基于CEMS的瀝青混合料有害氣體排放監測方法

蔣學海++徐璐

摘 要：煙氣排放連續監測系統（CEMS）是監測煙氣污染物排放的現代化手段，可以連續、實時、在線監測污染排放源排放煙氣中的顆粒污染物、氣態污染物的濃度和排放總量，實現監測污染物排放總量的目標，在如今的火電廠氣體排放監測中廣泛應用。該文通過對CEMS系統原理的分析，進而對其測試儀器采樣系統和分析系統進行改進，得出一套完整的、能對瀝青混合料在攤鋪和碾壓過程中排放的有害氣體進行連續、實時地監測的N-CEMS設備。

關鍵詞：CEMS 瀝青混合料 有害氣體 瀝青煙 監測方法

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0087-02

自20世紀50年代以來，我國公路建設快速發展，交通量日益增大，車速逐漸提高，對路面性能提出了更高的要求。而瀝青路面憑借優越的使用性能和行車舒適性，在我國已建成的高級和次高級路面中占了相當大的比重，因此，對瀝青混合料的需求量也大大增加。

但是瀝青混合料的使用會產生各種的有害氣體，根據國外資料[1]， 瀝青混合料在拌和、攤鋪過程中分別會產生一氧化碳、二氧化硫、氧化氮類有害氣體以及瀝青煙，它們在不同程度上影響著我們的生存環境。特別需要指出的是，瀝青煙中還包含著部分致癌和強致癌物質，對我們的身體健康造成了極大的威脅。

然而對于瀝青混合料有害氣體的排放，卻沒有一個系統的連續監測方法。我們依據廣泛應用在火電廠氣體排放連續監測的CEMS系統，結合瀝青道路攤鋪過程中排放的有害氣體的特點，構建一個基于CEMS的瀝青混合料有害氣體排放連續監測體系，為不同環境下瀝青混合料的排放，提供一個科學、定量的分析。

1 CEMS簡介

CEMS即煙氣排放連續監測系統（Continuous Emission Monitoring System，簡稱CEMS），主要用于火電廠的煙氣有組織排放連續監測，由煙塵監測子系統、氣態污染物監測子系統、煙氣排放參數測試子系統、系統控制及數據采集處理子系統、信號輸送通訊系統等組成[7-11]。CEMS通過采樣方式或非采樣方式，測試煙氣中污染物濃度，并同時測試煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流量、煙氣濕度、氧量等參數，按國家有關標準顯示與記錄，能夠實現污染物排放監測的在線性、連續性、準確性及數據處理和輸出打印的完整性[15]。

2 基于CEMS的瀝青混合料有害氣體連續監測方法

針對瀝青混合料施工過程中有害氣體無組織排放特性， 基于原有的CEMS系統，我們去掉信號輸送通訊系統，簡化控制及數據采集處理子系統、煙氣排放參數測試子系統，保留氣態污染物監測子系統，替換煙塵監測子系統為瀝青煙監測子系統，并另行設計一套適用于無組織排放監測的采樣系統，形成N-CEMS（即新型-CEMS）系統結構如圖1所示。

2.1 N-CEMS采樣系統

N-CEMS系統采樣部分主要由一個采樣罩、一個干燥和冷卻結構組成。通過手動操作，在瀝青混合料施工現場選取采樣點進行樣品氣體采集

采樣罩是用于采集和捕捉氣體污染物的裝置，將瀝青在攤鋪和碾壓過程中排放的有害氣體在擴散到大氣之前吸入罩內，進入干燥和冷卻系統，以減少施工現場環境對排放濃度的影響。同時，采樣罩的設計和構造還考慮了操作的方便和靈活性，適合于多采樣點。

2.2 N-CEMS瀝青煙監測子系統

瀝青煙監測子系統主要監測瀝青煙濃度。在原有CEMS中，瀝青煙的采樣和監測沒有成熟的應用，但是專門對瀝青煙的采樣和檢測已經有一定的成果。其主要分析方法有重量法、紫外分光光度法、色譜法等。

重量法[14]是指將瀝青煙收集到已恒重的收集器中，除去水分后，由采樣前后收集器的增量計算瀝青煙的含量。

紫外分光光度法[15-16]是用環己烷作溶劑，采用紫外分光光度計測量吸收液在固定波長處的吸光度，再通過與標準曲線的矯正，從而得出瀝青煙的濃度。

色譜法是對瀝青煙定性、定量分析的另一個方法，就是氣相色譜–質譜聯用（GC/MS）技術。氣質聯用以其用時少、精確度高等優點備受人們青睞。氣質聯用可以對瀝青煙準確無誤的定性和定量，其測定濃度可以達到幾微克。

綜合以上的方法，我們采用色譜法，將其運用到運用到N-CEMS瀝青煙監測子系統中，讓實現連續、實時、在線監測瀝青煙濃度的功能。

2.3 氣態污染物監測子系統

氣態污染物監測子系統采用稀釋采樣法，主要監測CO、SO2、NOx等氣體的濃度。圖3為采樣狀態的流程簡圖。

2.3.1 CO的連續監測方法

CO的連續監測方法主要有非色散紅外吸收法、氣相色譜法兩種。

（1）非色散紅外吸收法：一氧化碳對4.67 nm，4.72 nm二波長處的紅外輻射具有選擇性吸收，在一定波長范圍內，吸收值與一氧化碳的濃度呈線性關系（遵循朗伯—比耳定律），根據吸收值確定樣品中一氧化碳的濃度。

（2）氣相色譜法：本方法適用于連續測定空氣中的一氧化碳的濃度。采樣的一氧化碳可經色譜柱分離后，進入轉化爐與氫氣反應生成CH4，即

CO+2H2CH4+H2O

而甲烷濃度可由儀器直接測定，從而間接得到一氧化碳濃度。

本論文中對CO的連續監測采用氣相色譜法。

2.3.2 SO2的連續監測方法

SO2的連續監測方法主要有紅外吸收法（NDIR法）、紫外吸收法（UV法）和紫外熒光法三種。

（1）紅外吸收法：通過測量SO2對7.3 μm附近的紅外線吸收量的變化，連續測定煙氣中SO2的濃度。該方法抗水分、CO 、CO2的干擾能力較弱。

（2）紫外吸收法：通過SO2在280～320 nm附近的紫外光吸收原理進行測定。儀器維修容易，不易受氣流量、水蒸汽、CO2的影響。endprint

（3）紫外熒光法：通過一定波長的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的氣樣上，激發SO2產生熒光，用光電倍增管檢測熒光強度，測定煙氣中的SO2濃度。紫外熒光法受芳香烴和水蒸汽的干擾，適用于芳香烴和水蒸汽干擾可以忽略或消除的場合，較適用于稀釋采樣法。

本論文中對SO2的連續監測采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的連續監測方法

NOx的連續監測方法有紅外吸收法、紫外吸收法、脈沖熒光法和化學發光法四種。

（1）紅外吸收法：通過測量NO對5.3 μm附近的紅外線吸收量的變化，連續測定煙氣中NO濃度。NO2是通過還原轉換器轉換成NO再測量。抗水份、CO、CO2、SO2及有機物的干擾能力較弱。

（2）紫外吸收法：通過NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理進行測定。儀器維修容易，不易受氣流量、水蒸汽、CO2的影響。

（3）脈沖熒光法：采用脈沖紫外光照射到含有NOx的氣樣上，激發NOx產生熒光，用光電倍增管檢測熒光強度，測定煙氣中的NOx濃度。受芳香烴和水蒸汽的干擾，較適用于稀釋采樣法。

（4）化學發光法：測量NOx是NO和O3反應產生激發態的NO2，激發態的NO2轉為常態的NO2時，伴隨著光子的發射，產生化學發光，測量發光強度即NO濃度。適用于共存的二氧化碳干擾可以忽略或消除的場合。

本論文中對SO2的連續監測采用脈沖熒光法。

3 結語

基于CEMS系統，去掉信號輸送通訊系統，簡化控制及數據采集處理子系統、煙氣排放參數測試子系統，保留氣態污染物監測子系統，替換煙塵監測子系統為瀝青煙監測子系統，并另行設計一套適用于無組織排放監測的采樣系統，實現了對瀝青混合料有害氣體排放的連續監測。 文中以AC-20瀝青混合料為例，以室內試驗模擬瀝青混合料生產和使用各環節中的有害氣體排放實況，對N-CEMS系統的監測效果進行評價，同時總結了在拌合、攤鋪、碾壓各環節中各類有害氣體的排放特點，發現各類有害氣體在拌合工序的排放量顯著高于其它工序。對于不同類型的瀝青混合料，具體的排放特性宜做進一步研究。

參考文獻

[1] Pinchin Environmental Limited Air & Noise Group1Report for a Combustion Gas Emission Testing Program at the Miller Aggregate Resources Facility in Brechin， Ontario [R].1Mississauga，Group， 2005.

[2] 聯合國15聯合國氣候變化框架公約6 京都議定書[Z].日本，京都：2007.

[3] 李鴻.淺談瀝青煙的危害及幾種治理方法[J].有色金屬設計，2004，31（3）：73- 75.

[4] 郭擁武.火電廠煙氣排放連續監測系統設計[J].可編程控制器與工廠自動化（PLC FA），2006（5）.

[5] 陳翠青.煙氣排放連續監測系統的應用[J].發電設備，2009（1）.

[6] 郜武.煙氣連續監測系統（CEMS）技術及應用[J].中國儀器儀表，2009（1）.

[7] 中國環境監測總站，火電廠大氣污染排放標準（GB13233一1996），1996.[Z].

[8] 中國環境監測總站，鍋爐大氣污染物排放標準（GWPB3一1999），1999.[Z].

[9] 王剛.煙氣排放連續監測系統淺議[J].科技情報開發與經濟，2005（10）.

[10] 常虹.煙氣排放連續監測系統的分析與改進[D].華北電力大學碩士學位論文，2011.

[11] 朱法華，李輝，邱署光.煙氣排放連續監測技術的發展及應用前景[J].環境監測管理與技術，2010（4）.

[12] 齊文啟，孫宗光，邊歸國.環境監測新技術[M].化學工業出版社，2004.

[13] 劉海龍.煙氣在線監測系統在燃煤電廠的應用[J].節能與環保，2007（9）.

[14] HJ/T 45-1999，固體污染源排放氣中瀝青煙的測定-重量法[S].北京：中國環境出版社，1999.

[15] 閆向陽，穆曉宇.瀝青煙的紫外分光光度測定[J].北方環境，2004，29（3）：61-63.endprint

（3）紫外熒光法：通過一定波長的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的氣樣上，激發SO2產生熒光，用光電倍增管檢測熒光強度，測定煙氣中的SO2濃度。紫外熒光法受芳香烴和水蒸汽的干擾，適用于芳香烴和水蒸汽干擾可以忽略或消除的場合，較適用于稀釋采樣法。

本論文中對SO2的連續監測采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的連續監測方法

NOx的連續監測方法有紅外吸收法、紫外吸收法、脈沖熒光法和化學發光法四種。

（1）紅外吸收法：通過測量NO對5.3 μm附近的紅外線吸收量的變化，連續測定煙氣中NO濃度。NO2是通過還原轉換器轉換成NO再測量。抗水份、CO、CO2、SO2及有機物的干擾能力較弱。

（2）紫外吸收法：通過NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理進行測定。儀器維修容易，不易受氣流量、水蒸汽、CO2的影響。

（3）脈沖熒光法：采用脈沖紫外光照射到含有NOx的氣樣上，激發NOx產生熒光，用光電倍增管檢測熒光強度，測定煙氣中的NOx濃度。受芳香烴和水蒸汽的干擾，較適用于稀釋采樣法。

（4）化學發光法：測量NOx是NO和O3反應產生激發態的NO2，激發態的NO2轉為常態的NO2時，伴隨著光子的發射，產生化學發光，測量發光強度即NO濃度。適用于共存的二氧化碳干擾可以忽略或消除的場合。

本論文中對SO2的連續監測采用脈沖熒光法。

3 結語

基于CEMS系統，去掉信號輸送通訊系統，簡化控制及數據采集處理子系統、煙氣排放參數測試子系統，保留氣態污染物監測子系統，替換煙塵監測子系統為瀝青煙監測子系統，并另行設計一套適用于無組織排放監測的采樣系統，實現了對瀝青混合料有害氣體排放的連續監測。 文中以AC-20瀝青混合料為例，以室內試驗模擬瀝青混合料生產和使用各環節中的有害氣體排放實況，對N-CEMS系統的監測效果進行評價，同時總結了在拌合、攤鋪、碾壓各環節中各類有害氣體的排放特點，發現各類有害氣體在拌合工序的排放量顯著高于其它工序。對于不同類型的瀝青混合料，具體的排放特性宜做進一步研究。

參考文獻

[1] Pinchin Environmental Limited Air & Noise Group1Report for a Combustion Gas Emission Testing Program at the Miller Aggregate Resources Facility in Brechin， Ontario [R].1Mississauga，Group， 2005.

[2] 聯合國15聯合國氣候變化框架公約6 京都議定書[Z].日本，京都：2007.

[3] 李鴻.淺談瀝青煙的危害及幾種治理方法[J].有色金屬設計，2004，31（3）：73- 75.

[4] 郭擁武.火電廠煙氣排放連續監測系統設計[J].可編程控制器與工廠自動化（PLC FA），2006（5）.

[5] 陳翠青.煙氣排放連續監測系統的應用[J].發電設備，2009（1）.

[6] 郜武.煙氣連續監測系統（CEMS）技術及應用[J].中國儀器儀表，2009（1）.

[7] 中國環境監測總站，火電廠大氣污染排放標準（GB13233一1996），1996.[Z].

[8] 中國環境監測總站，鍋爐大氣污染物排放標準（GWPB3一1999），1999.[Z].

[9] 王剛.煙氣排放連續監測系統淺議[J].科技情報開發與經濟，2005（10）.

[10] 常虹.煙氣排放連續監測系統的分析與改進[D].華北電力大學碩士學位論文，2011.

[11] 朱法華，李輝，邱署光.煙氣排放連續監測技術的發展及應用前景[J].環境監測管理與技術，2010（4）.

[12] 齊文啟，孫宗光，邊歸國.環境監測新技術[M].化學工業出版社，2004.

[13] 劉海龍.煙氣在線監測系統在燃煤電廠的應用[J].節能與環保，2007（9）.

[14] HJ/T 45-1999，固體污染源排放氣中瀝青煙的測定-重量法[S].北京：中國環境出版社，1999.

[15] 閆向陽，穆曉宇.瀝青煙的紫外分光光度測定[J].北方環境，2004，29（3）：61-63.endprint

（3）紫外熒光法：通過一定波長的紫外光（214 nm）照射到含有SO2的氣樣上，激發SO2產生熒光，用光電倍增管檢測熒光強度，測定煙氣中的SO2濃度。紫外熒光法受芳香烴和水蒸汽的干擾，適用于芳香烴和水蒸汽干擾可以忽略或消除的場合，較適用于稀釋采樣法。

本論文中對SO2的連續監測采用紫外吸收法。

2.3.3 NOx的連續監測方法

NOx的連續監測方法有紅外吸收法、紫外吸收法、脈沖熒光法和化學發光法四種。

（1）紅外吸收法：通過測量NO對5.3 μm附近的紅外線吸收量的變化，連續測定煙氣中NO濃度。NO2是通過還原轉換器轉換成NO再測量。抗水份、CO、CO2、SO2及有機物的干擾能力較弱。

（2）紫外吸收法：通過NO在195～230 nm附近或NO2在350～450 nm附近的紫外光吸收原理進行測定。儀器維修容易，不易受氣流量、水蒸汽、CO2的影響。

（3）脈沖熒光法：采用脈沖紫外光照射到含有NOx的氣樣上，激發NOx產生熒光，用光電倍增管檢測熒光強度，測定煙氣中的NOx濃度。受芳香烴和水蒸汽的干擾，較適用于稀釋采樣法。

（4）化學發光法：測量NOx是NO和O3反應產生激發態的NO2，激發態的NO2轉為常態的NO2時，伴隨著光子的發射，產生化學發光，測量發光強度即NO濃度。適用于共存的二氧化碳干擾可以忽略或消除的場合。

本論文中對SO2的連續監測采用脈沖熒光法。

3 結語

基于CEMS系統，去掉信號輸送通訊系統，簡化控制及數據采集處理子系統、煙氣排放參數測試子系統，保留氣態污染物監測子系統，替換煙塵監測子系統為瀝青煙監測子系統，并另行設計一套適用于無組織排放監測的采樣系統，實現了對瀝青混合料有害氣體排放的連續監測。 文中以AC-20瀝青混合料為例，以室內試驗模擬瀝青混合料生產和使用各環節中的有害氣體排放實況，對N-CEMS系統的監測效果進行評價，同時總結了在拌合、攤鋪、碾壓各環節中各類有害氣體的排放特點，發現各類有害氣體在拌合工序的排放量顯著高于其它工序。對于不同類型的瀝青混合料，具體的排放特性宜做進一步研究。

參考文獻

[1] Pinchin Environmental Limited Air & Noise Group1Report for a Combustion Gas Emission Testing Program at the Miller Aggregate Resources Facility in Brechin， Ontario [R].1Mississauga，Group， 2005.

[2] 聯合國15聯合國氣候變化框架公約6 京都議定書[Z].日本，京都：2007.

[3] 李鴻.淺談瀝青煙的危害及幾種治理方法[J].有色金屬設計，2004，31（3）：73- 75.

[4] 郭擁武.火電廠煙氣排放連續監測系統設計[J].可編程控制器與工廠自動化（PLC FA），2006（5）.

[5] 陳翠青.煙氣排放連續監測系統的應用[J].發電設備，2009（1）.

[6] 郜武.煙氣連續監測系統（CEMS）技術及應用[J].中國儀器儀表，2009（1）.

[7] 中國環境監測總站，火電廠大氣污染排放標準（GB13233一1996），1996.[Z].

[8] 中國環境監測總站，鍋爐大氣污染物排放標準（GWPB3一1999），1999.[Z].

[9] 王剛.煙氣排放連續監測系統淺議[J].科技情報開發與經濟，2005（10）.

[10] 常虹.煙氣排放連續監測系統的分析與改進[D].華北電力大學碩士學位論文，2011.

[11] 朱法華，李輝，邱署光.煙氣排放連續監測技術的發展及應用前景[J].環境監測管理與技術，2010（4）.

[12] 齊文啟，孫宗光，邊歸國.環境監測新技術[M].化學工業出版社，2004.

[13] 劉海龍.煙氣在線監測系統在燃煤電廠的應用[J].節能與環保，2007（9）.

[14] HJ/T 45-1999，固體污染源排放氣中瀝青煙的測定-重量法[S].北京：中國環境出版社，1999.

[15] 閆向陽，穆曉宇.瀝青煙的紫外分光光度測定[J].北方環境，2004，29（3）：61-63.endprint