大气监测技术概要

第二章烟气固定源监测与常规大气监测•烟气固定污染源监测技术•常规大气监测项目•有害有机污染物的测定•大气中汞及其化合物的测定•大气中砷化合物的状态分析•恶臭的测定•室内空气污染及监测2.1烟气固定污染源监测技术2.1.1污染源烟气便携式监测仪器1.定电位电解法烟气分析仪2.非分散红外法烟气分析仪1.定电位电解法烟气分析仪（1）传感器原理－定电位电解传感器主要由电解槽、电解液和电极组成，传感器的三个电极分别为敏感电极（S）、参比电极（R）和对电极（C）。－传感器工作过程：被测气体由进气孔通过渗透膜扩散到敏感电极、电解液、对电极之间进行氧化反应；参比电极不接触被测气体，用以为电解液中的工作电极提供恒定的电化学电位。可由多个传感器组成传感器组，同时测定多个污染物。若测定SO2，则SO2＋2H2O→SO42-＋4H+＋2e与此同时产生的扩散电流i在一定范围内与气体浓度成正比：iL＝n·F·A·D·c/δ（2）仪器结构三部分构成：－烟气预处理装置：样品气的加热、烟尘颗粒物的过滤、冷凝和脱水。如德国的TESTO350pro(加热)型烟气分析仪。也有非加热式前处理装置等新技术的应用－气路系统：预处理样品气的抽取和输送等－电路系统：传感器、气电转换、信号放大、数据处理、数据现实打印和仪器工作状态控制等。尺寸：395x275x95毫米重量：3200克（3）仪器工作过程－开机预热，用户在面板上设定相应参数，由电路系统的驱动器驱动气泵工作－泵启动后烟气通过烟尘过滤器滤掉粗烟尘，过滤后的烟气进入气水分离器，使水分与烟气分离，基本洁净的干烟气经过薄膜泵进入传感器气室，在气室内扩散后，从气室出口排出。－传感器中反应气氧化还原反应产生的微弱电流经放大器放大和A/D转换器转化，输入计算机按设定程序进行处理，处理结果显示或打印。（4）仪器的性能分析－优点：轻便、直接读数，准确度高，可取代现有的分光光度法和碘量法等方法。－缺点：传感器寿命有限，一般两年，且传感器的交叉反应也不可忽略（不同公司生产的传感器，气体的交叉反应影响程度不同）。2.非分散红外法烟气分析仪（1）原理所有多原子分子都能吸收特定频段的射线，此特性称作吸收光谱。利用色散以外的技术将特定波长的红外光照射待测气体，通过测定吸光度来计算待测气体浓度。根据监测器的不同可分为：－干涉滤光片式检测器－气体滤波相关式检测器－串联型气动式检测器(如S710-MULTOR)－交替流动调制型检测器（2）仪器结构－与定电位电解烟气分析仪相似，也分为烟气预处理装置、气路系统和电路系统三部分。－因为是光学分析，所以对烟气的洁净度要求较高，其烟气预处理装置和气路系统较定电位电解烟气分析仪复杂。（3）仪器工作过程烟气在采样泵的动力下，经烟尘颗粒物过滤、水雾收集器、过滤器、选向电磁阀进入电子冷凝器脱水，之后样品气分为两路：－进入光学检测器进行CO2、CO、SO2、O2的测定－经臭氧反应器进入光学检测器进行NOx的测量。（4）性能分析应用与固定CEMS相同的原理，具有便携式定电位电解分析仪的轻便、直接读数等优点，又排除了其传感器寿命限制和易产生交叉干扰的缺点，是比较理想的便携式烟气分析仪器。•2.1.2污染源的自动监测和连续监测技术1.自动监测系统简介2.烟气排放连续自动监测系统（CEMS）3.颗粒物连续监测技术4.气态污染物连续监测技术5.烟气流速监测技术1.自动监测系统简介－工厂环境自动监测系统的主要任务是连续或间歇地监测固定污染源向环境排放的污染物浓度及总量，达到从源头控制污染的目的，这是改善和提高环境质量最有效的手段。－系统由厂内污染源监测站（废气、废水和噪声）、厂区周围环境质量监测站（周围空气质量）、气象参数观测站、信息传输系统及监测管理中心构成。－运行时需要维护人员的巡视和维护、管理中心人员的监视和处理2.烟气排放连续自动监测系统（CEMS）－烟气排放连续监测系统是指连续测定固定污染源（锅炉、工业炉窑、焚烧炉等）排放烟气中污染物浓度和排放率的全部设备。它由烟气样品采集、参量测定、数据采集和处理三部分组成，如图。－为规范烟气监测工作，环保部推荐标准（HJ/T76-2001）中对该系统的安装、参量测定及质量保证和控制等方面的技术要求做了规定。3.颗粒物连续监测技术（1）光学技术原理透光度是运用光学原理对粒子进行分析的经典方法，其基本原理是基于恒定光通量的光通过粒子后产生衰减，通过对其衰减量的测定，测量单位体积内粒子的含量。T＝I/I0I:接受光强度；I0:无粒子光路中接收到的光强度T:透光度不透光度：O＝1-T透光度和不透光度都是非线性参数，为了得到相对于粒子浓度的线性参数，在仪器的设计和参数的计算上引入了消光度（E）的概念。E=lg(1/T)=-lgT=kcLc:粒子浓度（mg/m3）；k:消光度系数；L:光路长度（m）光学测量原理会受到粒子的物理特性的影响，如粒径和密度。（2）透光度颗粒物监测仪器1）单光程颗粒物监测仪器－原理：基于朗伯－比尔定律Tr＝I/I0＝exp(-kcL)k－分子吸收率（与颗粒物直径、波长及吸光度有关）对于稳定介质和固定的波长，k为常数，对于固定的烟道，L为常数。－结构图2）双光程颗粒物监测仪器－特点：将发射器和接收器部件装在同一个壳体中，另一侧用反射镜取代接收器。这样的结构紧凑，发射器和接收器在同一温度下运行，克服了热漂移。－如德国SICK公司的FW56－I型烟尘检测器（3）散射光颗粒物监测仪器1）基本理论散射光测量颗粒物要比透射光测量灵敏度高得多。－颗粒物散射效应－颗粒物的光散射相对强度颗粒物光散射强度的方式依次排列为：前散射、后散射、90°角散射，使用小角度比其他角度仪器更灵敏，所以现在的散射光仪器的经典方式是使用后散射。2）外置式和内置式后散射光颗粒物监测仪器--外置式a.原理:将一束光射入烟道,光束与烟尘颗粒物相互作用产生散射,散射光的强弱与总散射截面积成正比,当烟尘浓度升高时,烟尘颗粒物的总散射截面增大,散射光增强,通过测量散射光的强弱,即可得到烟尘颗粒物的浓度.b.检测器结构--内置式a.固体光源发出的光被分为两路,其中路通过探头外的取样区,在取样区内烟尘的颗粒造成光的散射,后向散射的光被聚焦到光学探测器上,并转换成电信号输出.同时另一路作为参考光送至参考光检测器,经过参考放大器、带通滤波器、检波器至电流分配器，使其与测量放大器的输出成比例，以补偿光源光通量变化带来的偏差。b.检测器结构（4）透光度与散射光方法的比较•精度比较透光度法有灵敏度限制。检测限与平均粒子尺寸和光路长度有关，较小的粒子尺寸和较长的光路有利于提高透光度仪器的检测限。相比之下，散射光仪器与光路长短无关，所以不需要调整光路零点。散射光仪器有很高的灵敏度，分辨率接近0.02mg/m3•窗口沾污对两种方法灵敏度的影响比较透光度仪器中，光学窗口污染产生的剩余的累积误差被加到测量值中后，由于透光度仪器的零点不是机械零点，而是100%透射光（或最大透射光），它将引起零点漂移，造成测得的浓度偏高。而散射光法仪器中，仅引起光学放大器的线性减小，这是散射光仪器能够比较好地应用于的浓度测量的一个重要原因（5）β射线法烟尘颗粒物浓度监测仪器原理：先用放射性源发射出的β射线照射空白滤纸，测出空白滤纸对β射线的吸收程度，然后通过采样管将烟尘捕集在滤纸上，再用β射线照射集尘后的滤纸，测出集尘滤纸对β射线的吸收程度，根据空白滤纸和集尘滤纸对β射线的吸收程度确定烟尘浓度。β射线的吸收与物质粒径、成分、颜色和分散状态无关，与物质的质量成比例。I=I0exp(-μG)I-集尘滤纸的吸收强度I0-空白滤纸的吸收强度μ-尘粒质量吸收系数(cm2/g)G-单位面积滤纸上捕集的烟尘质量（g/cm2）其中G＝Qτc/AQ-采样抽气量，m3/minτ-抽气时间：minc-烟尘浓度,g/m3A-滤纸集尘面积cm2故得c＝A(lnI0-lnI)/(μQτ)4.气态污染物连续监测技术(1)气态污染物的采样方式采样方式抽取采样法直接测量法采样稀释法内稀释方式外稀释方式直接抽取法前处理方式后处理方式内置式测量外置式测量(2)气体污染物连续监测的分析仪器紫外荧光法SO2监测仪190～230nm紫外光照射样品气，SO2对其产生强烈吸收，被激发至激发态：SO2+hv1→SO2*激发态不稳定，瞬间返回基态，发射出波峰为330nm的荧光SO2*→SO2+hv2此方法灵敏度高，可检测到ppb级，同时动态范围及线性度也较好，但样气浓度高时要配接稀释采样器SO2监测仪荧光计工作原理示意图电导式SO2监测仪原理:用稀过氧化氢水溶液吸收空气中的SO2，并发生氧化反应。SO2＋H2O→2H+＋SO32-SO32-＋H2O2→SO42-＋H2O电导率的增加值取决于气样中SO2的含量电导式SO2自动监测仪工作原理示意图化学发光NOx监测仪（环境监测）非红外色散吸收法烟气监测（已讲过）烟气氧含量监测仪器a.氧化锆氧含量监测仪工作原理：传感器中的氧化锆是一种固体电解质，掺杂了氧化钇或氧化钙，在600℃以上的高温条件下是氧离子的良导体。氧化锆做成管状，内外侧涂铂电极。加热时内外壁若接触氧分压不同的气体，则氧化锆管成为一个氧浓差电池：在参比侧:O2＋4e→2O2-在低氧侧:2O2-→O2＋4e电动势E与两侧氧分压有关。b.电化学氧含量监测仪采用酸性电解质原电池式传感器，由两个金属电极（Ag工作电极和Pb对电极）、电解质、扩散透气膜和外壳组成。工作时O2通过透气膜进入传感器，电极上发生如下反应：工作电极：O2＋4H+＋4e→2H2O对电极：2Pb＋2H2O→2PbO＋4H+＋4e产生的电流有如下关系：i＝(nFAD/L)ci-输出电流；n-反应转移电子数；F-法拉第常数A-电极有效面积；D-氧气在扩散膜中的扩散系数；L-扩散层厚度；c-氧气浓度c.磁风式氧含量监测仪器d.磁力机械式氧含量检测仪器e.磁压技术氧含量检测仪器5.烟气流速监测技术（1）皮托管法烟气流速监测仪器－S型皮托管法烟气流速监测仪器－阿里巴皮托管法烟气流速监测仪器/阿里巴流量计(2)超声波流速监测超声波传感器原理是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、传输时间差法等。目前应用较广的主要是传输时间差法原理的传感器。超声波在静止和流动的流体中传播速度是不同的。在流体中设置两个既可以发射又可以接收超声波的传感器，，一个装载管道上游，一个装在管道下游，距离为L，设顺流方向时间为t1，逆流时间为t2，流体静止时超声波传输速度为c，流体流动速度为v,则t1＝L/(c+v)t2＝L/(c+v)Δt＝t2－t1＝2Lv(c2-v2)故求得v＝c2Δt/(2L)•超声波监测仪又可分为外装式和内置探头式两种。（3）热平衡式流速监测仪器传感器由T1、T2两个铂电阻温度传感元件组成，T1被加热，T2不加热，因此两个传感元件之间形成一个温度差，当流速为零时，温差最大，随着流速的增大温差变小，通过标定温差和流速的关系对流速进行定量测量。此方法灵敏度较高，可用于监测较低的烟气流速。（4）靶式流量计法流速监测仪器利用安装在水平烟道中的靶式流量计的靶式测速片，受气流的动压冲击，发生形变，其配重装置通过位移向应变片施加压力，利用力矩转换的方式测出靶上所受的动压。通过下式计算出流速：Pd=kρv2Pd－烟气动压；k－标定系数ρ－烟气密度；v－烟气流速2.2常规大气监测项目•所谓常规监测项目，主要是指哪些由于污染明显增加的成分，如SO2、NOx等，对大气产生严重污染。•前面大部分已经讲过，这里对正在实际应用的大气污染物的测定方法做下总结。仪器分析(自动检测法)湿式测定法溶液电导率法分光光度法库仑法恒电位电解法碘电极法干式测定法火焰光度法紫外荧光法化学发光法紫外吸收法二阶导数分光光度法氢火焰离子化法非色散红外吸收法光散射法β线吸收法压力平衡法自动环平法带式空气采样法SO2NO、NO2、O3SO2、O3SO2、CO、NOxSO2SO2SO2NO、NO2、O3O3SO2、NO、NO2、NH3、O3HC、CO、CO2CO、CO2气溶胶（无采样