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1 绪论
1.1 论文的研究背景与意义
随着全球工业化和城市化的迅猛发展，人类在开发自然资源得到巨大财富的同时，对环境造成了很大的破坏，温室气体的排放以及大量的工业废气的产生使人类的生存环境遭到严重的破坏，并越来越成为制约经济和社会可持续发展的重要因素。
我国使用的主要能源是煤炭燃料，所以大气污染以煤烟型污染为主。主要是二氧化硫及氮氧化合物，而二氧化硫正是形成酸雨的主要原因，酸雨对我国经济和社会发展带来了极大的危害，我国政府高度重视酸雨的控制工作，通过控制污染物排放总量来防止酸雨的产生。
火力发电厂是污染大气环境的大型工业企业之一。限制火电厂的污染物排放对环境保护具有重要意义，对火电厂的烟气排放的监测是首先需要解决的问题。
烟气排放监测系统，是监测烟气污染物排放的现代化手段，可连续监测污染物二氧化硫、烟尘等排放浓度和排放总量，本系统是集光电子、空气动力学、电子技术、特种技术、计算机网络等多种科技于一身的综合性科技产品，其具有连续监测、定期统计、远程通讯等特点，能将运行现场的监测数据实时传输给环境监测部门，为我国污染物排放总量控制计划及酸雨控制计划的实施提供强有力的保障，并为排污收费制度的实施提供科学的定量依据。烟气排放监测系统的研究与发展能为国家环境监测部门提供有效的监控手段。
1.2 烟气排放监测技术的发展
烟气排放监测系统与以往的监测技术相比，最大的特点在于在线连续测量的优势。由于是在烟气排放的过程中直接测量，并对测量结果进行传输或存储，因而具有数据实时性、准确性高、数据便于传输与处理等优势。目前我国烟气排放监测系统的典型结构如图1.1所示，系统分为：样气采集与分析子程序、吹扫与标定子系统、数据采集与控制子系统和数据处理与通讯系统四大部分。
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固定污染源 烟尘监测子系统 烟尘测量仪 气态污染物监测子系统 烟气参数测量子系统 数据采集与控制系统 数据处理与远程通讯系统 固定源监控系统环保监测中心
图1.1 系统构成图
烟气排放监测系统按取样方式可分为3类：采样式、在线式和遥测监测系统： （1）采样式从烟道中抽取样气送至远处进行调节和分析。采样方法有直接采样法和稀释采样法。直接采样法师把分析部件安装在烟道上，结构简单，无需管线。其主要缺点是仪器工作环境恶劣，维修不便，同时差分吸收无法实现在线校准，测量精度低，难以长期连续工作。稀释采样法是将除尘后的取样烟气用大量的干燥纯净空气按一定比例稀释后，使样气的露点温度远低于室温，再送至分析器进行分析，分析结果乘以稀释比，得到检测值，优点是杜绝了酸性凝结水腐蚀管道引起的故障，提高了系统的运行可靠性，适用于各种场合，市场占有率较大。
（2）在线式取样方式不抽取烟气，而是直接测量烟道中的烟气成分。分为“点”和“线”系统。“点”监测系统由电化学或光电传感器组成，传感器安装在探头的端部，插入烟道，测量超过离传感器仅几厘米范围内烟气中污染物的浓度。“线”监测系统是使光通过烟气，利用烟气中被测污染物对光的吸收来进行测量。
（3）遥感监测系统
遥感监测系统在自然灾害预报、气象、农业、勘探、生态环境监测等领域得到了广泛应用。遥测监测系统仅仅是向烟道发射光或感知烟道排放“热”分子的光辐射就能监测排放污染物的浓度。美国EPA制定了用激光测量烟气不透明度的参比方法，但是由于缺乏遥感监测系统测量气体浓度的参比方法和标准化得规范操作程序，遥感监测系统发展缓慢。
采样式烟气排放检测系统应用之所以广泛，因为比其他二种结构的系统相比具有以下
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优点：
1.能长距离输送气体，实现远距离检测。由于烟气排放口处附近测试条件恶劣，温度高，温度和压力波动明显、烟气腐蚀性强、烟尘浓度高等因数使得仪器仪表难以长时间可靠工作。采样式结构的采样管长度一般在几十米，结合专用的隔离措施可以有效提高设备工作的可靠性。
2.维护，保养工作量小。采样部分只抽取少量的烟气并用洁净空气加以稀释，所以送往分析部分的烟气含量和水蒸气含量都很低，降低了系统前期除尘、过滤的工作量，只需要具有很小纳污能力的过滤器即可；反吹系统利用样气分析的时间定时用高压气体反吹采样管，降低采样管积尘过量的概率，不需人工的定期清扫； 1.2.2 国内外研究的现状
60年代人们尝试把环境空气分析仪和工业过程监控仪用于污染源排放物的监测。山于当时制作的烟气稀释系统的稳定性差，环境空气分析仪在污染源排放物监测中的应用是不成功的，但是工业过程监控仪适合于污染源排放物的监测，特别是紫外吸收和红外吸收原理的监狈J仪。60年代末期至70年代初期，德国和美国成功地研制、生产、发展了监测系统，重新设计了测量高浓度气体的环境分析仪和不用抽样品而是将探头直接插入烟道测量烟气的现场分析仪，并不断对仪器进行改进。在这些测试技术中，德国的不透明度光学系统和美国的荧光检测技术，为实现烟气连续监测奠定了技术基础。
一开始人们想到的方法就是利用二氧化硫或氮氧化合物等污染因子对红外光或紫外光的特征吸收，光线经不同波段的滤光片直接射入烟道，通过测量各自对应的光强衰减程度，根据郎伯-比尔原理可分析出污染物浓度，这种方法称作IN-situ方式。
光束 烟气直通孔 分析仪 反射镜 数据线 法兰 烟气
图1.2单端式IN-situ方式布置示意图
这位种方式曾一度流行，后均因无法实现用标气进行在线标定而不再流行。因不能实
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现在线标定的根源在于光束是直接裸露于烟道中，而标气要覆盖光速时，却无法充满烟道。
在美国，第一台连续排放监测系统出现于1971年。但是直到1975年末，连续排放监测系统制造工业仍停止不前。直到美国国家环境保护局制定了连续排放监测系统性能的技术指标，并规定在某些排放源安装连续排放监测系统后，连续排放监测系统才逐渐的越来越广泛得到应用[2]。以美国为代表的西方发达国家，为控制大气污染物的排放总量，自80年代中期就开始大量安装CEMS系统，用于及时监测大气污染物的排放总量。
长期以来，我国烟气排放监测主要应用常规的分析方法，如重量法、容量法、比色法等，几乎没有任何在线监测仪器。测定烟气中的污染物的常规方法是将采样头插入烟道，抽取样品，然后在实验室中对样品进行分析。尽管手工采样方法是经典的方法，但是它消耗时间长，不能提供长期的、连续的、系统的测试数据[2,9,10]。70年代初期人们认识到，需要一种比手工采样更方便、更快捷的方法来准确测定烟气中的污染物，即使用连续监测系统。
由于技术方面的原因，国内仪器厂家大部分只能生产电化学方式的非连续性的烟气成分测量装置，而对于采用稀释法等先进方法的在线烟气测量装置还不能独立生产，部分可提供此类产品的厂家也只是代理国外产品而已。90年代初，我国部分环境科研单位开始研制烟气连续监测装置。如南京环境科学研究所研制的JYZ- I型烟气浊度在线监测仪，太原中绿环保新技术公司生产的TGH-Y I型烟气自动监测仪，都只是在线式烟尘连续监测装置，对于二氧化硫 ；氮氧化物等气体连续监测的产品还在开发中[14,16]。目前国内CEMS系统中使用的分析仪器主要是美国 KVB公司和热电子公司的产品，软硬件价格昂贵，可扩展性较差。
1.2.3 我国火电厂检测现状分析
火电厂在电力生产中占主导地位，也是污染大气环境的大型工业污染源，有效限制火电厂污染物排放无疑具有重大意义。为此国家环境保护局和原电力部陆续修改、补充、制定和颁布了一系列法规和标准，对火电厂环境保护设计和污染物的排放作了明确的规定。1997年1月1日正式实施的由国家环保局、国家技术监督局颁布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-96)明确规定，新、扩、改建的火电厂应装设烟尘连续监测装置；在酸雨控制区和二氧化硫污染控制区内的火电厂和其它地区建成有烟气脱硫设施的火电厂应装设二氧化硫连续监测装置，300MW以上机组应装设氮氧化物连续监测装置，第Ⅱ时段火电厂应逐步实现连续监测。同时指出污染物连续监测装置经认定合格时，其监测数据为法定监测数据[5]。
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1986年，广东沙角发电厂从日本引进了一套烟气连续监测系统，这是在我国火电厂安装使用的第一套烟气连续监测系统。90年代初我国引进的烟气连续监测系统大多安装在合资、外商独资及华能系统的电厂，而且一般是随进口锅炉或主机一同引入的。近几年来，由于国家强制性排放标准GB13223-1996的颁布实施和国家环保局二氧化硫控制区及征收二氧化硫排污费等政策的出台，安装烟气连续监测系统的电厂增长较快，但只有少数几个电厂的CEMS系统能正常投运。我国部分环境科研单位也开始研制CEMS装置，由于起步晚和一些关键部件的技术含量高,大部分分析仪器仍是靠从国外进口。
由于目前国内的CEMS市场占有率仍以国外品牌为主，在设备采购、安装调试、运行维护、人员培训、监督管理等方面都存在问题，主要表现在[3,7]：
(1)设备无认证：引进的CEMS基本是随机组配套进来的，未经我国环保和电力系统的技术认证，这样各种类型的CEMS都有，各种类型的CEMS的监测数据相互之间可比性差。而且由于没有建立入网许可证制度，部分国外厂商销售不符合我国标准和电力行业特点的CEMS，甚至是早期的现已被淘汰的产品。
(2)安装无技术标准：引进的CEMS安装主要依赖于提供设备的厂家。我国无技术标准要求，因而安装位置不符合我国环保技术要求和相应的标准，监测数据也不能正确反映火电厂实际排放状况。
(3)运行维护管理制度不够完善：绝大多数电厂CEMS运行管理制度不完善。由于CEMS是近年来引进的先进环保监测仪器，对运行操作人员的要求较高，只有具备一定素质的专业技术人员才可保证仪器的正常运行和维护。目前有许多电厂没有CEMS运行与管理人员，而是由其它部门人员兼管，导致有时系统出现一些小问题也不能得到及时维修。
(4)监督管理不完善：各火电厂的CEMS的数据统计和处理是以各电厂为单元进行的，环保部门只能通过报表方式来监督，无法随时掌握各电厂的CEMS运行情况及烟气污染物的排放状况。应将各省的CEMS的数据处理器进行联网，建立全电网的烟气连续监测网络信息系统。
1.3 本系统技术的发展趋势
从文献的调查结果来看，烟气排放检测系统的发展趋势主要表现在以下几个方面： （1）新的采样方式的研究。本系统自身特点决定其标定必须是在线标定，这就要求采样系统和标定系统采用同一个通道：仅就目前技术来看，Dilution方式最适合的采样方式，但是由于稀释后的样气浓度很低，对分析系统的精确度提出了很高的要求，造成系统成本过高，且难以实现多组分测量，限制了其推广。因此，研究新的样气采集和在线标定方式
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