摘 要：在很多石油化工装置的运行过程都需要设置加热炉对装置物料进行加热升温，加热炉烟气的排放会产生各种废气，为了对其实施有效的监控，这就需要引入烟气连续监测系统，进而实现污染物的有效监测。本文对烟气连续监测系统进行了一定论述，明确了其工作原理、组成部分以及相较于传统监测方法的优势，在此基础上，分别从CEMS的安装要求、大气污染物排放监测、过程控制和优化以及安全和应急响应等方面探讨了CEMS在石油化工装置中的具体应用，有助于推动CEMS在石油化工装置中应用的不断深入，进而为污染物的排放监测提供数据支持。
关键词：烟气连续监测系统；石油化工；应用安装
Abstract: In the operation of many petrochemical plants, heating furnaces are used to heat and raise the temperature of the materials. The emissions from the heating furnaces generate various waste gases. To effectively monitor these emissions, the introduction of Continuous Emission Monitoring Systems (CEMS) is required to achieve efficient monitoring of pollutants. This article provides a discussion on CEMS, including its working principles, components, and advantages compared to traditional monitoring methods. Based on this, the specific applications of CEMS in petrochemical plants are explored, including installation requirements, monitoring of atmospheric pollutant emissions, process control and optimization, as well as safety and emergency response. This discussion aims to promote the widespread application of CEMS in petrochemical plants and provide data support for emission monitoring of pollutants.
Keywords: Continuous Emission Monitoring System; Petrochemical; Application and Installation.
1 前言
各种石油化工装置在能源与化工行业中发挥着至关重要的作用，然而，随着全球环境问题的日益突出以及环保法规的不断完善，这就对石油化工装置的废气排放提出了更高的要求。为了实现企业的可持续发展，这就需要做好石油化工装置烟气排放的监测工作。在这个背景下，烟气连续监测系统（Continuous Emissions Monitoring Systems，CEMS）应运而生，CEMS可以实时监测和记录烟气中各种污染物的浓度，进而为排放污染物的合理监测提供数据参考，为环境执法提供有效的监督依据。
2烟气连续监测系统（CEMS）概述
2.1 CEMS的基本工作原理
（1）颗粒物监测原理
颗粒物监测基于光学原理，通过激光光源的应用，能够高效而准确地测定颗粒物的含量。
首先，激光背散射法需要一个高稳定的激光信号源。这个激光信号源会穿越烟气流中的颗粒物，并照射到这些颗粒物上。当激光光线照射到颗粒物表面时，颗粒物会反射激光信号。这个反射的信号强度与颗粒物浓度呈正比关系，即浓度越高，反射信号越强。其次，收集和检测这些反射信号成为关键。传感器会检测并测量反射的激光信号，然后通过特定的算法将信号转化为颗粒物的浓度。这个算法考虑了激光信号强度与颗粒物浓度之间的关系，以准确地确定颗粒物的含量。需要注意的是，粉尘仪的光学镜片容易被烟尘污染，因此需要用风机或者干净无油的压缩空气连续吹扫镜片，并定期进行清洗，以确保测量的准确性。
（2）烟气监测原理
SO2的测量原理通常是基于紫外吸收法。首先，样气进入主机柜后，经过气液分离器，将液态的气融胶体和水分分离出去，降低样气温度至适当水平。其次，气体进入冷凝器内，进一步降温至5℃，以彻底分离水分，消除水分对测量的影响。最后，样气经过一级细过滤，以去除微尘的影响，得到相对纯净的样气，然后进入分析仪。在紫外区域，SO2分子具有强吸收特性，因此用紫外光谱来测量SO2。使用一定浓度的SO2标准气对仪器进行校准，然后将样气通入分析仪进行分析。校正和分析数据随后传输至数据处理器，计算出烟气中的SO2浓度。
NOX的测量原理基于红外光谱法。同样，先用一定浓度的NOX标准气对仪器进行校准，然后将样气通入分析仪进行分析。在这个分析系统中，使用两束不同的光源，不进行分光，以提高系统的稳定性。通过检测NO分子在红外光谱中的强吸收特性，分析仪可以准确测量样气中的NOX浓度。校正和分析数据随后传输至数据处理器，计算出样气中的NOX浓度。
（3）烟气排放参数的测量原理
烟气排放参数的测量原理涉及到温度、压力、流速、湿度和O2等关键参数的测量，这些参数对于计算污染物排放浓度和排放总量至关重要。
第一，温度的测量通常采用传感器，该传感器置于烟气流中。通过测量烟气的温度，系统可以获得温度参数的实时数据。烟气温度的测量可以在数据处理中用于校正其他参数，以确保排放数据的准确性。第二，压力也是一个重要的参数，通常使用压力传感器进行测量。这些传感器位于烟气流中，能够测量烟气的压力。压力的测量对于流速的计算非常重要，因为它可以用来校正流速测量的数据，确保排放量的准确性。第三，流速的测量通常通过皮托管等设备进行。这些设备安装在烟道内，通过测量烟气在烟道中的流速来确定排放流量。合理的皮托管的安装位置对于流速的准确测量非常关键，因为烟道中的弯头、变径、阀门等会对流速产生影响。第四，湿度的测量通常采用湿度传感器，用来测量烟气中的湿度含量。湿度的测量对于某些污染物的浓度计算非常重要，因为湿气会影响这些污染物的测量结果。因此，湿度的测量数据通常需要在后续的计算中进行校正。第五，氧气的测量是通过电化学传感器实现。测量烟气中的氧气含量对于计算燃烧过程中的污染物排放量至关重要。通过测量烟气中的氧气浓度，系统可以更准确地计算出污染物排放的总量和浓度[1]。
2.2 CEMS的主要组成部分
CEMS的主要组成部分包括多个子系统和关键组件，通过协同工作以实现对烟气中污染物的连续监测和测量，主要包括以下几部分。
（1）气态污染物监测子系统，主要负责监测烟气中的气态污染物，如二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOX）。通常，这些污染物的测量是通过化学分析或物理方法来实现的，例如，SO2测量可以采用紫外线吸收法，而NOX的测量可以使用化学吸收法或红外线吸收法。
（2）颗粒物监测子系统，用于测量烟气中的颗粒物浓度，通常采用激光背散射法等方法进行测量。颗粒物监测的精确性对于评估排放的环境影响至关重要，因此这一部分是CEMS中的重要组成部分。
（3）烟气排放参数测量子系统，用于测量烟气的温度、压力、流速、湿度和氧气含量等参数。这些参数是计算污染物排放浓度和排放总量所必需的，因此在CEMS中具有关键作用。
（4）数据采集、传输与处理子系统，作为CEMS系统的核心，主要负责采集从各个子系统中获得的数据，然后进行处理、存储、显示、打印和传输。数据处理系统还可以执行校准和比对等功能，以确保监测数据的准确性和可靠性。数据传输通常包括将监测数据传送给环保部门或其他相关监管机构。
（5）采样探头和采样系统。 采样探头是用于从烟道中抽取烟气样品的装置。这些探头通常需要经过预处理，以确保样品的准确性和可靠性。采样系统还包括采样管线、气液分离器和过滤器等组件。
（6）校准和比对设备。为了确保监测数据的准确性，CEMS通常需要进行定期的校准和比对。这些设备用于校准分析仪器，以便其测量结果与已知的相关环境标准相符。
2.3 CEMS与传统监测方法的对比
相较于传统监测方法，CEMS系统所具有的优势如下所示。
首先在监测频率和实时性方面具有显著优势。传统的烟气监测方法通常采用人工间歇性采样和分析，可能每隔一段时间进行一次测量，无法实时反映烟气的变化。而CEMS系统能够连续、实时地监测烟气中的污染物浓度，因此更能迅速发现和应对异常情况。其次，传统监测方法可能受到采样时间、频率和人为操作等因素的干扰，数据的准确性难以保证。而CEMS系统采用高精度的仪器和自动化的数据处理系统，可以减少人为误差，提高数据的可靠性和准确性。最后，CEMS系统具有更大的适用性和灵活性。它可以针对不同污染物和不同工业过程进行定制，适应各种复杂的工况和环境。而传统监测方法可能需要根据具体情况更改采样点和方法，相对不够灵活[2]。
3 CEMS在石油化工装置中的具体应用
3.1CEMS的安装要求
CEMS安装位置尽可能选择在烟气流速相对稳定的断面，以保障所监测的污染物排放浓度和排放总量的准确性。具体要求如下：CEMS安装位置前直管段的长度必须大于安装位置后直管段的长度，且前直管段不小于4倍烟道直径，后直管段不小于2倍烟道直径；当后直管段不能满足2倍烟道直径时，距烟气排气口距离应不小于1/2烟道直径。CEMS安装位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位，没有水滴和水雾。优先选择烟道负压区域，且所处位置的烟气流速应大于5m/s。从维护、比对和验收方面考虑，CEMS安装位置应易于接近、安全，有足够的操作空间。具体要求是：监测操作平台面积不少于3.0 m2，采样平台宽度不小于2m，平台、爬梯栏杆高度不低于1.5m，平台爬梯型式应是斜爬梯或Z型斜爬梯、爬梯的宽度范围为600～800mm，爬梯的角度为50°左右，监测操作平台上应安装220V三相电源插座用于人工采样比对和设备日常维护。
3.2大气污染物排放监测
（1）硫化物和氮氧化物排放控制
对于硫化物排放的监测，CEMS可以连续监测烟气中SO2的浓度，并实时报告排放情况。这对于石油化工装置中的脱硫工艺至关重要。通过CEMS，操作人员可以随时监测SO2浓度，确保脱硫工艺的效率，并及时采取措施以满足环保法规要求。对于氮氧化物排放的监测，CEMS同样可以提供准确的浓度数据。石油化工装置中的燃烧过程和氮氧化物排放密切相关，因此需要监测NOx的排放情况。CEMS可以实时检测NOx浓度，有助于优化燃烧过程，减少NOx的生成，从而降低氮氧化物排放量。
（2）颗粒物排放监测
颗粒物是大气污染物中的一种，通常由固体颗粒或液滴组成，它们的排放对环境和人类健康造成严重威胁。CEMS通过颗粒物监测子系统可以连续监测烟气中颗粒物的浓度。这些颗粒物可以是细小的粉尘、烟雾、灰尘或其他颗粒状物质，它们的大小和成分多种多样。通过使用激光背散射法等测量原理，CEMS可以高精度地测定烟气中的颗粒物浓度，反映排放物中固体颗粒的含量。颗粒物排放监测对于石油化工装置而言至关重要，因为许多工业过程中产生的颗粒物可能包含有害物质，如重金属、有机物等，对环境和人体健康造成潜在威胁。通过CEMS的实时监测，操作人员可以及时了解颗粒物排放情况，确保排放在可接受范围内，并采取必要的措施，如调整工艺或使用过滤装置，以减少颗粒物排放[3]。
3.3过程控制和优化
（1）温度、压力和流量的监测
CEMS通过其数据采集子系统可以实时监测工业装置中的温度、压力和流量等参数。温度、压力、流速、湿度和O2属于烟气参数，烟气参数是计算烟气流量的必要参数，因此也是计算污染物排放浓度和排放总量的必要参数。湿度测量方法有直接测量法和近似计算法，直接测量法是由湿度仪用电容法直接测量；近似计算法是测量干氧和湿氧的含量计算所得。O2是由分析仪用电化学法直接测得。温度、压力和流速的测量设备集成在皮托管上一起测量，因为烟道中弯头、变径、阀门等会对流速产生影响，所以合理的安装位置对流速的准确测量测量起着至关重要的作用。假如皮托管的安装位置过于靠近烟道的弯头，则流速的很可能出现数据变化较大，甚至一段时间内测不到数据的情况。
（2）烟气浓度的监测
在工业生产中，烟气浓度的准确监测对于生产过程的安全性和效率至关重要。CEMS通过其数据采集子系统可以实时监测排放烟气的浓度。这些浓度信息对于加热炉燃料气的控制和优化非常重要。例如，在石油化工装置中，CEMS可以监测炉内燃烧过程中的气体组成，以确保燃烧效率高且排放物低。通过CEMS监测排放烟气的浓度，操作人员可以及时调整加热炉燃烧条件，以保持加热炉系统的稳定性和效率。这有助于减少废物产生，降低生产成本，提高经济效益。此外，CEMS还可以实施闭环反馈控制，根据实时监测数据来自动调整反应条件，从而进一步提高生产过程的自动化程度和稳定性[4]。
3.4安全和应急响应
（1）CEMS在事故检测和应急处理中的作用
CEMS在事故检测和应急处理方面发挥着关键作用，有助于预防事故的发生并在事故发生时提供及时的响应和数据支持。
CEMS可以实时监测石油化工装置中的气体排放和污染物浓度，包括可能对员工和环境造成危险的有害物质。通过不断监测这些数据，CEMS可以识别任何异常情况或污染物浓度的突然增加，这可能是潜在的危险信号。一旦CEMS检测到异常情况，它可以立即向操作人员发出警报，使他们能够采取必要的措施，防止石油化工事故的发生或扩大。一旦发生事故，CEMS的实时数据可以为应急响应提供关键信息，能够帮助应急团队快速了解事故的性质、规模和影响范围，从而采取适当的措施来减轻事故的后果。CEMS还可以帮助确定污染源并跟踪污染物的扩散路径，有助于制定有效的应急计划和资源分配。
（2）预防和减少事故发生
CEMS在这方面发挥着关键的作用，通过实时监测和分析数据，有助于提前发现潜在的问题和危险，从而采取预防措施，降低事故的发生概率。
CEMS能够监测石油化工装置中的各种气体排放和污染物浓度，包括有害固体物质和有害气体。通过连续监测这些数据，CEMS可以识别异常情况，如气体浓度超过安全限值、设备运行异常等。一旦发现这些异常情况，CEMS可以立即向操作人员发出警报，使其能够采取措施来解决问题，防止事故的发生。同时，CEMS还可以用于预测和预防潜在的问题。通过分析历史数据和实时监测结果，CEMS可以识别出可能导致事故的趋势或异常模式。这可以帮助生产企业采取预防性维护措施，及时更换或修理设备，以防止潜在故障或泄漏的发生[5]。
4结语
综上所述，CEMS作为一种先进的监测系统，在石油化工装置中的应用不仅有助于满足环保法规的要求，还有助于提高生产效率、降低成本、提高安全性。然而，需要注意的是，CEMS的应用需要严格遵守操作规程，确保数据的准确性和可靠性。未来，随着技术的不断进步和法规的不断完善，CEMS将继续发挥更加重要的作用，为石油化工行业的可持续发展提供有力支持。也必将为我国环境生态的改善做出更大的贡献。
参考文献：
[1]宋福胜, 韩建书, 刘凯雄. 污染源烟气连续监测系统校准用气体标准物质质量安全风险研究[J]. 中国计量, 2023, (11): 91-95.
[2]张洋, 贾旭光, 卜令禹, 等. 固定污染源烟气排放连续监测系统的应用及改进[J]. 自动化应用, 2023, 64 (19): 128-130+133.
[3]刘凯雄. 固定污染源烟气排放连续监测系统溯源用标准物质质量核查[J]. 计量与测试技术, 2023, 50 (07): 1-4.
[4]李晋达. 火力发电厂烟气连续排放监测系统可靠性分析与优化[J]. 机械研究与应用, 2023, 36 (02): 169-172.
[5]朱泽. 石油化工行业中烟气连续监测系统(CEMS)技术的应用[J]. 石化技术, 2018, 25 (01): 43.
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