环境监测在线分析技术：精准测量气态污染物

（1）气态污染物CEMS测量方式

气态污染物CEMS测量按照采样和测量方式划分可分为完全抽取方式、稀释抽取方式和直接测量方式3类。其中，完全抽取方式又分为冷干方式和热湿方式；稀释抽取方式又分为烟道内稀释法和烟道外稀释法；直接测量方式又分为点测量法和线测量法或者是内置式和外置式。详细的系统结构分类如图1.1所示。

图1.1　气态污染物CEMS按结构分类

1）完全抽取式CEMS

完全抽取式CEMS是指直接从烟囱或烟道内抽取烟气，经过适当的预处理后将烟气送入分析仪进行检测的CEMS系统。

完全抽取法又可分为冷干抽取法和热湿抽取法。所谓冷干法和热湿法，是针对样气预处理步骤而言。烟气经抽取后全过程不除湿（保持烟气在露点温度以上），分析仪直接分析热湿态样气，称为热湿抽取法；样气在进入分析仪之前经冷却除湿系统除去水分变成干态后再分析则称为冷干抽取法。冷干抽取法给出的烟气浓度为干基值，热湿抽取法给出的烟气浓度为湿基值。由于我国排放标准以干基浓度计，所以我国安装的CEMS以冷干直接抽取法居多。冷干法又可分为后处理式和前处理式两种方式。后处理式需要对采样探头和传输管路加热，保证样气在输送过程中不会因传输管道温度低于采样气体露点温度而结露，然后在进入分析仪前再除去水分；前处理式即在烟气一抽出烟道就应用制冷技术或化学反应除水技术除去烟气中的水分，使采样气体成为干烟气，这样就可以不考虑加热传输的问题，但是探头部分变得比较复杂。

经典的冷干式直接抽取法（后处理式）CEMS基本流程：通过具有加热装置的烟尘过滤器将样气采集至加热输气管线，在分析小屋内通过两级冷凝脱水后，经过细过滤器进入分析仪，对烟气成分和浓度进行分析。其基本结构包括采样探头、采样伴热管、过滤器、除湿器、采样泵、气体分析仪及辅助单元。

热湿式系统由取样系统和高温分析仪组成。取样系统包括带加热过滤器的高温取样探头，高温条件运行的测量/反吹/校准阀组和伴热取样管线。系统机柜内组装有高温测量系统，包括使用高温测量气室及检测器的分析仪、高温取样泵、高温流量计和加热样气传输管线。

2）稀释抽取式CEMS

稀释抽取式CEMS是指使用洁净的空气对烟气样品进行一定比例稀释后再使用气体分析仪进行分析并取得数据，之后将所得数据乘以稀释倍数来得出实际样品浓度的CEMS系统。稀释法是将空气监测移植到烟气监测的技术。

稀释法CEMS最关键的技术在于稀释取样探头，它包括临界小孔（Critical Orifice）、文丘里管（Venturi）和喷嘴（Nozzle），其主要作用是将样气精确地按比例稀释。根据稀释探头在烟道内和烟道外，又可将稀释抽取法分为烟道内稀释法和烟道外稀释法。稀释探头在烟气混合稀释之前应对烟气进行过滤以去除颗粒物。为补偿样气和标气温度波动对稀释比的影响，有些稀释探头在前段还装有加热装置，以确保样气和标气以基本恒定的温度通过音速喷嘴。

典型稀释法CEMS基本结构由稀释取样探头、稀释气处理单元、取样管线、气体分析仪、稀释探头控制器等组成。(www.xing528.com)

3）直接测量式CEMS

直接测量式CEMS是指利用直接安装在烟道内的传感器或穿过烟道的特殊光束，无须对被测成分进行采样和预处理而直接测定烟气中污染物浓度的CEMS系统。直接测量式又称In-situ式、原位式或直插式，是一种结构相对比较简单的CEMS技术。

直接测量式CEMS按测量范围分一般分为两类：一类是直接在烟道中测量的传感器或发射一束光穿过烟道，利用烟气的特征吸收光谱进行气态污染物的分析测量，一般概念上的直接测量式CEMS即是指这种系统；另一类是指使用电化学或光电传感器，传感器安装在探头的端部，探头插入烟道，测量较小范围内烟气中污染物的浓度，相当于点测量，氧化锆法测氧仪、阻容法湿度仪都属于这种方式。

根据仪器的构造和测量点的位置不同，直接测量式CEMS可分为内置式和外置式；根据光源发射和接收段的位置和光线是否两次穿过被测烟气可分为双光程和单光程。直接测量法CEMS有采用探头和光谱仪紧凑相连的一体式结构，也有将探头和光谱仪分开的分体式结构，探头和光谱仪之间采用光纤进行光信号传输。

（2）气态污染物CEMS测量技术

气态污染物除了常规监测的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx），还有一些特殊行业排放的气态污染物，如垃圾焚烧厂需要监测氯化氢、氟化氢，近年来受到更多关注的气态汞、温室气体二氧化碳、挥发性有机物（VOCs）等。

SO2和NOx测量技术目前以光学技术为主，分为红外光谱、紫外光谱和荧光光谱3种类型。SO2和NOx等许多其他气体吸收红外光和紫外光（例如：SO2吸收7 300 nm、NO吸收5 300 nm的红外光；SO2吸收280～320 nm、NOx吸收195～225 nm的紫外光），利用污染物分子吸收特征波长光的特点，根据朗伯-比尔定律，能够检测出不同种类的污染物含量。

常用的检测方法有非分散红外（Non Dispersive Infrared，NDIR）、Luft检测器、红外光声法（Photo-Acoustic Spectroscopy，PAS）测量法、气体过滤相关（Gas Filter Correlation，GFC）、傅里叶变换（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）、紫外差分吸收光谱法（DOAS）、非分散紫外（Non Dispersive Ultraviolet，NDUV）、紫外荧光法和化学发光法。

卤化氢气体指HCl、HF等，垃圾焚烧厂都需监测HCl、HF。通常除了可以采用光学法测量技术外，也可采用可调谐二极管激光技术来测量。激光二极管的光通过被测量气体后被光二极管检测，激光二极管的波长可调谐成被测气体的吸收波长，此光被调谐波长调制，并由光二极管把透过光信号记录下来，由计算单元计算吸收光信号的大小并得到被测气体的浓度。此方法称为可调谐二极管激光光谱（TDLS）法，也可称为可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）法。

烟气中汞的监测近年受到越来越多的关注。汞CEMS分为在线自动监测法和半自动方式的吸附管监测法两种方法。其中，在线自动监测法依照采样方法的不同，可分为稀释采样法、直接采样法和直接测量法3种。燃煤电厂多采用稀释采样和直接采样法，垃圾焚烧多采用直接采样法和直接测量法。为提高检测灵敏度，汞CEMS可采用金汞齐富集方式对样气进行预处理。汞CEMS主要采用的分析方法有冷原子吸收光谱法、塞曼分光冷原子吸收光谱法、原子荧光光谱法和紫外差分吸收光谱法等。

近年来，远距离利用红外扫描有毒气体及云团进行遥测的设备，也应用到了污染源监测上。其原理基于被动傅里叶红外技术，通过光学和红外成像系统获得被测区域的视频图像，再定性识别污染物，同时对污染物浓度、浓度梯度、扩散范围进行直观分析。