VOCs治理過程中在線廢氣濃度檢測儀表的選型分析

贠瑩 戴金玲 王海波 劉偉

摘 ?????要： VOCs治理過程中廢氣濃度若積累到一定程度容易引發(fā)爆炸事故，造成人身傷害和經(jīng)濟損失，因此選擇合適的儀表對廢氣濃度進行在線檢測至關(guān)重要。對催化燃燒法，紅外吸收法和激光二極管法的工作原理及性能指標進行了深入分析比較，并介紹了三種原理的工程應(yīng)用案例，最后提出VOCs治理過程中在線廢氣濃度檢測儀表的選型建議，以期供選用者參考。

關(guān) ?鍵 ?詞：VOCs治理;催化燃燒;紅外吸收;激光二極管;選型分析

中圖分類號：X 701 ??????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2698-04

Analysis on the Selection of Appropriate Instrument?for Online Detection of Exhaust Gas Concentration?in the Process of VOCs Treatment

???YUN Ying， DAI Jin-ling， WANG Hai-bo， LUI Wei

（Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Liaoning Dalian?116045，?China）

Abstract： During?the process of VOCs treatment， the explosion?may happen if the concentration of exhaust gas reaches a critical level， which?can lead to huge economic loss and personal injuries. So it is?crucial?to choose an?appropriate instrument for?online?detection of?the concentration?of exhaust gas.?In this paper， the working principle， performance indexes and application cases of catalytic combustion method， infrared absorption method and laser diode method?were analyzed and compared.?And some advice?on the selection of?instrument for?online?detection of the concentration?of exhaust gas?was put forward.

Key words： VOCs treatment; Catalytic combustion; Infrared absorption; Laser diode; Analysis of selection

揮發(fā)性有機化合物（VOCs）是指常溫下飽和蒸氣壓大于133.32 Pa，常壓沸點小于260 ℃的有機化合物。VOCs按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為烷烴類、芳烴類、烯烴類等^[1，2]。

石油化工生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的VOCs，這些具有刺激性氣味的VOCs揮發(fā)到大氣中不僅會給人類的健康帶來危害，還會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響^[3-5]，因此，在VOCs治理過程中設(shè)置在線廢氣濃度檢測儀表來檢測環(huán)境中或管道內(nèi)的廢氣濃度，當(dāng)廢氣濃度超過一定限值會發(fā)出聲光報警信號，提醒操作人員做出相應(yīng)措施以保障生產(chǎn)安全至關(guān)重要。

VOCs治理過程中廢氣濃度的在線檢測儀表有多種，在進行儀表選型分析時，需要根據(jù)不同的工藝測量條件、測量要求、安全控制、儀表價格及儀表自身技術(shù)指標等選擇最適合當(dāng)時工況的在線廢氣濃度檢測儀表。一旦廢氣在線濃度檢測儀表選型不合理會給VOCs治理過程帶來嚴重的影響，甚至造成人員中毒事件和爆炸事故^[6-8]。

1 ?VOCs在線廢氣濃度檢測儀表選型

目前VOCs治理過程中廢氣濃度的檢測儀表主要有基于催化燃燒原理的可燃氣體探測器、基于紅外吸收原理的可燃氣體探測器以及基于激光二極管原理的激光氣體分析儀。本文主要對以上三種檢測儀表進行探討，從原理出發(fā)分析其性能指標，通過工程應(yīng)用案例來例證選型的合理性，以期給選用者提供正確的選型參考。

1.1 ?VOCs廢氣濃度檢測儀工作原理

1.1.1 ?催化燃燒原理

催化燃燒原理是利用傳感元件接觸可燃性氣體時產(chǎn)生催化燃燒，傳感元件溫度隨之升高，從而使元件的阻值增大，通過惠斯頓電橋檢測電阻的變化來測定氣體的濃度^[9]。

采用催化燃燒原理的優(yōu)點主要有：

（1）當(dāng)廢氣成分不確定時依然可以有效檢測;

（2）探測器具有自動標定功能;

（3）使用方便;

（4）容易實現(xiàn)對溫度的補償。

催化燃燒原理的缺點主要有：

（1）采用低溫催化無焰燃燒時間久了催化涂層會被燒掉，不能實現(xiàn)連續(xù)測量;

（2）催化燃燒反應(yīng)過程需要一定的時間;

（3）樣氣中含有的硫、硫化氫、鹵族元素等會導(dǎo)致催化劑中毒。

1.1.2??紅外吸收原理

紅外吸收原理是利用一些可燃性氣體（碳氫化合物）對特定波長的紅外輻射具有較強的吸收能力，通過測量紅外能量的減少量從而得到可燃氣體的濃度^[10]。

采用紅外吸收原理的可燃性氣體探測器的優(yōu)點是價格相對較低、傳感器壽命長、線性度好、響應(yīng)速度快、長期工作穩(wěn)定可靠、不受硫化氫等毒物干擾等。缺點是只能檢測碳氫化合物、CO₂等對紅外輻射能有明顯吸收能力的氣體，樣氣要求潔凈，不能有粉塵及水蒸氣等影響光路的成分，標定時通常使用的是50%?LEL的甲烷，全量程標定需要與廠家溝通定制標氣。

1.1.3??激光二極管吸收原理

激光二極管吸收原理由激光發(fā)射模塊發(fā)出激光束穿過被測氣體，光電傳感模塊中的探測器進行接收，分析控制模塊對獲得的測量信號進行數(shù)據(jù)采集和分析后得到被測氣體濃度^[11]。通過測量激光強度衰減可以分析獲得被測氣體的濃度，光強度的衰減與探測光程之間的被測氣體含量成正比^[12]。

VOCs項目中通常采用激光二極管吸收原理用于廢氣進口的氧含量分析而沒有用于烴濃度的檢測。激光二極管吸收原理的優(yōu)點是可進行現(xiàn)場分析或取樣分析、響應(yīng)速度快、智能化程度高、維護方便、樣氣不潔凈不會影響儀表本身;缺點是，測量過程中只能檢測某一種氣體組分如O₂、CO、CH₄等，安裝時有管徑和長度的最低要求，需要氮氣持續(xù)吹掃，體積大，價格貴，需要溫度壓力補償，不適合小的實驗裝置等。

1.2??檢測儀表性能指標

三種原理主要性能指標對比分析如表1。

表1中列舉了催化燃燒原理，紅外吸收原理，激光二極管吸收原理的主要性能指標。從測量范圍、響應(yīng)時間、傳感器壽命、價格、精確度五項性能指標中能夠清晰地看到三種原理自身的優(yōu)勢與劣勢，分析其性能指標如圖1所示。

圖1中形象地將三種原理的性能指標進行表示，可以以此為選型參考依據(jù)。

下面將三種原理對檢測對象的要求對比分析如表2。

2??在線檢測儀表工程應(yīng)用案例

2.1 ?催化燃燒原理可燃氣體探測器的應(yīng)用

圖2為某廠VOCs治理裝置采用催化燃燒原理的可燃氣體探測器的結(jié)構(gòu)圖。

催化燃燒原理的可燃氣體探測器可將可燃氣體爆炸下限濃度線性轉(zhuǎn)換成4～20?mA 模擬信號，與可燃氣體報警控制器、DCS或PLC設(shè)備構(gòu)成一個檢測系統(tǒng)，以實現(xiàn)安全保障的目的。催化燃燒可燃氣體探測器可配接一體安裝的訊響報警器，在氣體濃度超過設(shè)定值時，發(fā)出聲光報警信號。

圖3為某廠VOCs治理裝置采用催化燃燒原理的可燃氣體探測器的實例應(yīng)用圖。

該廠VOCs治理裝置處理的廢氣含多種可燃性氣體且各組分含量較低。工藝要求每間隔2～3?h需要檢測一次廢氣濃度。

選型依據(jù)：綜合考慮廢氣性質(zhì)、工藝要求、儀表價格及儀表自身技術(shù)指標，該廠選用催化燃燒原理可燃氣體探測器檢測管道內(nèi)可燃氣體的濃度以保障生產(chǎn)安全。

2.2??紅外吸收原理可燃氣體探測器的應(yīng)用

圖4為某廠VOCs治理裝置采用紅外吸收原理可燃氣體探測器的結(jié)構(gòu)圖。

紅外吸收原理的氣體探測器將所有電子器件都設(shè)置在防爆外殼內(nèi)，以便能對檢測數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場處理。紅外吸收原理的氣體探測器輸出與0%～100%?LEL內(nèi)氣體濃度成正比的4～20 mA信號。通過RS-485輸出可提供各檢測點的位置、報警、出錯等信息，便于操作。

圖5為某廠VOCs治理裝置采用紅外吸收原理可燃氣體探測器的實例應(yīng)用效果圖。

圖5中可以看到該廠VOCs治理裝置開車運行初期廢氣濃度為零，裝置運行一段時間后，從圖中標記處開始有廢氣出現(xiàn)。

該廠廢氣主要成分是碳氫化合物，工藝要求裝置運行過程中必須實時檢測廢氣濃度。

選型依據(jù)：由于催化燃燒原理不能滿足實時檢測的要求，激光二極管吸收原理只能檢測某一具體組分且價格相對比較昂貴，綜合考慮，該廠選用紅外吸收原理可燃氣體探測器。

2.3 ?激光二極管吸收原理氧分析儀的應(yīng)用

圖6為某廠VOCs治理裝置采用激光二極管吸收原理的氧分析儀結(jié)構(gòu)圖。

激光二極管原理氧分析儀利用非接觸式傳感器，可以在腐蝕性、磨損性、冷凝等多種嚴酷的工藝中進行測量。激光模塊可現(xiàn)場更換，無需標定或調(diào)整。

圖7為某廠VOCs治理裝置采用激光二極管吸收原理的氧分析儀實例應(yīng)用圖。

該廠廢氣成分中含有少量氧氣，工藝要求裝置運行過程中要實時監(jiān)測廢氣中的氧含量對工藝過程的影響，對檢測器的響應(yīng)速度要求極高。

選型分析：由于激光二極管吸收原理的氧分析儀具有響應(yīng)速度快、傳感器壽命長的優(yōu)點，比催化燃燒可燃氣體探測器，紅外吸收可燃氣體探測器更符合要求，在整個工藝流程中能夠?qū)崟r監(jiān)測廢氣中的氧含量對工藝過程的影響。

3??結(jié)論與建議

本文對VOCs治理裝置中廢氣濃度的在線檢測儀表進行選型指導(dǎo)分析，概述了催化燃燒原理、紅外吸收原理以及激光二極管吸收原理，對三種原理的優(yōu)缺點進行了深入剖析，并介紹了三種原理的工程應(yīng)用案例。不同檢測原理的在線分析儀表各有優(yōu)缺點，所適用的測量對象和工況也不相同。對于VOCs治理過程中在線廢氣濃度檢測儀表的選型建議如下：

（1）當(dāng)VOCs治理裝置中廢氣組分不確定時，應(yīng)優(yōu)先選用催化燃燒式可燃氣體探測器。

（2）當(dāng)VOCs治理裝置中廢氣組分主要是碳氫化合物時，應(yīng)優(yōu)先選用紅外吸收式可燃氣體探測器。

（3）當(dāng)VOCs治理裝置中需要監(jiān)測被測氣體的氧濃度對工藝過程造成的影響時應(yīng)優(yōu)先選用基于激光二極管吸收原理的氧分析儀。

（4）在實際設(shè)計中，需要綜合考慮被測氣體的組成、工藝條件、安全控制、儀表自身技術(shù)指標及儀表價格等進行合理選型。

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