第二章 稀释抽取式CEMS

第二章稀释式CEMS稀释抽取式系统是在采样探头顶部通过一个音速小孔进行采样，并用干燥的仪表空气在探头内部进行稀释，然后将稀释后的样品气体送入分析仪器进行分析（分析流程见图）。

由于样品气体进入分析仪之前未经过除湿，因此稀释抽取式CEMS的测量结果为湿基浓度。

直接抽取系统主要问题之一是要过滤和调节处理大量的烟气。

采用稀释系统在最大程度上避免了这样的问题。

气体能够以很低的流量进入稀释系统的探头，有时比直接抽取系统的进气量低两个数量级（如20~50mL对2~5L）。

这意味着只有少许的湿气要除去和少许的颗粒物要过滤。

由于气流速度低，颗粒物基本上随烟气流动而不是进入探头。

烟气经稀释系统稀释后进入环境空气分析仪进行测定，多年运行环境空气分析仪和环境空气监测网络为操作稀释系统CEMS提供了丰富的经验，如果分析仪器发生故障，因CEMS 的分析仪可以环境空气分析仪互换，备件互用，为排除故障赢得了时间。

熟悉环境空气分析仪的操作和维护的技术人员不需要再进行专门的培训就能够运行稀释系统CEMS。

稀释系统有两种：⑴在探头内稀释烟气，用不加热的采样管把样品气体引入分析仪；⑵在烟道外稀释烟气。

如果在紧靠烟道外稀释，可以用不加热的采样管输送烟气到分析仪器；当在远离烟道的CEMS机柜前稀释时，必须用加热的采样管。

稀释系统监测的是湿基气体中的污染物。

将湿基气体中的污染物浓度乘以湿基气体体积就得到污染物的排放率（kg/h），不需要测定烟气中水分的含量。

稀释系统的主要特点：①抽气量少，提高了过滤器的使用时间，减少维护工作量；②在正压下输送气体，管路泄漏对测定影响较小；③稀释减少了湿气含量，使烟气的露点下降到-29~-40℃，不需要加热采样管和冷却器；④能够将高浓度气体稀释到分析仪器适宜的浓度测量范围内；⑤多根聚四氟乙烯管捆扎在一起，结构紧凑，能够在线校准零点和校准上标，校准上标时用标准气体量少；⑥能加热采样探头防止水汽冷凝溶解可溶性气体；⑦当稀释探头中有两个限流孔（目前有这样的设计）时，可以根据需要选择不同的稀释比。

第一节稀释采样系统一、稀释比1. 稀释比计算公式221 Q QQ R +=式中，Q1—稀释空气流量，L/min；Q2—样品气体流量，L/min。

2. 确定稀释比必须满足的两个原则：（1）使用的监测仪的测量范围应当与实际抽取的样品的预计浓度（稀释后）一致。

例如，预计烟气中SO2最大浓度为560mg/L，SO2监测仪的测量范围为0~10 mg/L，因此稀释比确定为560÷10=56:1（2）应取得以下系统常数：最低环境温度、实际烟气的水蒸汽%含量最大值。

例如，最低环境温度为一5℃，实际烟气的水蒸汽百分含量为24%，求稀释比。

查表可知，在-5℃，1×105Pa时水蒸汽百分含量为0.396。

则稀释比为24%/0.396=61:1 应当选择上述两个规则得到的最大稀释比来满足分析仪器。

二、稀释原理音速临界小孔采用耐热玻璃和陶瓷材质，小孔前端有石英过滤棉过滤，并经过陶瓷孔板到达小孔。

小孔的长度远远小于孔径，当小孔两端的压力差大于0.46倍以上时，气体流经小孔的速度与小孔两端的压力变化基本无关，而是取决于气体分子流经小孔时的振动速度，即产生恒流。

实验室实验表明：当稀释探头的真空度大于13 in Hg (约合44kPa )时，在绝大多数烟道条件下都能满足音速小孔的恒流条件。

三、采样探头1. 烟道内稀释探头在稀释探头处把烟气稀释到露点低于采样地区最低环境温度，CEMS就可以不用加热采样管，从而简化了气体传输系统。

在探头内设计一个临界限流孔和射流泵的稀释探头应用最广泛和最成功。

如图所示，这种设计独特和结构新颖的探头首先在荷兰研究成功（Bergshoeff和Van Ijssel,1978）。

现在由EMP公司生产，是众所周知的“EMP探头”。

在探头中，通过射流泵气体流量为1～10L/min，通过临界限流孔（由玻璃拉制成一个小孔，如图所示）的样品气体流量为20～500mL/min，玻璃临界限流孔得到临界流量的条件是文丘里管喉部的绝对压力与烟道静压的比小于或等于0.53，稀释比有下列公式计算：221 Q QQ R +=式中，Q1—稀释空气流量，L/min；Q2—样品气体流量，L/min。

分析仪器响应值乘以稀释倍数或者按起初校准的倍数调节就可以将环境空气分析仪器得到的数据转换成烟道内气体的原始浓度。

稀释探头典型的稀释比范围从50:1～300:1。

应用最为广泛的稀释比为100:1，随着稀释探头稀释比的不同，样品气体的流量为20～500Ml/min。

确定稀释系统的稀释比原则：①分析仪器的量程范围应当与稀释样品气体的浓度相匹配，比如分析仪的最低测量范围是0～5ppm，二烟气中被测污染物正常的排放浓度为60ppm，按照100:1稀释倍数稀释后，被测污染物浓度为0.6ppm位于分析器测量范围的低端，该端的灵敏度很低。

如果在该端仪器漂移或噪声高时，CEMS系统要通过相对准确的检测会很困难。

②选择的稀释比必须保证在安装地区可能出现的最低环境温度下在样品管路中不会发生冷凝，如热湿的饱和烟气应当选择高的稀释比。

虽然稀释系统得到了成功的应用，但是并不能解决抽取采样遇到的所有问题。

遇到湿气、块状物和粘结的颗粒物时，尽管抽气流速很低，仍然有可能堵塞探头。

当稀释探头安装在湿式净化装置后时，由于烟气带有水滴，经验表明测量气体会遇到很多困难。

如果水滴进入探头或者高度饱和气流在探头中冷凝成水，能够弄湿玻璃过滤棉过滤器或者堵塞限流孔。

在正常情况下，加热探头如200℃，水分会蒸发，限流孔不会堵塞。

然而，控制温度不一定能够完全避免由水滴引起的问题。

稀释探头对烟道压力和温度的变化敏感。

当探头所在烟道抽气典的静压为高负压时（<-2540Pa），文丘里管所产生的真空度可能不足以克服管道负压的抽力。

另外，当用空气为稀释气体时，CEMS不宜配置氧分析仪，由于稀释空气含氧21%，烟气中氧气在样品气体中所占的比例已被掩盖。

大多数氧分析仪没有按0.1%～1%的稀释比值进行设计，如果要校准污染物的排放数据，可以用二氧化碳分析仪或者单独配置氧气测量分析仪器来进行。

稀释抽取探头系统需要的稀释空气必须是清洁的，无油的、没有颗粒物和被测气体，不能引起明显的测量误差。

例如，稀释空气中1ppm NO在稀释比为100:1大稀释系统中得到100ppm的响应。

同窗工厂的压缩空气系统和专门的空气压缩机提供的稀释空气不能够满足对稀释气体的要求，因而需要另外的清洁空气系统。

下面图是典型的稀释空气净化子系统示意图。

普遍应用活性炭（去除空气中的碳氢化合物）吸附剂不需要加热的干燥剂和其他净化技术为稀释系统提供清洁和干燥的空气。

供气气源应当保持恒定。

供给系是系统的空气压力必须保持相对稳定，通常在5.6～7kg/cm2。

由于不恰当的压力调节烟气压力的变化可能会明显的影响稀释比，一些净化系统安装了质量流量控制器保持压力在稳定的水平。

2. 烟道外稀释系统另一种稀释系统是在烟道外用临界限流孔稀释气体。

外稀释系统可能比内稀释系统更容易维护。

然而，由于流速低的缘故以及从探头端部输送样品到临界限流孔需要的时间较长，外部稀释系统的响应时间稍许慢些。

下面图例所示是采样技术公司（STI）设计的烟道外稀释系统。

该稀释系统用射流泵从烟道内抽取样品。

样品一般的流速通过一个管状内过滤器并被过滤，在该处除去颗粒物和气溶胶。

一根小毛细管作为临界限流孔控制样品气体流速，然后样品气体与进入射流泵的清洁空气混合进入分析仪器。

STI烟道外稀释抽取探头组件的工作方式：采样，反吹，净化和校准。

EPM环境公司生产的烟道外稀释抽取探头与烟道内稀释抽取探头的稀释抽取采样技术基本上是相同，但它也存在着差别：①该系统恒定的加热采样组件，所有的临界部件安装在能够迅速接近和易于维护的位置；②工作原理是：由一个旁路采样抽取未经过稀释的烟气以1.5~15L/min速率连续地通过采样探头管路进入采样腔。

在采样腔的出口确保新鲜烟气以恒定的流量通过腔。

稀释探头抽取腔外的少量的样品气体，按照临界限流孔探头确定的流速（流量）通过采样管。

下图所示是EPM烟道外稀释抽取采样探头的示意图。

烟道外稀释系统与烟道内稀释探头相比较有几个优点；它们的加热烟道内稀释探头更容易保持稳定的温度。

另外，应用于监控净化装置时可能更容易解决经常遇到的水滴和气溶胶冷凝的问题。

当烟道外系统的探头和烟道成一定倾斜角度时，水滴能够返回烟道。

外稀释法另外的优点是在样品气体进入稀释系统前，能够先将样品送给氧分析仪器。

尽管烟道外稀释系统更适合于该烟气含湿量大和烟尘浓度高的环境中使用，但是就像烟道内稀释探头一样受气体密度变化的影响。

目前主要是采用内稀释系统抽取样品气体。

3. 影响稀释探头稀释比的因素和修正烟气绝对压力、温度和分子量任何一个参数的变化都会影响烟道内稀释探头和烟道外稀释系统的稀释比。

比如，在烟气绝对压力下用标准气体校准稀释系统，24h后检测仪器的上标漂移时，因为天气原因大气压力发生了变化，烟气绝对压力因此而变化，检测时仪器的响应会与以前不同。

假如烟道温度变化几百度（例如装置运行中断）。

如果是在装置停运期间用标准气体校准了稀释系统（在低温条件下），当装置和恢复正常运行时，因为烟道温度变化而稀释探头的稀释比发生变化将使仪器测量出错误的数据。

压力对稀释探头稀释比值的影响是线性的，绝对压力增加876Pa，污染物浓度测量值将增加约1%；温度对稀释探头稀释比直接影响是非线性的，温度每降低10℃，污染物浓度测量值约增加1%。

稀释探头稀释比值的变化使仪器测量污染物浓度值发生变化的表达式如下：C=C测量D0式中，C —污染物浓度，mg/m3；C测量—分析以期对稀释样品的响应，mg/m3；D0—校准时的稀释比。

该方程是假定开始浇筑稀释系统时得到的稀释比保持不变是获得的读数C测量。

如果压力从P0变化到P，温度从T0变化到T或者样品气体分子量从M0变化到M，稀释也将发生变化，当开始校准时稀释系统的条件与以后测量室的条件不同时，其结果是仪器测量出错误的数据。

稀释比可能发生改变的主要情况如下：（1）用标准气体校准稀释探头系统时，烟气绝对压力P0=P T=P大气压 + P S，装置运行中，烟气温度为T0，校准气体的平均分子量为M0，在校准期间，通过调节稀释比设置分析仪气道标准气体的浓度。

（2）在烟道绝对压力P0的条件下，校准稀释系统。

气候峰移动大气压减小（P0→P<P0），校准检查时读数向上漂移。

（3）稀释系统安装在间歇式运行的装置上，校准时，装置停运，温度为To。

装置恢复运行后，烟气温度增加（T0→T<T0），进行校正检查时读数向下漂移。

（4）用N2为介质的SO2校准气体校准稀释系统，审核人员用含有20%CO2的SO2混合气体进行线性检查。