一、CEMS的发展
火电厂烟气连续排放监测系统(Continuous Emission MoNItoring System)简称(CEMS)是监测烟气污染物排放的现代化手段。用于在线自动监测燃煤电厂烟气排放的颗粒污染物，气态污染物(SO2，NOx，CO)和排放总量。
CEMS最早是从西方工业国家发展起来的，至今已有30多年的历史，从上个世纪90年代开始，为满足国家环保要求，先后有十几个火电厂从国外引进了烟气连续监测系统，近几年来，随着国家加大环保管理力度和电力系统对环境治理的重视，政府于1996年颁布了GB(火电厂大气污染物排放标准)，明确规定自1997年1月1日起新建，扩建或改建火电厂必须在烟道或烟囱上安装固定的烟气连续排放监测系统。目前，CEMS在电力系统使用越来越多，如何准确、及时地测量烟气的各项指标，保证全套设备的正常运行成为环保技术的一个崭新课题。火电厂CEMS在我国有广阔的市场前景，国外CEMS制造商纷纷进军国内市场，如美国热电子公司，美国ROUSEMOUNT公司和德国SIEMENS等著名的制造厂商已先后在中国的电厂安装了CEMS，其应用技术在我国得到发展和应用。近年来，国内有一些厂商也已经研制并开发生产出烟气连续排放监测系统，并且在火电厂得到了很好的应用。
二、CEMS的组成
一整套完整的烟气连续排放监测系统包括颗粒物(烟尘)监测子系统、气态污染物(SO2，NOx，CO及O2)监测子系统、烟气排放参数监测子系统、系统控制及数据采集处理子系统及远程监测子系统。其中气态污染物监测子系统包括烟气取样探头、气体预处理系统、气态污染物分析仪器监测装置。烟气排放参数监测子系统主要监测烟气压力、流量、温度和烟气湿度(含水量)。数据采集控制器汇集各智能化仪器的测量数据和系统工作状态并上报给监控中心，同时控制整套监测仪器的运行流程。
CEMS的系统示意图如图一所示：
三、CEMS的分类和性能特点
由于烟气的温度高、湿度高和烟尘浓度高对烟气连续排放监测仪器提出了很高的要求，经过30多年的发展，国内外制造技术已经非常成熟，方法和种类非常多，根据采样方法的不同，通常CEMS可以分为直接测量和抽取法两大类。
3.1 直接测量法又称现场测量法，是对烟气的污染物进行直接测量，在烟道两侧分别安装发射装置和接收装置，发射装置发出一束红外或紫外线穿过烟道到达接收装置，利用烟道作为样品气室吸收特征光谱进行测量，这种方法的优点是不需将烟气抽取出来，减少了中间环节，因此，设备结构简单，成本低廉，但由于直接测量法的分析系统安装的现场，现场恶劣的工作环境使得分析系统工作不稳定，系统的维护工作量非常大，而且无法现场标定，连续测量监测系统很少采用这种方法。
3.2 抽取法将分析系统与采样系统分开，分析系统放置在环境较好的仪表间(CEMS小室)，只将采样系统放在环境恶劣的现场，由采样系统将烟气从现场抽取到仪表间供分析系统分析处理。而烟气的含水量较高(烟气温度一般在130℃，水以气态形式存在)，在采样传输过程中会因为温度的下降导致水汽的冷凝。冷凝的水不但溶解烟气中的污染物成份，使监测结果不准确，并且会堵塞腐蚀采样管路和元器件，为了解决采样过程中取样的水汽冷凝问题，抽取法又分为加热抽取法和稀释抽取采样法。
3.2.1 直接抽取法又称加热抽取法或干式全抽取法。直接抽取法主要由加热取样探头、伴热样气管线、样气预处理装置、分析仪器、数据采集处理系统及远程监测子系统系统组成。加热取样探头由伸入烟道中的不锈钢管抽取烟气，经过滤器滤去烟尘，再经伴热样气管线送到样气预处理系统，取样探头及伴热管线加热、保温于烟气露点以上，探头过滤器可除去2um以上的烟尘。样气预处理系统包括冷凝除湿器，采样泵，精过滤器，流量控制器等部件。样气预处理系统提供采样动力，除去烟气中水分，以干燥、洁净、真实的样气送给分析仪器。系统还包括探头反吹，分析仪器自动较正装置，数据采集器。
3.2.2 稀释抽取法采样系统，稀释采样法是采用大量的干空气(称稀释气)稀释烟气，经稀释的烟气(样气)含水量下降，露点温度可达到-20℃以下。这样样气中的水汽在采样管路中不会冷凝。其主要由稀释探头，稀释头控制器，零空气发生器，分析仪器，数据采集处理系统及远程监控子系统等组成，稀释探头由零空气作为稀释气通过稀释喷射器的空气喷嘴产生真空，将样气从过滤器室吸入，经喷射器的样气石英限流孔进入稀释室内，以一定的比例被释(如100：1)，稀释控制器用来控制稀释比例，监测稀释空气的压力和真空度及石英喷嘴的湿控等。经过稀释的样气一般无需伴热样气管线传送，可直接送分析仪器。
四、几种采样技术的比较
近几年来，电力系统投产的烟气连续排放监测系统多为稀释抽取法和直接抽取法CEMS系统。由于稀释抽取法采样极小，避免了复杂的样气处理，无需伴热，具有良好的运行性能，并且克服了直接抽取法预处理系统维护量大、负压漏气问题。正因为其独特的优点，国内外大多采样这种方法，市场占有份额超过85%。
直接抽取法和稀释取样法的测量原理优缺点比较见下表：
五、在线连续烟尘检测仪表的分类
火电厂烟气排放的颗粒物监测装置从原理可分为光学法和物理法，光学法又分为透射法(也称浊度法)、散射法，物理法可分为静电法、B射线法。以上方法各有其优缺点。
5.1 光学透射法
光学透射法是利用烟尘对入射光的吸收，通过测量接收光与入射光的比值来测定烟尘的浊度，经过浓度标定后，可以同时测定烟尘浓度。光学透射法光学系统不同分为单光程测尘仪和双光程测尘，从光源不同又分为钨灯、石英卤素灯和激光光源测尘仪，钨灯光源寿命较短，半导体激光器由于具有稳定性高和使用寿命长的特点已经在测尘仪上得到广泛应用。国外烟气浊度的检测仪器大多采用光学透射法，产品种类多种多样，其中激光烟尘浊度仪是透射法的代表产品。
5.2 光学散射法
光学散射法是利用烟尘对入射光的散射作用，被光束照射的颗粒物对光散射，向某一方向散射的光被聚焦后经检测器检测，在一定范围内检测信号与颗粒物浓度成比例。其中，后向散射法测尘仪是散射法的代表产品，它的光源也采用激光二极管，该仪器在烟道采用单面安装，直接测量烟尘浓度，但也需要在现场进行浓度标定。
5.3 β射线法
β射线法利用烟尘对?茁射线的吸收与烟尘质量成正比的关系，通过采样方法富积烟尘到滤膜上，然后对滤膜照射?茁射线，通过测量被烟尘衰减后的?茁射线剂量，即可求得烟尘的含量。
5.4 静电荷法
静电荷法是利用烟尘颗粒之间及烟尘颗粒与静电法探头之间由于摩擦及碰撞产生静电电荷，静电电荷的强弱与烟尘排放的浓度的有一定的关系。通过测定静电电荷可以推断出烟尘浓度值。静电法目前在国外普遍用来进行布袋除尘器的破损检漏。
火电厂烟气排放的颗粒物监测常用的仪器装置是激光透射法测尘和散射法测尘仪。
六、气态污染物检测
气态污染物监测系统由烟气取样探头、样气预处理系统、分析仪器、数据采集处理系统和远程监测子系统等部分组成。取样预处理的目的是保证样气分析的准确性和可靠性。加热抽取法采样预处理系统通过样气保温在烟气露点以上，然后经除湿器剧冷到4～5℃，除去烟气中冷凝的水分，以干燥、净化的样气送入分析仪器，分析仪器为污染源级，其测量范围能直接分析烟气气态污染物的浓度。稀释抽取法采样通过稀释探头把样气稀释，吸取的样气很少，水分和烟尘也同比例减少，分析仪器选用大气监测用的微量检测仪器，测量结果要乘以稀释比。
6.1 二氧化硫分析
监测SO2分析方法主要有：非分光红外吸收法、紫外吸收法、紫外荧光法等。其中：非分光红外吸收法通过测量SO2对红外特征光谱的吸收来连续检测SO2的浓度，通常用于污染源级SO2的分析，测量范围宽、稳定可靠紫外吸收法通过SO2对紫外特征光谱的吸收原理进行测定，灵敏度高于非分光红外吸收法，但测量范围窄。紫外荧光法则是用紫外光照射SO2而激发SO2发出紫外荧光，通过光电倍增管检测荧光强度从而测得SO2浓度，其灵敏度比紫外法要高2～4个数量级，常用于大气微量监测或火电厂脱硫工艺后排出的烟气SO2，监测。通常，火电厂的CEMS采用非分光红外吸收或紫外吸收法测量SO2浓度。
6.2 氮氧化物分析
氮氧化物NO2的分析方法主要有：非分光红外吸收法、紫外吸收法和化学发光法。非分光红外吸收法是通过测量NO对红外特征光谱的吸收来连续检测NO的浓度，NO2通过钼转换器将NO2转移成NO再进行测量。紫外吸收法是通过对紫外光谱的吸收原理进行测量的。化学发光法的原理是基于NO与O2反应生成激发态NO2，激发态的NO2很快转化为常态的NO2，同时发出光子产生化学发光，发光强度与被测的NO浓度呈线性关系。这三种方法相比较，化学发光法测量NO，线性范围宽，虽然仪器技术复杂，在国外已被广泛应用，特别在低浓度和微量体测应用较多。非分光红吸收收法虽然灵敏度较底，适用于NO较高浓度检测，由于仪器相对简单可靠，在CEMS检测中也得到较多的应用，但是在需检测NO2时要增加钼转化器。紫外吸收法则可以分别检测NO及NO2，从而得到NO2总量。
6.3 一氧化碳的分析
CO的检测通常采用红外吸收法原理，火电厂烟气排放的CO含量很低，常采用非分光相关 红外检测微量CO。另外，CEMS系统是通过检测CO2或O2来测定空气过剩系数，大多是测定烟气中O2含量。因此，在CEMS系统中很少要检测CO2，如需测CO2，通常采用红外吸收法原理。
6.4 氧的检测
检测O2大多采用电化学氧化锆法或热磁法测量烟气中O2，也有采用电化学原电池法测量O2，氧化锆法分为直插式和抽出式，直插式是氧化锆探头直接插入烟道，测量的是湿烟气中的湿氧，抽出式通常是在烟气干燥、净化后进行干氧测量，也可以交替测量湿烟气中的湿氧。
以上介绍的是CEMS系统中被测气体的分析技术原理。从CEMS系统对分析仪器的选用看，可以是单组份分析仪器，也可以是多组份分析仪器。国外许多大的分析仪器公司都已推出三组份、四组份及五组份的分析仪器。通过智化的分析模块、输入输出模块及平台组成模块化的气体分析系统，并已广泛应用于CEMS。
七、烟气参数的在线监测
烟气参数的检测包括烟气温度、压力、流量及烟气湿度。从环保对烟气监测的要求，对排放的污染物要折算为标态下的干烟气的排放量，因此要通过检测烟气参数来计算测定标态下的干烟气流量。
测定流量的方法有：在线皮托管法，超声法以及使用热式质量流量计算。皮托管法是通用的检测方法，也是环保监测标准采用的方法。它是通过皮托管探头测量烟气的动压、静压、动压和静压与被测烟气流速有一定的比例关系，可以计算出烟气流速和流量;超声法及热式法也是通过测量探头将被测量转换，计算出烟气流速的流量。烟气温度的测定都采用热电偶检测。
检测烟气的湿度难度较大，主要是烟气含水量较大又含有烟尘及SO2等酸性气体，腐蚀性很强，温度也比较高，工况条件很差。常用的测量水分的仪器通常采用红外吸收法以及利用氧化锆测量湿干氧计算烟气含水量的方法。红外测水法在烟气检测中使用得很少，主要原因是测量探头的耐腐蚀性及耐温性差，探头易损坏。国外厂商在CEMS系统中较多地使用氧化锆湿干氧法测量湿度，可以采用1台氧化锆仪器轮流，交替测量湿烟气和干烟气的含氧量，然后计算出烟气含水量。
八、数据采集系统和远程监测子系统
烟尘、氧量、温度、流速参量分别由烟尘监测仪、氧分析仪及变送器、热电偶、皮托管和压差传感器测量，这些仪器把测量结果传送到信号调理器(变送器)，信号调理器(变送器)把这些信号转换成数字信号，以RS485方式传送到仪表间内的数据采集器。
数据采集控制器汇集各智能化仪器的测量数据和系统工作状态并上报给监控中心的中心控制数据网络服务器，同时控制整套监测仪器的运行。
监控中心主要由一台中心控制室数据网络服务器(包括一台PC机和一台调制解调器)及其外围设备构成。监控中心目前的主要功能有：连接一个或多个前端数据采集器;显示实时数据和系统运行状态(系统状态能够指示到模块级);下载历史数据;以图表形式显示历史数据，可对各种图形进行任意放大、缩小，以直方图形式显示排气量以及烟尘、SO2、NO、NO2、NO2的排放量，各种数据报表的打印输出等。提供磁盘、磁带或刻录光盘资料和完备的系统维护软件，定时向管理部门发送排放数据报告，并可随时响应管理部门的远程数据查询。国家有关部门通过网络得到所监测各污染源的排放数据的报告，作为排污收费的依据和评估环境质量的重要参考数据。
九、结束语
随着我国电力工业发展，高参数、大容量火电机组相继投入运行，燃煤所带来的环境污染已成为一个急需解决的问题，人们对电厂烟气连续监测的重要性也有了进一步认识和重视，CEMS的应用日益广泛。基于目前火电厂气排放的实际状况和国家环保局对电厂烟烟气排放的严格要求，实际应用中可根据烟气工况选择合适的烟气排放连续监测装置，才能更准确、快速、有效地监测电厂烟气排放污染物。
