基于大氣環境監測與治理技術設備的研究

羅林

【摘 要】對傳統大氣環境監測與治理技術的研究，發現傳統的大氣監測與治理技術設備存在著可靠性低、穩定差、故障率高、系統更新成本高等缺點，提出了先進的大氣環境監測與治理技術設備應具備的硬件組成、技術指標、控制工藝、電氣控制、PLC模擬量的應用、污染因子的監測等 ，希望能為當今大氣環境的治理技術提供一定的技術參考。

【關鍵詞】PLC；設備；控制；污染；治理

中圖分類號： X830；X505 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0149-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.068

0 引言

當前，我國大氣污染狀況十分嚴重，主要呈現為煤煙型污染特征。城市大氣環境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標；二氧化硫污染保持在較高水平；機動車尾氣污染物排放總量迅速增加；氮氧化物污染呈加重趨勢，特別是以北方城市顆粒物和南方城市酸雨為特征的城市大氣污染依然比較嚴重，大量燃煤工業造成煤煙型污染， 二氧化硫濃度年均值達不到國家的標準，城市空氣中顆粒物常年居高不下，而且機動車數量快速上漲， 污染物排放總量仍在增加。北京、上海、廣州、武漢、鄭州、沈陽等城市氮氧化物污染較重， 交通干線兩側一氧化碳嚴重超標， 部分城市的大氣污染類型已經由煤煙型轉變為復合型。大氣污染時刻威脅著人們的生活和健康，因此治理大氣污染、提高城市清潔能源比例，減少環境的污染，實現科學健康的發展，急需要一套先進的大氣環境監測與治理技術設備和先進的控制技術。

1 傳統大氣環境監測與治理技術

1.1 傳統大氣環境的監測

我國《大氣污染防治法》最早頒布于1987年，而傳統的大氣環境污染物監測是由政府部門下設的環境監測部門，根據污染物的存在狀態，大氣污染監測項目也分粒狀污染物監測和氣態污染物監測兩大監測項目。其中，粒狀污染物監測又分總懸浮微粒監測、飄塵監測、降塵監測和粒狀污染物成分監測；氣態污染物監測包括二氧化硫、氮氧化物、-氧化碳、光化學氧化劑（O3）、氯化氫、氟化氫、總烴等。實際上，在大氣環境監測中，總懸浮微粒、二氧化硫、氮氧化物三項是必測項目，其他項目則要根據實際情況和監測目的進行選擇。

根據污染物在大氣中的存在形態、濃度和分析方法靈敏度的不同，氣樣采集方法分非濃縮采樣法和濃縮采樣法兩種。非濃縮采樣法亦稱直接采樣法：當待測物在大氣中的含量較大或分析方法的靈敏度較高時，用塑料袋、注射器或其它合適的容器，采集少量氣樣，即可供分析測定使用；濃縮采樣法：當待測物在大氣中的濃度較低或分析方法的靈敏度不夠高時，要使用濃縮采樣法采集氣樣。使用最廣的濃縮采樣法有過濾法或溶液吸收法。（1）過濾法。此法用于粒子狀污染物的采集。采樣時，將濾紙或有機濾膜夾持在專用的采樣頭上，將采樣頭與流量計、抽氣泵連接。啟動抽氣泵后，氣體分子透過濾紙（或濾膜）經流量計計量，再經抽氣泵外排，粒狀物則被阻留在濾紙或濾膜上，抽氣時間越長，濾紙上阻留的粒狀物也越多。（2）溶液吸收法。多用于分子狀或蒸氣污染物采集，捕集待測物質的儀器為吸收管，吸收管中盛有能與待測物質發生作用的吸收液，將吸收管與流量計和抽氣泵連接。啟動抽氣泵，當大氣以氣泡形式通過盛有吸收管的吸收液時，在氣-液界面上，發生待測氣體的溶解作用或與吸收液的化學反應，使待測物留在吸收液中。與此同時，氣泡內的分子因本身的熱運動而迅速擴散到氣泡表面，繼續發生溶解作用或化學反應，如此繼續下去，即完成待測物的吸收過程。顯然，通氣時間越長，吸收液中待測物的濃度就越大，因此，采樣過程就是被測物的濃縮過程。濃縮采樣法除過濾法和溶液吸收法外，還有固體采樣管阻留法、低溫冷凝法等

1.2 傳統大氣環境的治理

傳統大氣污染的主要來源，是散布在大氣中的鍋爐燃煤和民用燃煤的污染物及機動車廢氣污染物，污染物主要是煙塵顆粒物、SO2、CO、NOx等。傳統的去處污染物主要采用了煙氣濕法脫硫工藝，即含硫煙氣的預處理（如降溫、增濕、除塵），吸收，氧化，富液處理（灰水處理），除霧（氣水分離），被凈化后的氣體再加熱，以及產品濃縮和分離等工藝。

1.3 傳統大氣環境監測與治理設備的缺點

濕法煙氣脫硫主要設備是指脫硫塔（或洗滌塔、洗滌器）和脫硫除塵器，這種設備系統復雜，維護費用高、耗水量大，脫硫后排煙溫度低影響大氣擴散等。而且，濕法煙氣脫硫通常存在富液難以處理、沉淀、結垢及堵塞、腐蝕及磨損等等棘手的問題。這些問題如解決的不好，便會造成二次污染、運轉效率低下或不能運行等特點。

所以，傳統的煙氣濕法脫硫工藝設備龐大、系統復雜，而且煙氣濕法脫硫控制多采用繼電器接觸器控制和XDPS集散控制，繼電器接觸器控制系統和XDPS集散控制系統線路布局復雜、故障率高、穩定性和可靠性較等缺點。

2 先進大氣環境監測與治理技術設備應具備的組成

大氣環境監測與治理技術的設備應能夠監測燃煤發電廠煙氣、燃煤工業鍋爐和窯爐鍋爐中的煙氣、大氣中的顆粒物，而且能夠將污染氣體進行除塵、煙氣進行脫硫等技術。主要應由以下幾部分組成：

（1）煙氣監測系統：主要是通過多種在線傳感技術，進行數據采集、信號傳輸、信息顯示和系統反饋，由上位機工程對整個系統進行監控、預警和診斷。由觸控一體機、鉑熱電阻、溫濕度傳感器、風速傳感器、壓力變送器、微差壓傳感器、粉塵傳感器、二氧化硫傳感器、氮氧化合物傳感器、氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、在線PH儀、物位儀、采樣槍、粉塵采樣器和皮托管等組成監測系統。

（2）煙氣除塵系統：采用機械式與過濾式的除塵裝置，對空氣或者鍋爐煙道氣中的顆粒物進行凈化處理。由旋風除塵器、布袋除塵器和粉塵回收裝置組成除塵系統。

（3）煙氣脫硫系統：采用化學吸收與物理吸附的方法，對鍋爐煙道氣中的氣態污染物進行凈化處理。能夠采用氨-亞硫酸氨法脫硫、濕式脫硫、活性炭吸附塔和煙囪等組成脫硫系統。

（4）電氣控制系統：采用西門子S7-1200 SMART系列主機和模擬量輸入輸出模塊組成，完成設備運行控制及傳感器的數據采集和計算。采用三菱 FR-D700 系列變頻器控制引風機，已達到節能環保的效果。同時，控制系統中包含設備保護措施如漏電保護器、中間繼電器、隔離變壓器等。

3 先進的大氣環境監測及治理技術設備應具備的功能

通過PLC控制的大氣環境監測及治理技術設備可以在線監測煙道氣體取樣分析，可以對風速、風量、壓力、溫度、濃度等參數進行調節和控制，可以對相關儀表的參數進行設定和校正。該控制可以對固定污染源——鍋爐煙氣的各個污染因子進行凈化處理和實時監測，對旋風除塵技術、布袋除塵技術、煙氣脫硫技術、活性炭吸附技術、煙道及煙囪的取樣監測技術、污染因子在線監測技術的應用和分析，進而可以進行環境監測與評價、城市監測與工程技術分析、室內監測和工業環保與安全技術等環境方面的研制。

4 先進的大氣環境監測及治理技術設備應具備的工藝流程

先進的大氣污染監測與治理設備應采用旋風除塵技術→布袋除塵→氨-亞硫酸氨法脫硫、濕法脫硫→物理吸附的組合工藝，對以煙塵和酸性氣體為主要污染因子的煙氣進行有效處理，其工藝流程如下：

5 先進的大氣環境監測及治理技術設備應具備的控制系統

先進的大氣環境監測及治理技術設備應采用西門子PLC作為主要控制設備，通過PLC對繼電器和接觸器等輔助電氣元件的控制來完成設備的邏輯控制，以及各類傳感器的數據采集。同時，控制系統還采用變頻控制的手段來完成對大功率設備的控制，以實現節能環保的目標。

5.1 控制系統應具備的組成單元

設備控制系統應包含以下部分：電源控制單元、調控單元、主控單元和控制對象。

（1）電源控制單元：作為整個設備的電源控制中心，提供220V的交流電和24V的直流電，控制單元中還有短路漏電保護功能。

（2）調控單元：由電機調速器和PH計組成，電機調速器主要完成對電機的啟停控制和電機轉速的顯示。PH計完成對堿液池溶液的PH值檢測顯示，并對檢測值做變松和報警輸出。

（3）主控單元：由按鈕、西門子PLC主機、模擬量輸入模塊和模擬量輸入輸出模塊組成。按鈕作為系統的啟停輸入信號，西門子PLC主機完成設備的邏輯控制，模擬量輸入輸出模塊完成傳感器的數據采集和對調節閥閥門開度的控制。

（4）控制對象單元：主要是用圖形描述系統的流程和設備的連線。

5.2 控制系統的輸入輸出I/O

大氣環境監測及治理技術設備中的I/O點，數字量的輸入I0.0-I0.7可以作為手動控制按鈕，Q0.0-Q0.7分別用作補氣泵、燈、振動電機、噴淋泵2#、噴淋泵1#、清洗泵、電磁閥YV2、電磁閥YV1。模擬量輸入AI1+和AI1—用作排放NOX濃度+和排放NOX濃度—，AI2+和AI2—用作排放SO2濃度+和排放SO2濃度—，AI3+和AI3—用作排放O2濃度+和排放O2濃度—，AI4+和AI4—用作排放CO2濃度+和排放CO2濃度—，AI5+和AI5—用作排放CO濃度+和排放CO濃度—，AI6+和AI6—用作起始SO2濃度+和起始SO2濃度—，AI7+和AI7—用作排放顆粒物濃度+和排放顆粒物濃度—，AO1+和AO1—用作閥控信號+和閥控信號—，AO2+和AO2—用作調控信號+和調控信號—。

6 技術設備應具備的監控系統

系統應采用工控組態軟件MCGS制作系統監測界面，采用工業以太網實現監控中心與遠程設備的數據交換和遠程監控，使控制模式更貼近實際工業現場。監控系統主要具備以下三個方面：

（1）系統調試界面：完成單個設備的手動調試、各傳感器在線顯示，以及監控中心與PLC主機的通訊狀態。

（2）系統總圖：在線顯示整個系統運行流程，以及各單元設備工作狀態和在線顯示煙氣排放各項指標。

（3）數據存盤：對煙氣排放各項指標進行定時存盤顯示，并做打印輸出及Excel報表輸出，實現對煙氣排放的綜合記錄和規律總結。

7 技術設備中的PLC選型和模擬控制

在大氣環境監測及治理技術設備中 PLC是核心就像人的大腦一樣起到邏輯控制功能，PLC采用當前比較流行的西門子S7-1200 SMART CPUSR40的主機，模擬量模塊EMAE04和EMAM06。具體控制包括兩個方面：

（1）PLC的通訊：與普通的西門子PLC的通訊不一樣，SMART PLC采用網線通訊，打開軟件在項目樹中雙擊“通信”，單擊“查找CPU”，當出現CPU 地址后點擊確認。

（2）PLC的編程：大氣環境監測及治理技術設備中的PLC編程難點在于模擬量的編程，而模擬量的編程要會模擬量值和A/D轉換值的轉換。其轉換原理：假設模擬量的標準電信號是A0-Am（如：4-20mA），A/D轉換后數值為D0-Dm（如：5530-27648），設模擬量的標準電信號是A，A/D轉換后的相應數值為D，由于是線性關系，函數關系A=f（D）可表示為數學方程：A=（D-D0）×（Am-A0）/（Dm-D0）+A0，由該方程可以得出函數關系D=f（A）數學方程：D=（A-A0）×（Dm-D0）/（Am-A0）+D0；如某溫度傳感器輸出為4-20mA，量程為-10-60℃，以T表示溫度值，AIW16為PLC模擬量采樣值，則根據上式直接代入得出：T=70×（AIW16-5539）/22118-10，然后通過PLC中的實數的乘除法指令進行編程，達到控制的目的。

8 實驗結果

實驗結果表明先進大氣環境監測與治理技術設備能夠自動化監測大氣環境中各種污染因子和除塵凈化處理，為當今大氣環境污染的治理提供一定的技術參考。

【參考文獻】

[1]鞏倩汝.北京市霧霾治理政策措施研究[J].企業改革與管理，2014（12）：128—129.

[2]徐曼，張璇，張曉彤.石家莊市冬季典型污染過程分析[J]河北工業科技，2015，321（4）：364-370.

[3]任毅斌.基于倫敦治療經驗的中國城市空氣污染治理探討[J].河北工業科技，2013，30（5）：386-390.

[4]郭新彪.大氣污染對健康影響研究的一些新進展[J].北京大學學報：醫學版，，2007，（2）：117-119.

[5]中華人民共和國環境保護部科技標準司.污染防治技術政策與技術指南[M].北京：中國環境科學出版社，2014.