气态污染物CEMS的技术方法对比分析
2008-07-23 15:21:401、现有气态污染物CEMS技术的研究对比
现有气态污染物CEMS有以下三种方法：
- In-situ，直接分析法；
- Extractive，即完全抽取法；
- Dilution，即稀释法。
以下分别对三种方法的工作特点进行详细分析，以利于推陈出新。
1) In-situ方式（称为直接分析法）的特点分析
一开始人们想到的方法就是利用SO2或NOX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（或烟囱），通过测量各自对应的光强衰减程度，根据朗伯-比尔（Lambert-Beer）原理可分析出污染物浓度。如图1所示，In-situ方式有A、B两种布置方式：单端式和跨烟道式。
图1A 单端式In-situ 方式布置示意图
图1B 跨烟道式In-situ 方式布置示意图
这两种In-situ方式相比，方式A易于安装，不需现场光学对准，方式B的测量更具代表性，这两种方式都曾一度流行。这两种方式均因为无法实现用标气进行在线标定而不再流行；以上两种方式不能实现在线标定的根源在于光束是直接裸露于烟道中，而标气要覆盖光束时，却无法充满烟道。为此，人们也想了不少代替标气的方法，如用过滤片、标气盒插入光程中等方法，这些替代方法对In-situ方式来讲是必须和有用的，但这些方式都不是充分的（如不能检查镜面是否被污染等）。实际上，这些标定方法不满足美国的规范，美国规范明确指出，气态污染物在线标校有三点特点：一是24小时一次，二是必须使用标气，三是必须全系统标校（不能有某个部分未经标气验证）。事实上，在99年之前，还没有任何一支In-situ方式经过美国EPA的认证。到2000年，英国Procal公司的Pulsi-200型通过了美国EPA的认证，Pulsi-200确有创新。它采用了图1A的单端安装模式，其突破在于它用烧结材料把原来的通烟气的开孔封闭起来（如图2），从而在标定时，用标气打入用烧结材料制成的封闭腔中，便可实现在线标定。该仪器于2000年通过了美国EPA的认证，从而身价也猛增（比认证前提价50%）。顺便说明一点，在全球CEMS界，人们普遍看中仪器是否通过美国EPA的认证，而不看中是否经过德国、英国的有关认证。因为美国EPA规范是最严格、最完整、最有效的。所以，本投标书在研究目标中特别提出要通过该项认证，对于863计划来讲，目标应该有这样的高度。
对于英国Procal公司的Pulsi-200型仪器，它虽然通过了美国EPA的认证，但它却没能通过中国国情的“认证”。经本公司与Procal讨论，发现Pulsi-200型存在一个特殊问题，就是烧结材料在高浓度的烟尘情况下，响应时间会逐渐变得很大（美国对该指标要求较宽），最终达到测量值几乎不再变化，原因是烧结材料被堵死了，烟气不再能渗透到封闭腔。这个堵死周期（在有每天反吹的情况下）一般在国外为半年左右，但在烟尘浓度为200mg/m3左右时，就大大缩短。
但无论如何，Procal公司的Pulsi-200型还是为In-situ方式开辟了新的前景和时代。同时，它还有另外一个优点，就是它可同时测量H2O、SO2、NO、NO2、CO五个以上组分。
2) Extractive方式（完全抽取法）的特点分析。
这种方式示意图如图3。
图3 完全抽取法工作示意图
其特点是把烟气从烟道抽取出来，送进分析仪进行分析（采用成熟的分析方法：红外吸收法），可测多组分。抽取过程分为两种：冷抽取和热抽取。冷、热两种抽取方法均需把样气进行加热，然后经过滤器滤除烟尘；冷抽取法还要快速冷却除水，再把常温的烟气送入分析仪分析，而热抽取则是把样气不除水，直接把高温烟气送入分析仪的光学腔内进行分析。现在市场上流行的多数为冷抽取法，如图3所示。
这种方法在实现在线标定时，只要把标气打入抽取探头的前端，然后，标气像烟气一样经过过滤、除水抽到分析仪，便实现完整的在线标定。这种标定方法可以检验出过滤、除水引起的故障或误差，同时也能检验管路是否泄漏（如图3中的泄漏点），属于完善的在线标定。图3中的标气打入位置是正确的，如果打入位置是在抽气泵后、分析仪前的话，就不是完整的系统标校，在美国是不许可的，但在某些国家是允许的。
完全抽取法通常要求3个月的人工定期维护，主要是前处理系统，如过滤、降水功能等需更换部件或清洗，在国内环境运行时，这个问题变得非常突出，以至不可忍受。
3) Dilution方式（稀释法）的特点分析
稀释法，也属于抽取法；但却不需要前处理系统。它采用干净的空气（把空气除尘、降露点）打入烟道，通过稀释探头与烟气混合再返回到分析仪，这种混合比例通常为100：1，干净的空气为100份，样气为1份进行混合。这时需要的烟气量非常小，可经过一个具有很小纳污能力的过滤组合除去烟尘即可，混合后的气体的含湿量、含尘量都大大降低，从而直接进入分析仪，更不需对管路加热。同时，管路来回全程均为正压，管路泄漏不影响测量。在线标定时，把标气或零气打入稀释探头的过滤组合前端，然后按同样的稀释装置稀释返回分析仪，从而实现全程标定。
稀释法又分内稀释和外稀释两种，内稀释法的稀释过程是在烟道内就完成（在探头内部）。外稀释法是把烟气抽出烟道外再稀释，在抽取过程中需加热保温。相对而言，内稀释法制造困难，需在极小的空间内完成稀释，而外稀释法的加工制造相对容易实现。市场上流行的绝大多数是内稀释法，探头在国外仅有荷兰的EPM公司生产，该公司不直接销售，全部与分析仪制造厂和CEMS集成商配套。该公司的探头结构如图4所示。
图4 稀释探头结构示意图
稀释法有着最好的连续工作性能，其核心特点是采样量小，通常在100ml/min以内。但它的缺点也很明显：稀释后样气浓度很低，要求配合的分析仪必须有非常高的分辨率，最低检出限要在PPb级别（不宜高于10PPb，即体积比为1亿分之一），因而只能采用大气分析仪，因为SO2、NOX大气分析仪通常有1PPb（10亿分之一）的检出能力。而常规的红外吸收分析仪的检出能力是1PPm（百万分之一）。
众所周知，SO2、NOX 、CO大气分析仪均采用了完全独特的原理：SO2用紫外荧光法，NOX用化学发光法，CO则用相关过滤法，不仅其本身价格昂贵（1万美元左右），而且不可能多组分分析，在多参数测量时，不可能有价格优势。
以上对比列表如下：（见表1）
表1 SO2、NOXCEMS方法对比
|
方法 |
稀释法 |
完全抽取法 |
直接分析法 |
| 特性 | |||
| 特征 | 稀释探头微量取样，配大气分析仪高灵敏度分析。 | 用热管加除尘、除水功能的预处理系统配合红外或紫外吸收法分析仪。 | 红外或紫外分析仪直接安放现场，光束直接进入烟道或烟囱，无需取样。 |
|
市场占有情况 |
使用最多，特别是在美国。 |
占有率不及稀释法，在德国、日本流行。 |
占有率很低，在英国、德国有使用。 |
|
价格 |
高 |
中 |
低 |
|
主要优点 |
1.采气量很小，连续时间长，适应面广。 |
1.对分析仪器要求低。 |
1.系统简单。 |
|
主要缺点 |
1.系统复杂。 |
1.维护量大。 |
1.难以实现在线标校。 |
本公司从94年就开始关注这三种技术的特性研究和发展动向，很早就注意到在国内高尘、高湿的运行环境下，完全抽取法和直接分析法是难以长期连续运行的，而稀释法则可以胜任国内的环境，就是系统造价昂贵（其中稀释探头1.3万美元；SO2分析仪1.0万美元；NOX分析仪器1.1万美元）。本公司已完整制造出了稀释探头，并取得了制造许可证，并对SO2紫外荧光分析进行了大量研究，目前尚处于样机试制阶段，探头控制器和零气系统也均实现了国产化，目前这套系统已成功在国内应用了二十套（年底将累计生产42套）。由于这套系统自身的复杂性，即使在SO2、NOX分析仪全部国产化之后，造价仍然在三种方式中是最高的。对于在国内大量中小型污染源的推广，还不是最理想的技术路线。
2、新的解决方案—微现法
实际上，本公司在最初研制气态污染物CEMS时就研究过是否采用一种全新的设计思路，它不同于上述三种方法中的任何一个，而是把三种方法优点的实质吃透，集三种方法优点于一身，同时避免各方法存在的缺点。当把三种方法吃透后发现存在这种可能性。
这种方法取名为：微量抽取现场分析法，简称为“微现法”。这种方法的思路来源于前述三种方法各自优点能否集于一身的想法，通过对稀释法的研究和实践，发现稀释法的灵魂是采气量小，仅是完全抽取法的几十分之一。完全抽取法的优点是原始浓度（浓度较高）测量，对应的分析方法成熟而易于实现，特别是采用红外吸收法，还可以测多组分。直接分析法的优势是在测量点（现场）直接测量，而不把样气抽到另外一地方，从而使系统简单。微量抽取现场分析法的整体路线就是利用上述三个优点来设计新的仪器,并已被中国专利局作为发明专利受理。
参考资料
[1] HJ/T75 -2001《火电厂烟气排放连续监测技术规范》
[2] HJ/T76-2001《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》
[3] James A.Jahnke An Operator’s Guide To Eliminatin Bias In CEM Systems EPA 430/R-94-016 Chapter 4 (November 1994)
[4] Continuous Emission Monitoring EPA 40CFR-Chapter 1-Part 75 (7-1-98 Edition)
[5] Continuous Emission Monitoring EPA 40CFR-Chapter 1-Part 75 (6-30-2001 Edition)
图2 Procal 公司 Pulsi-200型In-situ方式（封闭光学腔）
