煙氣在線監測系統有煙氣在線監測儀、測量子系統、數據處理和采集系統、中心站數據處理系統軟件等組成。在現場進行直接采樣，測量出排放氣體中污染物濃度，并且測出排放氣體中壓力、流速、溫度等參數，通過信號的轉換，將模擬信號轉換為數字信號后，發送到數據采集處理系統進行數據處理和運算。然后就可以得到污染物排放率和排放量，監測、存儲煙氣數據；同時通過網絡把這些參數傳輸到企業和環保部門，達到實時在線監測多種污染氣體的效果。

一、測量原理  

物質對電磁輻射具有吸收作用，這種現象稱之為吸收光譜，和物質的吸收特性及輻射能量有關。所以說，不同物質對于輻射的吸收是有選擇性的，每一種物質都有各自的特征吸收光譜，不同的氣體對光的也有不同的吸收光譜。利用物質吸收譜分析方法可以同時測定多種污染氣體的濃度。

1、光吸收定律  光吸收定律，是研究光吸收的最基本定律。即比爾—朗伯定律：第一條定律是朗伯在十八世紀七十年代發現的，他提出入射光被物質吸收了多少與樣本介質的厚度有關【2】；第二條定律是比耳在十九世紀五十年代提出的，他提出入射光被物質吸收了多少與樣本濃度有關，我們稱為比耳定律【3】。這兩條定律合稱為比爾—朗伯定律，即光的吸收定律。綜合上述兩條定律，可知：當我們測量的濃度和厚度是可變的，我們必須考慮物質濃度C對吸光度A的影響。

(1)是朗伯-比耳定律的數學式。上式結果表明：I0為定值，當入射光強It一定時，A與CL成正比。它是分光度分析法的依據和基礎。上式中K為比例常數,它的值取決于物質的性質、溫度及入射光的波長。  

如果在一個特定的波長下，測量物質中包含著各種各樣的光吸收材料，我們在計算被測物質對該波長光的總吸收度時，應該等于該介質各成分對光的吸收度之和。即吸光度具有加合性。

2、差分吸收光譜法原理  

DOAS是光學差分吸收光譜法（英文名：Differential Optical Absorption Spectroscopy）【4】 。該項技術源于上世紀八十年代德國Platt教授提出的差分吸收光譜法，在測定大氣中污染氣體濃度中廣泛運用，并在環境監測領域得到了迅猛的發展。DOAS主要優點是測定物質絕對濃度時不會被物質本身的化學性質所干擾；可以通過分析幾種氣體在同一波段的重疊吸收光譜，來同時測定幾種氣體的濃度。  差分吸收光譜法在比爾—朗伯定律上研究出來的。強度為) (0?I的光由發射源發出并打到被檢測打的煙氣上，因為發射光受到不同成分氣體的吸收與散射，射出來的光強衰減，并記為)(?I，并由下式確定：

式中，in是第i種氣體的濃度，而??i??是吸收截面，和波長相關；??Rk???Mk?分 別是氣體分子和煙霧粒子Mile的散射系數，D是光學路徑長度。  由SO2、NOx等氣體的吸收譜線可以發現：紫外光譜中因為含有很多因為分子振轉能級不同造成精細度改變，通過這種精細改變我們可以計算煙氣濃度。在對煙氣濃度計算時，我們將式（2）分為兩部分：在分析和計算，公式（2）分為兩個部分：快速和慢速的部分。定義如下：

上式中，??,diffi??和?? diffI?分別是差分吸收的快變吸收系數，快變吸收光強，而??0,i??和??0I??是差分吸收的慢變吸收系數和慢變入射光強。  

在粒徑較小，由于瑞利散射和Mie散射的影響只有慢變化部分的吸收光譜，只考慮 吸收光譜的快變部分可以避免瑞利和Mie散射對濃度計算的影響。因此表達式（2）可寫為：

分析過程如下一些常見的污染氣體吸收截面主如圖2-1所示，然后選擇特征頻帶進行測量計算就可以得到煙氣濃度。幾種納米測量表2-1所列的中心波長的吸收光譜，與標準的光譜對比，我們可以獲得被測氣體的濃度。如果要增加檢測氣體的種類，將污染標準氣體吸收譜輸入數據庫進行替換就行了，而不需要更新軟件。

依照以上的原理，可以得到的紫外光譜，如圖2-2（A），顯示的測量譜線，橫坐標和縱坐標分別是波長和光譜值，圖（A）中有各種影響條件，例如：被測氣體分子吸收的影響，灰塵顆粒和陽光的光：在一些氣體成分污染氣體和光源強度會隨著時間慢慢改變，這對測量結果的影響和準確性。我們將所測得的原始光譜(A)和(B)相減得到各種現實因素（C）。其它包含兩個不同的頻率成分，就是R線的快變和S線的慢化。根據分子光譜特性曲線，s曲線由其他因素產生的（例灰塵或其他顆粒），因此，我們可以用數學的方法去除S曲線，只剩下包含各種氣體分子吸收光譜(E)。在圖的一端（D）線，我們使用單分子已知光譜組。如：圖(E)、圖(F)，將他們進行累加結果為圖(G)。

最后我們計算出被測氣體的種類XN，濃度Kn。在實際的模擬中，計算機仿真軟件，將測量結果的基礎上確定多少單分子線最適合最佳擬合實驗工作。因為存在采樣的精度和計算誤差，使得測量譜線的Z和模擬譜線X之間總是存在誤差 X，這樣，從分析方法來講怎樣將誤差控制在測量精度要求的范圍內是紫外差分法的關鍵。  

以上可以看出，紫外差分法可同時監測各種污染氣體，且具有以下優點： 

粉塵干擾：通過緩慢改變消除干擾，沒有對結果造成影響。 

儀器老化：衰老緩慢變化的淘汰，沒有對結果造成影響。   

交叉干擾：可監測煙氣中不同氣體濃度，沒有交叉干擾的問題。 

光路污染：通過緩慢改變消除，沒有對結果造成影響。

3、顆粒物的測量原理  

通過比爾定律，選用不透明度法，就是將單色且平行的光射入污染物氣體中時，由于分子對光的吸收和散射，期光強會變小。

二、煙氣在線監測系統的總體方案分析  

煙氣CEMS由顆粒物和氣態污染物、煙氣參數測定子系統構成。經過采樣或非采樣，測定污染氣體的濃度，實時監測煙氣中溫度、流速、流量等參數；通過計算計算出污染氣體的排放量；顯示儲存各種參數，同時通過軟件和網絡系統將數據傳輸到企業和環保部門。

煙氣CEMS功能是測定污染氣體中不同種類氣體的濃度；顆粒物CEMS主要功能是測定煙塵中顆粒物濃度；氣態參數CEMS功能是測定流速、濕度等，用于對相關氣體濃度的計算；數據采集系統和處理數據處理系統采集各項實時數據，計算出不同濃度對應的干基、濕基及折算濃度；計算出不同時間段污染氣體排放量并把參數傳送至環保部門和企業。  

按照煙氣在線系統構成可以把煙氣CEMS分為現場測量系統，數據處理系統，數據監控系統。

1、現場測量系統  

現場測量系統包括顆粒物CEMS , 煙氣參數CEMS，氣態污染物CEMS。 

① 顆粒物CEMS技術介紹  

用β射線法和光學監控方法的粒子，并根據光學方法可以分為不透明度和背散射法。 

β射線法原理是β射線穿過材料的強度衰減，衰減的強度與物質的質量成比例。該法不受樣品顏色大小及原子量影響，可直接測量煙塵質量濃度，與重量法相關性好。但是如果煙氣中有水分的話容易造成測量誤差，同時封閉不好還會產生誤差；由于現場環境質量差，不適合長期連續監測。  

光學法包括不透明度法和背散射法:不透明度法運用同樣速度進行采樣并稱重從而計算煙塵的質量，然后用光不透明度構建對應關系，大部分情況下是線性關系。這種方法的好處是范圍廣，量程在0 ~ 10000mg／m3，進行實時監測。這種方法靈敏度低，更適合測量一些顆粒尺寸較大，高濃度的化工企業；不同直徑的塵埃粒子透射率不同，需要對他們進行校準；同時，需要對角反鏡進行定期的清洗與維護。  

背散射法是當一束光射到煙道內，煙塵粒子會使光發生散射，散射光與入射光形成一定角度。同時散射光被該夾角的接收機接收，光強度和煙塵質量符合比爾-朗伯定律。這種方法靈敏度較高，適用于對粉塵濃度較低的場所進行監控，而不適用于比如煤燃料這種工作狀態不穩定的場所；同時還需要作相關校準。

② 煙氣參數測量子系統  

這部分主要測量煙氣的溫度，壓力，流速，濕度，氧量；其中，這些煙氣參數通過對應的變速器進行信號采集，然后將采集的模擬信號通過232信號線傳輸到相對應的測量儀上，測量儀經過A-D轉換計算出這些參數。例如：測量煙氣中的氧量，煙氣經過氧量變速器（在氧化鋯頭），變速器上的信號采集器將采集的模擬信號通過232線傳輸到氧測量儀（即氧化鋯表頭），經過處理后顯示在儀表上。

③ 氣態污染物CEMS系統  

氣態污染物CEMS系統可根據三種不同的測量方法進行分別研究。  

a.直接抽取式（加熱管法）  這是一個舊的系統技術，包括從煙道通過探針取樣，煙氣除塵，由一定長度的絕緣裝置加熱管采樣，經過精細除塵，除濕等預處理后，最終進入分析儀。直接提取監測系統面臨的問題：測量前必須脫除煙氣中的顆粒，大部分采取三級過濾；從而避免了煙氣在進入分析儀前，煙氣中的比較高水份在管內壁冷凝，迅速消除了煙氣中的水份；冷卻氣體在5 ~ 40℃溫度。這個步驟要需要電磁閥、蠕動泵、加熱管等裝置，同時還需要傳輸和調節氣體所必須的部件。這些零件必需要定期保養，維修，排除故障，更換探針固定過濾器，以防止管道泄漏等。該方法被廣泛應用，尤其是在日本，但該技術存在先天性缺陷，就是采樣氣體很難在取樣煙道內保持原有的狀態運到分析儀，尤其是酸性氣體，如HCL、SO2、NO2等。

b. 稀釋抽取式（稀釋法）  

把污染氣體用特定的配比進行稀釋，把處理后的污染氣體煙氣送進分析儀。因為對煙氣采取了較大比例的稀釋（如陪比200:1）。同時探頭頂部的尖嘴口會產生壓力差值，即靜壓和動壓。所以氣體稀釋露點下降，不需要加熱管，解決了氣體傳輸問題的分析。但這種方法很難控制稀釋比例，由于設計，稀釋探頭生產是困難的，一般采用進口。 

c. 直接測量法   

雖然抽取式方法應用范圍廣泛、普遍性高，但仍有一些固有缺點，如管道長，且易老化，從而導致滲漏，加熱線容易斷，污染氣體中的水汽凝結，由于管道老化會導致漏氣、加熱絲斷，煙氣中水分冷凝，導致稀釋比例變化 。雖然抽取式應用范圍大，但是校準器材浪費巨大的標準氣體，且日常維護工作量大。這激發了人們“把污染物含量直接在煙道或管道內監測”的想法。經過多年的努力，終于實現了這種方法。設計與生產了在線檢測污染排放的新一代在線檢測系統，現場檢測系統CEMS,CEMS結構是由光譜儀上氘燈射出一束通過采樣管并進入煙道的光，由于氘燈光對SO2，NOx等的吸收光譜特性不同，可測出他們的濃度。現場監測系統的出現，使系統的結構變得更為簡單、緊湊，不需用標準氣體去頻繁標定儀器。這不僅是最現代的連續排放監測的方法，還是目前最準確的和具有代表性的氣體和粒子分析儀。因為選用原理不同的方法，和抽取式測量原理不同，所以直接測量法不需要任抽取式探頭裝置和采樣系統，能提供所有沿測量路徑中氣體和塵埃組成（從煙道的一側到另一側）更高的可靠性，準確性和比較有代表性的測量。外國制造商代表生病/麥哈克等。

2、數據采集處理系統  

為了能對數據進行高效穩定的采集和處理，我們選用占用內存小且能對數據進行高效處理的WIN CE系統。該系統只有6M，但能對數據進行高效處理，且不會造成死機。各種參數傳感器和采集卡將采集到信號通過232信號線傳輸到數據處理中心，這些數據通過軟件和顯示器顯示出來。

3、數據監控中心  

因為監測現場大部分都是一些高污染地區（比如：鋼鐵廠，水泥廠），用戶很難及時了解現場污染情況。數據監控中心軟件通過有線網或無線網，將數據直接傳送到用戶計算機上，用戶無需去現場即可以查看實時數據，儀器運行狀況和對數據下載存儲。這種方法節省了大量人力物力，實現了實時在線監控功能。