济南市固定污染源CO_%282%29在线监测系统比对监测解析.pdf

收稿日期院2023-04-14基金项目院国家大气重污染成因与治理公关项目:细颗粒物和臭氧污染协同防控耶一市一策爷驻点跟踪研究项目(DQGG202118)曰济南市碳监测评估试点专项工作.作者简介院耿晔(1983-)袁男袁山东济南人袁硕士袁高级工程师袁主要从事污染源自动监测尧碳监测和大气污染防治等工作.0引言温室气体又称温室效应气体袁 指大气中促成温室效应的气体成分袁温室效应可造成全球气温升高尧引发干旱洪涝灾害尧 物种灭绝和森林火灾等一系列济南市固定污染源 CO2在线监测系统比对监测解析耿晔1袁张文帅2袁闫学军1袁张福全1袁谢 勇1袁周城3袁殷保军3袁葛浩3渊1.山东省济南生态环境监测中心袁山东济南250101曰2.济南市计量检定测试院袁山东济南250101曰3.杭州泽天春来科技有限公司袁浙江杭州310051冤摘要院分别对不同行业尧不同测量原理的固定污染源CO2在线监测系统开展设备性能测试和准确度手工监测比对试验遥结果表明袁TDLAS法尧FTIR法和NDIR法CO2在线监测设备系统响应时间尧示值误差尧24 h零点漂移和量程漂移均满足相关考核要求袁设备运行稳定遥当待测烟气中渍(CO2)7%时袁碳素企业焙烧炉点位NDIR法和FTIR法CO2手工监测设备比对结果准确度绝对误差分别为0.03%和0.08%曰渍(CO2)在7%14%时袁生活垃圾焚烧企业焚烧炉点位NDIR法和FTIR法准确度相对误差分别为28.48%(超差1.22倍)和2.11%袁火力发电企业燃煤锅炉点位NDIR法和FTIR法准确度相对误差分别为10.81%和11.22%遥 NDIR法手工监测设备操作简便适用于中低温中低湿的稳定工况袁FITR法手工监测设备在高温高湿的复杂烟气测量环境中更有优势遥关键词院二氧化碳曰比对监测曰傅立叶变换红外光谱法曰在线监测曰可调谐半导体激光吸收光谱法中图分类号押 X8文献标志码押 A文章编号押 1674-4829渊2023冤0源-0058-06Comparison and Analysis of Carbon Dioxide Online Monitoring System for Stationary PollutionSources in Jinan CityGENGYe1,ZHANGWen-shuai2,YANXue-jun1,ZHANGFu-quan1,XIEYong1,ZHOUCheng3,YINBao-jun3,GEHao3(1.Shandong Jinan Environmental Monitoring Center,Jinan 250101,China;2.Jinan Metrology Inspection and TestingInstitute,Jinan 250101,China;3.Hangzhou Zetian Chunlai Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310051,China)Abstract:Equipment performance test and accuracy manual monitoring and comparison test were carried out for the CO2online monitoring system of fixed pollution sources in different industries and with different measurement principles.Theresults showed that the TDLAS,FTIR and NDIR CO2online monitoring equipment system response time,indication error,24-hour zero drift and range drift all meet the relevant assessment requirements,and the equipment operation is stable.When 渍(CO2)in the flue gas to be measured is less than 7%,the absolute error of the accuracy of the carbon enterpriseroaster point NDIR method and FTIR method CO2manual monitoring equipment comparison results is 0.03%and 0.08%,respectively;In the measurement range of 7%-14%,the relative errors of the accuracy of the NDIR method and the FTIRmethod were 28.48%(1.22 times the difference)and 2.11%,respectively.The relative accuracy errors of NDIR method andFTIR method of coal-fired boiler in thermal power generation enterprises were 10.81%and 11.22%,respectively.The manualmonitoring equipment of NDIR method is easy to operate,suitable for stable working conditions of medium and lowtemperature,medium and low humidity,and the manual monitoring equipment of FITR method has more advantages in thecomplex flue gas measurement environment of high temperature and high humidity.Key words:CO2;Comparison monitoring;FTIR;Online monitoring;TDLAS第36卷第4期圆园23年8月环 境 科 技耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼葬造 杂糟蚤藻灶糟藻 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠灾燥造援36No.4Aug援圆园23第 猿6 卷第 4 期次生危害遥 温室气体中 CO2占比约 74%袁其主要来源为化石燃料燃烧和工业活动生产袁 所以控制温室效应的关键为控制固定源 CO2的排放1-2遥 减污降碳的前提为获得大量野真实尧有效尧准确冶的一手 CO2排放监测数据袁2020 年 6 月生态环境部发布的 叶生态环境监测规划纲要渊2020-2035冤曳提出了将 CO2监测纳入常规监测体系统筹设计的规划袁 要求结合现有污染源监测体系袁探索开展固定源 CO2监测袁在线监测作为我国监测体系的重要组成部分袁 在固定源监测领域发挥着重要的作用遥国内外针对固定源 CO2的排放监测袁 已经逐步开始安装使用 CO2在线监测系统 渊CO2-CEMS冤袁相关标准中针对固定源温室气体在线监测设备也主要以 CO2测量单元为主袁 目前国内层面部分省市已开始将叶省级温室气体清单编制指南曳中将基于在线监测数据实测法的核算的数据纳入碳排放核算和质控验证体系中袁 而欧美国家早已将基于在线监测数据实测法的温室气体核算方法纳入企业报告温室气体排放量的依据3遥 因此研究固定源 CO2在线监测系统的设备性能和手工比对监测技术袁 将是摸清重点行业温室气体排放清单底数袁 建立我国固定源温室气体自动监测体系构架和按时完成双碳战略目标的重要支撑遥 目前固定源温室气体 CO2监测方法主要有非分散红外吸收法渊NDIR冤尧可调谐半导体激光吸收光谱法渊TDLAS冤尧傅立叶变换红外光谱法渊FTIR冤尧气相色谱法渊GC冤等4袁其中手工方面的已建立的国标方法有 HJ 870要2017叶固定污染源废气 二氧化碳的测定 非分散红外吸收法曳和 HJ 1240要2021叶固定污染源废气 气态污染物的测定 便携式傅立叶变换红外光谱法曳2 类曰在线方面已颁布的 T/CAEPI 47要2022 叶固定污染源二氧化碳排放连续监测系统技术要求曳尧T/CAEPI 48要2022 叶固定污染源二氧化碳排放连续监测技术规范曳和 T/CAS 454要2020叶火力发电企业二氧化碳排放在线监测技术要求曳 等几项团体标准均未指定相关的监测方法袁 目前国内基于NDIR 法尧TDLAS 法和 FTIR 法的在线连续监测系统的技术日趋成熟遥近年来袁 部分学者开始对国际层面的温室气体监测量值传递和质量控制和国内层面的环境空气中的温室气体监测技术开展研究5-7袁但对国内以固定源 CO2为主的温室气体监测技术研究的较少袁 故本文以济南市碳监测试点工作为契机袁 选取国内典型工业城市济南市为代表袁 将其部分重点行业固定源温室气体 CO2在线监测设备作为研究样本袁 开展CO2-CEMS 准确度验证的手工比对监测研究工作遥1试验部分1.1试验方案基于 TDLAS 法尧FTIR 法和 NDIR 法在线监测设备开展固定污染源 CO2在线监测仪器技术研究袁选取济南市某碳素企业渊TDLAS 法冤尧某生活垃圾焚烧企业渊FTIR 法冤和某火力发电企业渊NDIR 法冤CO2在线监测系统渊CO2-CEMS冤为试点袁分别对其净化设施总排口的 CO2-CEMS 进行仪器性能测试和手工监测方法比对测试遥 通过对仪器性能指标测试和手工比对监测获取的设备性能指标和监测结果数据的分析袁为后续的 CO2-CEMS 比对监测研究提供基础数据支撑遥1.2主要仪器和试剂可调谐半导体激光吸收光谱渊TDLAS冤技术原理主要通过获取待测气体特征吸收的光谱谱线来实现袁半导体激光器发射出特定波长的激光束渊仅能被被测气体吸收冤袁穿过被测气体时激光强度的衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系袁 从而进行定量分析8遥 该方法具有不受背景气体和粉尘污染干扰尧漂移小等特点遥 无论是手工还是在线 NDIR 法的监测设备其测量单元核心是光学传感器袁 主要由红外光源尧光路和红外探测器等组成袁红外光源发射出 1 20 滋m 的红外光袁通过一定长度的气室吸收后袁再经过一个 4.26 滋m 波长的窄带滤光片袁 由红外传感器监测透过 4.26 滋m 波长红外光的强度袁 以此表示CO2气体的浓度值袁NDIR 法具有稳定性高尧 操作简单和造价低等特点遥 FTIR 法在线和手工监测设备的测量原理均为红外线光源发射不同波长的红外线辐射袁红外辐射通过调制红外辐射的干涉仪袁干涉仪对进入干涉仪的红外辐射执行光学傅立叶逆变换袁被调制的红外光束穿过气体样本袁 最后红外光束的强度由检测器检测袁 将检测到的信号数字化并通过计算机进行傅立叶变换以获得样品气体的 IR 光谱9遥FT-2000PH 型手工监测设备采样装置全程高温伴热袁 可通过算法有效地去除烟气中水份与待测气体之间的交叉干扰袁具有高灵敏度尧低检出限的特点袁但设备预热时间较长遥 不同 CO2测量设备样品清单见表 1遥耿晔等济南市固定污染源CO2在线监测系统比对监测解析59环境科技2023 年 8 月监测点1#某碳素企业焙烧炉总排口2#某生活垃圾焚烧企业焚烧炉总排口3#某火力发电企业燃煤锅炉排口CO2在线设备杭州泽天春来 GMA-3000 型TDLAS 法(量程院0 25%)杭州聚光 CEMS-2000BFT 型FTIR 法(量程院0 20%)山东新泽 TK-1000G 型 NDIR 法(量程院0 30%)CO2手工设备a 组:青岛明华 MH3203 型 NDIR 法碳排放监测仪曰b 组:杭州泽天 FT-2000PH 型热湿法FTIR 温室气体分析仪标气中国计量科学研究院国家标准物质研究中心渍(N2)院99.999%曰渍(CO2)院6.25%袁13.9%袁21.7%中国计量科学研究院国家标准物质研究中心渍(N2)院99.999%曰渍(CO2)院4%袁11.4%袁19%中国计量科学研究院国家标准物质研究中心渍(N2)院99.999%曰渍(CO2)院7%袁17%袁24%1.3CO2-CEMS 设备性能测试此次 1#袁2#和 3#监测点测试的 CO2-CEMS 测量原理分别为 TDLAS 法尧FTIR 法和 NDIR 法袁参照T/CAEPI 47要2022叶测技术要求曳完成设备技术指标测试工作袁测试内容涵盖示值误差尧系统响应时间尧24 h 零点漂移和量程漂移等设备调试指标遥 其中示值误差测试通过分别接入高尧 中尧 低 3 种浓度的 CO2标准气体来实现袁 示值误差考核指标为标准气体标值的依 5%以内曰按照 CO2-CEMS 设备的采样流量通入纯度为 99.999%的 N2标准气体袁待显示零点读数后再按照同一流量通入 CO2标气并开始计时袁到CO2-CEMS 示值达到使用标气浓度的 90%时结束袁中间间隔时间即为响应时间袁 响应时间考核指标应臆 200 s曰24 h 零点漂移 Zd指在仪器未进行维修尧保养或调节的前提下袁CO2-CEMS 运行 24 h 后通入零点气体袁 仪器的读数与零点气体初始测量值之间的偏差相对于满量程的百分比袁24 h 零点漂移考核指标应小于 F.S.的依 2.5%曰24 h 量程漂移 Sd指在仪器未进行维修尧保养或调节的前提下袁CO2-CEMS 运行 24 h 后通入量程校准气体袁仪器读数与量程校准气体初始测量值之间的偏差相对于满量程的百分比袁24 h 量程漂移考核指标应小于 F.S.的依 2.5%遥1.4手工比对分别参照 HJ 870要2017叶固定污染源废气 二氧化碳的测定 非分散红外吸收法曳 和 HJ 1240要2021叶固定污染源废气 气态污染物的测定 便携式傅立叶变换红外光谱法曳 的规定现场完成同时段外排烟气中 CO2浓度的手工测定工作并考核二者之间的准确度遥 准确度的考核方法为手工方法和 CO2-CEMS 同步测定烟气中的 CO2浓度袁 手工和在线 2 种测量方法在近似的测量环境渊烟气温度尧压力和湿度冤下完成 9 组数据对测试袁每组取 10 min 均值袁计算绝对误差和相对误差袁CO2在线方法和手工方法测定浓度均为干烟气体积浓度值遥 考核指标为当手工方法测量烟气中 CO2排放浓度的平均值 3#2#袁 其中 1#,3#监测点比对结果准确度指标均符合考核要求袁2#监测点误差较大袁 不符合考核要求曰 FITR 法手工监测设备 3 个监测点比对结果准确度考核指标从低到高分别为院1#2#3#袁且 3 个监测点考核结果均符合考核要求遥这表明在碳素企业焙烧炉尧 火电企业燃煤锅炉等原料尧生产工艺和治污设备稳定性强袁烟气中气体成分单一的中低温和中低湿测量环境中 渊烟温小于49 益尧湿度小于 8.5%冤袁在 CO2中低体积分数测量区间渊0 13%冤内袁NDIR 法和 FTIR 法手工监测设备均有良好的适用性袁 比对结果准确度误差较小袁 其中NDIR 法设备稳定性更强袁 数据变化幅度较小袁而FTIR 法精确度更高袁更适合完成超低 CO2浓度区间的手工监测工作遥 在生活垃圾焚烧企业这类烟气成分复杂的高温高湿 渊烟温大于 160 益尧 湿度大于21%冤 测量环境中袁NIDR 法手工监测设备不能发挥其数据稳定性强的优点袁 而 FTIR 法手工设备因其灵敏度强尧分辨率高的特点袁不受红外聚集产生的热效应影响袁测量结果的代表性更强袁在该领域更具优势遥图11#袁2#袁3#监测点手工设备比对测试结果2.3偏离原因渊1冤3#监测站 TK-1000G 型 NDIR 法在线设备性能测试结果中零点漂移尧 量程漂移和示值误差测试结果较 1#和 2#监测点设备偏离较多的原因可能和该站点设备维护频次不足有关袁 由于该设备未严格按照规范进行常规 7 d 一个频次的设备零点和量程校准袁造成在线监测结果出现一定程度的偏离袁表 4中 2 种手工监测结果准确度相对误差数值较高也与该原因相关遥渊2冤1#碳素企业焙烧炉监测点和 3#火电行业燃煤锅炉监测点生产工况稳定尧生产原料单一袁同时待测烟气处于中低温和中低湿测量环境袁而 2#生活垃圾焚烧炉企业焚烧炉点位由于生产原料来源复杂袁造成了其生产工况波动较大尧 烟气成分为复杂的高温高湿的测量环境遥 卿雪梅等10研究发现 CO2监测设备受水汽等因素影响监测结果会造成一定程度的0.100.080.060.040.02035302520151050123456789试验频次1#3#2#0.200.180.160.140.120.100.080.060.040.02014121086420123456789试验频次1#3#2#渊b冤FTIR 法手工设备比对结果频次62第 猿6 卷第 4 期偏差袁 待测气体需严格干燥方能保障监测结果的可靠性遥 FT-2000PH 型 FTIR 法手工设备采样装置全程伴热且分析仪自身通过相关算法已扣除少量水份对结果的影响袁 而 MH3203 型 NDIR 法手工设备仅采样枪前部加热袁 未伴热的采样管路极易产生冷凝水对监测结果造成影响遥3结论渊1冤1#监测点 GMA-3000 型 TDLAS 法在线设备系统响应时间尧24 h 零点漂移尧量程漂移和示值误差均值分别为 135 s袁0袁0.32%袁0.19%曰2#监测点CEMS-2000BFT 型 FTIR 法设备系统响应时间尧24 h零点漂移尧 量程漂移和示值误差均值分别为 200 s袁0.3%袁-0.25%袁-0.36%曰3#监测点 TK-1000G 型NDIR 法在线设备系统响应时间尧24 h 零点漂移尧量程漂移和示值误差均 值分别 为 200 s袁1.2%袁-1.35%袁-3.72%遥3#监测点设备性能测试结果误差稍大袁 但整体来看上述 3 个监测点的在线设备测试结果均可满足 T/CAEPI 47要2022 的要求袁设备性能稳定运行状态良好遥渊2冤当待测烟气中 渍渊CO2冤 7%的考核区间内袁碳素企业焙烧炉 CO2手工比对测试结果 NDIR 法和FTIR 法准确度绝对误差均值分别为 0.03%袁0.08%袁均符合 T/CAEPI 47要2022 的要求遥 当待测烟气中 渍渊CO2冤在 7%14%的考核区间内袁生活垃圾焚烧企业焚烧炉 CO2手工比对测试结果 NDIR 法设备相对误差均值为 28.48%袁 不满足 T/CAEPI 48要2022 的考核要求曰 而 FITR 法设备在该测量环境中适用性更强袁 比对相对误差均值为 2.11%袁 满足 T/CAEPI47要2022 的考核要求曰 火力发电企业燃煤锅炉 CO2手工比对测试结果 NDIR 法和 FTIR 法准确度相对误差均值分别为 10.81%袁11.22%袁 均符合 T/CAEPI47要2022 的要求遥渊3冤NDIR 法手工设备因其便捷性较高尧设备稳定性强的特点袁在碳素行业焙烧炉尧火电行业燃煤锅炉这类原料单一尧 生产负荷较稳定且烟气成分单一的中低温中低湿测量环境中完成 CO2比对工作更有优势曰而 FTIR 法手工因其灵敏性更高袁抗干扰能力强更适用于完成生活垃圾焚烧这类原料成分复杂且高温高湿烟气测量环境中的 CO2比对监测工作遥参考文献1 胡永飞,姚艳霞,苏玲彦,等.燃煤电厂固定排放源二氧化碳排放量化方法比对J.中外能源,2020,25(12):71-77.2 王慧茹,封学军,沈金星,等.基于 SVR 的江苏省交通运输业碳排放达峰预测J.环境科技,2022,35(3):58-63.3 王霂晗,朱林,张晶杰,等.欧盟火电厂二氧化碳排放在线监测系统质量保证体系对中国的启示 J.中国电力,2020,53(3):154-158,176.4 耿晔,武洋洋,赵腾.固定源排放温室气体监测技术现状与发展建议J.环境与发展,2022,34(8):58-62.5 徐驰,吕怡兵,李健军,等.国际温室气体监测量值传递与质量控制经验及启示J.中国环境监测,2023,39(1):10-18.6 曹军,汪琦,徐政,等.我国环境空气中温室气体监测技术研究进展J.环境监控与预警,2022,14(1):1-6.7 李海洋,葛志松,宋进.固定污染源温室气体排放量直接监测方法综述J.中国测试,2022,48(10):181-188.8 陈永彬.基于 TDLAS 的火力发电厂锅炉燃烧 CO 浓度检测系统设计与应用J.自动化与仪器仪表,2022,277(11):184-188.9 郭杰,张涵,于志伟,等.基于傅里叶变换红外光谱技术垃圾焚烧烟气在线监测J.中国仪器仪表,2018,326(5):63-66.10 卿雪梅,臧昆鹏,林溢,等.国产高精度温室气体分析仪性能评估J.环境化学,2022,41(12):4 087-4 096.渊责任编辑李文浩冤耿晔等济南市固定污染源CO2在线监测系统比对监测解析63