基于氣相色譜法危廢品倉庫中非甲烷總烴在線監(jiān)測系統(tǒng)研制

王建鑫，王貴，劉凱，張增朝，林野

(北方工程設計研究院有限公司，石家莊 050011)

非甲烷總烴(NMHC)是指除甲烷以外的所有碳氫化合物(烴類)的總稱。與甲烷不同，非甲烷總烴有較大的光化學活性，是形成光化學煙霧的前體物。大氣中的非甲烷總烴若超過一定濃度，除對人體健康有直接危害外，在一定條件下經(jīng)日光照射還能產(chǎn)生光化學煙霧，從而對環(huán)境和人類造成危害［1–2］，因此準確監(jiān)測和評估空氣中非甲烷總烴的濃度，以控制及改善非甲烷總烴的排放，對于環(huán)境空氣質(zhì)量的持續(xù)改善具有重要意義。

隨著我國環(huán)境壓力的增大及垃圾分類的實施，危廢品存量大幅增加，多地興建了危廢品倉庫，而危廢品的種類繁多，儲存難度大，危險性高，且非甲烷總烴對環(huán)境破壞大，同時根據(jù)危廢品處置工藝特性，倉庫內(nèi)危廢品儲量和種類隨時在變化，而這種動態(tài)變化及長期存量的雙重作用對危廢品倉庫中非甲烷總烴的揮發(fā)濃度影響較大。為保障危廢品倉庫的安全、正常運行和管理，利用有效手段降低非甲烷總烴的排放及對環(huán)境的破壞，對危廢品倉庫中非甲烷總烴進行在線監(jiān)測顯得格外重要。目前對非甲烷總烴的在線監(jiān)測僅應用于危廢品焚燒裝置排污口，而針對危廢品倉庫中非甲烷總烴的監(jiān)測仍采用現(xiàn)場手工采樣，然后在實驗室進行分析，該方法不僅耗時費力，而且無法實現(xiàn)污染源非甲烷總烴排放情況的實時監(jiān)測、控制和后期改善［3–4］。

鑒于上述原因和上海市環(huán)境保護局(滬環(huán)保總［2018］231 號)對非甲烷總烴濃度進行準確地實時監(jiān)測和評估的相關要求，筆者利用氣相色譜原理對樣品進行分離，研制了一套基于氣相色譜法的危廢品倉庫中非甲烷總烴的在線監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)，經(jīng)聯(lián)動調(diào)試檢測，系統(tǒng)各項技術性能指標均滿足并優(yōu)于《上海市固定污染源非甲烷總烴在線監(jiān)測系統(tǒng)驗收及運行技術要求》，已應用于上海地區(qū)某危廢品倉庫中。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)檢測原理

系統(tǒng)檢測原理如圖1 所示。

圖1 檢測原理

采用氣相色譜分析–火焰離子化檢測器(GC–FID)原理，待檢測組分(總烴)經(jīng)無分離效果的熔硅毛細管空柱進入具強吸附性的分子篩柱，除去甲烷。分離后的非甲烷總烴進入火焰離子化檢測器(FID)，在氫火焰中被電離成碳陽離子和電子，其產(chǎn)生的微電流經(jīng)信號放大器輸出。樣品氣和燃料氣(氫氣和氮氣的混合氣體)混合后在助燃氣體氣氛中燃燒。在燃燒過程中樣品氣被電離，形成的離子使燃燒室（即檢測器）內(nèi)的兩根電極（離子捕集器）之間產(chǎn)生電流，并經(jīng)高靈敏度電量計–放大器放大輸出。電量計–放大器的輸出電信號正比于火焰中電離的烴類含量，并在非甲烷總烴含量為0～60 000 μmol／mol 范圍內(nèi)成線性關系。

1.2 系統(tǒng)結構

非甲烷總烴在線監(jiān)測系統(tǒng)由非甲烷總烴揮發(fā)性有機物分析裝置、采樣裝置、樣品傳輸裝置、氣體預處理裝置、數(shù)據(jù)采集、控制與處理裝置、煙氣參數(shù)監(jiān)測裝置及配套附件等組成［5–13］。

1.2.1 非甲烷總烴揮發(fā)性有機物分析裝置

采用GC–FID 非甲烷總烴分析儀，對采集的污染源煙氣樣品進行分析，并配備程序控溫功能，分析周期為1 min。

1.2.2 采樣裝置

樣品采集裝置主要包括防爆采樣探頭，采樣探頭為陶瓷多孔過濾器，且便于在線更換濾芯。采用抽取法完成樣品氣的過濾和采樣。

1.2.3 樣品傳輸裝置

樣品傳輸裝置主要為防爆電伴熱管線。管線設定的溫度可以保證樣品氣在傳輸過程中氣態(tài)污染物不會發(fā)生冷凝，以保證測量結果的準確性。管線材質(zhì)為特氟龍，可以防止VOCs 組分在其表面吸附。

1.2.4 氣體預處理裝置

氣體預處理裝置主要包括氣體樣品過濾、抽氣泵、穩(wěn)壓和穩(wěn)流設備等。整套裝置為完整的機、電、儀一體化成套分析裝置。

1.2.5 數(shù)據(jù)采集、控制與處理裝置

主要由工控機、排放監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集等組成。用于采集、處理和存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能按中心計算機指令傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)和設備工作狀態(tài)信息，且可以將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集儀，與環(huán)保監(jiān)測網(wǎng)站聯(lián)網(wǎng)，實時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2.6 煙氣參數(shù)監(jiān)測裝置

采用防爆溫壓流一體化設備對煙氣參數(shù)進行測量。用熱電偶測量煙氣溫度，用壓力傳感器測量煙道壓力，用皮托管差壓法測量煙氣流速。采用溫壓流一體化設計，可以減少開孔數(shù)量。

1.3 系統(tǒng)研制要求

根據(jù)《上海市固定污染源非甲烷總烴在線監(jiān)測系統(tǒng)驗收及運行技術要求》、《固定污染源煙氣(SO2、NOX、顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》(HJ 76–2017)的要求，對該系統(tǒng)非甲烷總烴、氮氧化物的示值誤差、響應時間、零點漂移、量程漂移、準確度參數(shù)進行測試，并對流速速度場系數(shù)、溫度準確度技術指標進行測試。系統(tǒng)研制要求如下：零點漂移：±0.5%F.S.（傳感器滿量程誤差的百分數(shù)）；響應時間：90 s；量程漂移：±4.5%F.S.；示值誤差：±1%。

1.4 系統(tǒng)設備配置

根據(jù)系統(tǒng)使用要求，對主要設備進行選型。系統(tǒng)設備配置參數(shù)如下。

采樣形式：抽取法；采樣流速：2～30 m／s；壓縮空氣最小壓力：0.4 MPa；量程：0～500 μmol／mol， 可擴展至100 000 μmol／mol；檢出限：100 nmol／mol；柱箱溫度：0～300℃；檢測通道：最多可6 通道同時監(jiān)測；工作溫度：0～45℃。系統(tǒng)主要設備選型及配置清單見表1。

表1 系統(tǒng)主要設備配置清單

2 系統(tǒng)試制與測試

2.1 系統(tǒng)裝配與設置

（1）按照上述研制方案及設備選型清單，完成設備采購及到貨驗收工作；

（2）按相應儀器設備說明書要求進行儀器設備安裝。安裝完畢后，首先檢查供電系統(tǒng)是否正常及儀器設備安裝是否正確，然后進行通電試驗和儀器設備預熱，并詳細記錄安裝過程及出現(xiàn)的問題；

（3）按說明書要求對儀器設備進行初始化設置；

（4）對單機進行測試，測試內(nèi)容如下：

零點漂移測試。儀器開機后將零點校為零，儀器連續(xù)通零氣24 h，用數(shù)據(jù)記錄儀記錄其零點漂移數(shù)值，將其最大值與考核指標進行對比。

跨度漂移測試。零漂移測試完成后，首先進行一次滿量程80%的跨度校準，然后連續(xù)通滿量程80%以上濃度的標準氣體24 h，用數(shù)據(jù)記錄儀記錄其跨度漂移數(shù)值，與規(guī)范中的相應指標進行對比。

精密度測試。通入儀器滿量程80%以上濃度的標準氣體，重復測試5 次，將5 次試驗的最大偏差與規(guī)范中的相應指標進行對比。

響應時間測試。通入儀器滿量程80%以上濃度的標準氣體，記錄從儀器讀數(shù)開始反應到儀器響應值達到標準氣體濃度的90%時所用時間，將其與規(guī)范中的相應指標進行對比。

多元氣體校準儀的流量精度測試。用標準流量計校準多元氣體校準儀的流量，記錄標準流量計讀數(shù)與多元氣體校準儀流量計讀數(shù)的差值，與規(guī)范中的相應指標進行對比。

零氣發(fā)生器的零氣源輸出流量檢查。檢查零氣發(fā)生器輸出的最大流量，與規(guī)范中的相應指標進行對比。

單機測試完成后，進行系統(tǒng)聯(lián)機，開始運行考核。

（5）詳細記錄測試結果，并與儀器性能及設計指標進行對比。

2.2 聯(lián)動測試記錄

本系統(tǒng)設備聯(lián)動測試參比方法采用賽默飛世爾(Thermo)1300 氣相色譜儀、煙氣分析儀(TESTO 350XL)，依據(jù)GC–FID 原理，采用定電位電解法測試，調(diào)試過程采用標準濃度的標準氣體［2，13］。具體測試內(nèi)容見表2～表6。

表2 非甲烷總烴示值誤差和系統(tǒng)響應時間檢測記錄1)

由表2 可知，系統(tǒng)示值誤差最大為0.68%，系統(tǒng)響應時間最大值為81 s。

表3 非甲烷總烴量程和零點漂移調(diào)試記錄1)

由表3 可知，零點漂移絕對誤差最大值為0.5 μmol／mol，零點漂移為0.25%；量程絕對誤差最大值–8.7 μmol／mol，量程漂移為4.3%。

表4 非甲烷總烴調(diào)試記錄1) μmol／mol

根據(jù)表4 數(shù)據(jù)及《上海市固定污染源非甲烷總烴在線監(jiān)測系統(tǒng)驗收及運行技術要求》［14］，計算可得參比方法測定值的平均值為12.50 μmol／mol，數(shù)據(jù)對差絕對值的平均值為1.69 μmol／mol，數(shù)據(jù)對差的標準偏差為2.1 μmol／mol，置信系數(shù)為1.61，排放標準限值為70 mg／m3，非甲烷總烴測定結果的相對誤差為2.55%。

表5 流速調(diào)試檢測記錄

由表5 可知，分別采用在線檢測與手工檢測方法對流速進行調(diào)試檢測，9次測定結果的相對誤差為–3.9%～6.3%，則流速準確度的平均值為3.8%。

表6 溫度調(diào)試檢測記錄 ℃

由表6 可知，分別采用在線檢測與手工檢測方法對溫度進行調(diào)試檢測，9次測定結果的絕對誤差為–1.35～0.71℃，則溫度準確度的平均值為0.9℃。

2.3 測試結果

根據(jù)上述調(diào)試檢測記錄，對檢測數(shù)據(jù)和規(guī)范要求［14–16］數(shù)據(jù)進行匯總、對比分析，結果見表7。

表7 非甲烷總烴在線監(jiān)測系統(tǒng)測試結果

由表7 可知，該系統(tǒng)各項指標均達到了設計要求，且遠高于規(guī)范要求。

3 結語

基于氣相色譜原理研制的危廢品倉庫中非甲烷總烴在線監(jiān)測系統(tǒng)在示值誤差、漂移、響應時間、準確度等各項技術指標均滿足并高于現(xiàn)行有關最高標準。經(jīng)過2 個月的試運行目前已完成系統(tǒng)驗收工作，該系統(tǒng)具有自動化程度高、人工維護量低、系統(tǒng)運行穩(wěn)定等特點，既可用于生產(chǎn)企業(yè)對非甲烷總烴的排放監(jiān)測和治理，也可用于地方環(huán)保部門對區(qū)域固定污染源的監(jiān)控。在愈趨嚴格的環(huán)保要求形勢下，該系統(tǒng)在危廢品倉庫固定污染源的環(huán)境監(jiān)測領域值得大力推廣應用。