定律：条定律是朗伯在十八世纪七十年代发现的，他提出入射光被物质吸收了多少与样本介质的厚度有关【2】；第二条定律是比耳在十九世纪五十年代提出的，他提出入射光被物质吸收了多少与样本浓度有关，我们称为比耳定律【3】。这两条定律合称为比尔—朗伯定律，即光的吸收定律。综合上述两条定律，可知：当我们测量的浓度和厚度是可变的，我们考虑物质浓度C对吸光度A的影响。
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(1)是朗伯-比耳定律的数学式。上式结果表明：I0为定值，当入射光强It一定时，A与CL成正比。它是分光度分析法的依据和基础。上式中K为比例常数,它的值取决于物质的性质、温度及入射光的波长。
如果在一个特定的波长下，测量物质中包含着各种各样的光吸收材料，我们在计算被测物质对该波长光的总吸收度时，应该等于该介质各成分对光的吸收度之和。即吸光度具有加合性。
2、差分吸收光谱法原理
DOAS是光学差分吸收光谱法（英文名：Differential Optical Absorption Spectroscopy）【4】 。该项技术源于上世纪八十年代德国Platt教授提出的差分吸收光谱法，在测定大气中污染气体浓度中广泛运用，并在环境监测领域得到了迅猛的发展。DOAS主要优点是测定物质浓度时不会被物质本身的化学性质所干扰；可以通过分析几种气体在同一波段的重叠吸收光谱，来同时测定几种气体的浓度。 差分吸收光谱法在比尔—朗伯定律上研究出来的。强度为) (0I的光由发射源发出并打到被检测打的烟气上，因为发射光受到不同成分气体的吸收与散射，射出来的光强衰减，并记为)(I，并由下式确定：
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式中，in是第i种气体的浓度，而i是吸收截面，和波长相关；RkMk分 别是气体分子和烟雾粒子Mile的散射系数，D是光学路径长度。 由SO2、NOx等气体的吸收谱线可以发现：紫外光谱中因为含有很多因为分子振转能级不同造成精细度改变，通过这种精细改变我们可以计算烟气浓度。在对烟气浓度计算时，我们将式（2）分为两部分：在分析和计算，公式（2）分为两个部分：快速和慢速的部分。定义如下：
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上式中，,diffi和 diffI分别是差分吸收的快变吸收系数，快变吸收光强，而0,i和0I是差分吸收的慢变吸收系数和慢变入射光强。
在粒径较小，由于瑞利散射和Mie散射的影响只有慢变化部分的吸收光谱，只考虑 吸收光谱的快变部分可以避免瑞利和Mie散射对浓度计算的影响。因此表达式（2）可写为：
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分析过程如下一些常见的污染气体吸收截面主如图2-1所示，然后选择特征频带进行测量计算就可以得到烟气浓度。几种纳米测量表2-1所列的中心波长的吸收光谱，与标准的光谱对比，我们可以获得被测气体的浓度。如果要增加检测气体的种类，将污染标准气体吸收谱输入数据库进行替换就行了，而不需要更新软件。
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依照以上的原理，可以得到的紫外光谱，如图2-2（A），显示的测量谱线，横坐标和纵坐标分别是波长和光谱值，图（A）中有各种影响条件，例如：被测气体分子吸收的影响，灰尘颗粒和阳光的光：在一些气体成分污染气体和光源强度会随着时间慢慢改变，这对测量结果的影响和准确性。我们将所测得的原始光谱(A)和(B)相减得到各种现实因素（C）。其它包含两个不同的频率成分，就是R线的快变和S线的慢化。根据分子光谱特性曲线，s曲线由其他因素产生的（例灰尘或其他颗粒），因此，我们可以用数学的方法去除S曲线，只剩下包含各种气体分子吸收光谱(E)。在图的一端（D）线，我们使用单分子已知光谱组。如：图(E)、图(F)，将他们进行累加结果为图(G)。
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后我们计算出被测气体的种类XN，浓度Kn。在实际的模拟中，计算机仿真软件，将测量结果的基础上确定多少单分子线适合佳拟合实验工作。因为存在采样的精度和计算误差，使得测量谱线的Z和模拟谱线X之间总是存在误差 X，这样，从分析方法来讲怎样将误差控制在测量精度要求的范围内是紫外差分法的关键。
以上可以看出，紫外差分法可同时监测各种污染气体，且具有以下优点：
粉尘干扰：通过缓慢改变消除干扰，没有对结果造成影响。
仪器老化：衰老缓慢变化的淘汰，没有对结果造成影响。
交叉干扰：可监测烟气中不同气体浓度，没有交叉干扰的问题。
光路污染：通过缓慢改变消除，没有对结果造成影响。
3、颗粒物的测量原理
通过比尔定律，选用不透明度法，就是将单色且平行的光射入污染物气体中时，由于分子对光的吸收和散射，期光强会变小。
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二、烟气在线监测系统的总体方案分析
烟气CEMS由颗粒物和气态污染物、烟气参数测定子系统构成。经过采样或非采样，测定污染气体的浓度，实时监测烟气中温度、流速、流量等参数；通过计算计算出污染气体的排放量；显示储存各种参数，同时通过软件和网络系统将数据传输到企业和。
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烟气CEMS功能是测定污染气体中不同种类气体的浓度；颗粒物CEMS主要功能是测定烟尘中颗粒物浓度；气态参数CEMS功能是测定流速、湿度等，用于对相关气体浓度的计算；数据采集系统和处理数据处理系统采集各项实时数据，计算出不同浓度对应的干基、湿基及折算浓度；计算出不同时间段污染气体排放量并把参数传送至和企业。
按照烟气在线系统构成可以把烟气CEMS分为现场测量系统，数据处理系统，数据监控系统。
1、现场测量系统
现场测量系统包括颗粒物CEMS , 烟气参数CEMS，气态污染物CEMS。
① 颗粒物CEMS技术介绍
用β射线法和光学监控方法的粒子，并根据光学方法可以分为不透明度和背散射法。
β射线法原理是β射线穿过材料的强度衰减，衰减的强度与物质的质量成比例。该法不受样品颜色大小及原子量影响，可直接测量烟尘质量浓度，与重量法相关性好。但是如果烟气中有水分的话容易造成测量误差，同时封闭不好还会产生误差；由于现场环境质量差，不适合长期连续监测。
光学法包括不透明度法和背散射法:不透明度法运用同样速度进行采样并称重从而计算烟尘的质量，然后用光不透明度构建对应关系，大部分情况下是线性关系。这种方法的好处是范围广，量程在0 ~ 10000mg／m3，进行实时监测。这种方法灵敏度低，更适合测量一些颗粒尺寸较大，高浓度的化工企业；不同直径的尘埃粒子透射率不同，需要对他们进行校准；同时，需要对角反镜进行定期的清洗与维护。
背散射法是当一束光射到烟道内，烟尘粒子会使光发生散射，散射光与入射光形成一定角度。同时散射光被该夹角的接收机接收，光强度和烟尘质量符合比尔-朗伯定律。这种方法灵敏度较高，适用于对粉尘浓度较低的场所进行监控，而不适用于比如煤燃料这种工作状态不稳定的场所；同时还需要作相关校准。
② 烟气参数测量子系统
这部分主要测量烟气的温度，压力，流速，湿度，氧量；其中，这些烟气参数通过对应的变速器进行信号采集，然后将采集的模拟信号通过232信号线传输到相对应的测量仪上，测量仪经过A-D转换计算出这些参数。例如：测量烟气中的氧量，烟气经过氧量变速器（在氧化锆头），变速器上的信号采集器将采集的模拟信号通过232线传输到氧测量仪（即氧化锆表头），经过处理后显示在仪表上。
③ 气态污染物CEMS系统
气态污染物CEMS系统可根据三种不同的测量方法进行分别研究。
a.直接抽取式（加热管法） 这是一个旧的系统技术，包括从烟道通过探针取样，烟气除尘，由一定长度的绝缘装置加热管采样，经过精细除尘，除湿等预处理后，终进入分析仪。直接提取监测系统面临的问题：测量前脱除烟气中的颗粒，大部分采取三级过滤；从而避免了烟气在进入分析仪前，烟气中的比较高水份在管内壁冷凝，迅速消除了烟气中的水份；冷却气体在5 ~ 40℃温度。这个步骤要需要电磁阀、蠕动泵、加热管等装置，同时还需要传输和调节气体所的部件。这些零件必需要定期保养，维修，排除故障，更换探针固定过滤器，以防止管道泄漏等。该方法被广泛应用，尤其是在日本，但该技术存在先天性缺陷，就是采样气体很难在取样烟道内保持原有的状态运到分析仪，尤其是酸性气体，如HCL、SO2、NO2等。
b. 稀释抽取式（稀释法）
把污染气体用特定的配比进行稀释，把处理后的污染气体烟气送进分析仪。因为对烟气采取了较大比例的稀释（如陪比200:1）。同时探头顶部的尖嘴口会产生压力差值，即静压和动压。所以气体稀释露点下降，不需要加热管，解决了气体传输问题的分析。但这种方法很难控制稀释比例，由于设计，稀释探头生产是困难的，一般采用进口。
c. 直接测量法
虽然抽取式方法应用范围广泛、普遍性高，但仍有一些固有缺点，如管道长，且易老化，从而导致渗漏，加热线容易断，污染气体中的水汽凝结，由于管道老化会导致漏气、加热丝断，烟气中水分冷凝，导致稀释比例变化 。虽然抽取式应用范围大，但是校准器材浪费的标准气体，且日常维护工作量大。这激发了人们“把污染物含量直接在烟道或管道内监测”的想法。经过多年的努力，终于实现了这种方法。设计与生产了在线检测污染排放的新一代在线检测系统，现场检测系统CEMS,CEMS结构是由光谱仪上氘灯射出一束通过采样管并进入烟道的光，由于氘灯光对SO2，NOx等的吸收光谱特性不同，可测出他们的浓度。现场监测系统的出现，使系统的结构变得更为简单、紧凑，不需用标准气体去频繁标定仪器。这不仅是现代的连续排放监测的方法，还是目前准确的和具有代表性的气体和粒子分析仪。因为选用原理不同的方法，和抽取式测量原理不同，所以直接测量法不需要任抽取式探头装置和采样系统，能提供所有沿测量路径中气体和尘埃组成（从烟道的一侧到另一侧）更高的可靠性，准确性和比较有代表性的测量。外国制造商代表生病/麦哈克等。
2、数据采集处理系统
为了能对数据进行稳定的采集和处理，我们选用占用内存小且能对数据进行处理的WIN CE系统。该系统只有6M，但能对数据进行处理，且不会造成死机。各种参数传感器和采集卡将采集到信号通过232信号线传输到数据处理中心，这些数据通过软件和显示器显示出来。
3、数据监控中心
因为监测现场大部分都是一些高污染地区（比如：钢铁厂，水泥厂），用户很难及时了解现场污染情况。数据监控中心软件通过有线网或无线网，将数据直接传送到用户计算机上，用户无需去现场即可以查看实时数据，仪器运行状况和对数据下载存储。这种方法节省了大量人力物力，实现了实时在线监控功能。
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