淺談廢氣VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用

朱大明

（中國石油四川石化有限責任公司，四川 成都 611930）

為落實《國務院關于印發(fā)打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃的通知》（國發(fā)〔2018〕22號）的總體部署，2018年8月30日，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關于加強重點排污單位自動監(jiān)控建設工作的通知》（環(huán)辦環(huán)監(jiān)〔2018〕25號），要求重點排污單位中的VOCs排放重點源自2019年起應將VOCs項目納入自動監(jiān)控。為提高VOCs污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量，充分發(fā)揮在線監(jiān)控系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法中的作用，VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用對裝置長周期穩(wěn)定運行起著決定性作用。

1 廢氣處理系統(tǒng)的介紹

廢氣處理系統(tǒng)采用催化燃燒法，由金屬鈀、鉑等貴金屬蜂窩狀催化劑，在250～650℃的溫度條件下，發(fā)生催化、氧化化學反應，廢氣系統(tǒng)中的揮發(fā)性有機物，化學反應生成的水和二氧化碳，最終對環(huán)境無害影響，反應化學方程式見以下公式：

1.1 操作變量的分析

作用于廢氣的催化的燃燒處理系統(tǒng)，主要操作變量有廢氣組分、燃燒反應器的入口溫度變化、燃燒反應器出口的溫度變化和催化反應器內(nèi)部壓降等因素。

1.2 廢氣組分的構架

催化、氧化反應屬于化學放熱反應，廢氣中含有的有機物的含量，對反應生成的放熱量起著特別重要的作用。在化工裝置生產(chǎn)異常時，廢氣系統(tǒng)中有機物的含量會不穩(wěn)定甚至波動較大，會嚴重影響廢氣處理系統(tǒng)的正常運行，乃至導致整個催化劑床層燒毀。只有在廢氣組成穩(wěn)定且廢氣中的有機物含量在規(guī)定范圍內(nèi)時，才能將廢氣引入廢氣催化燃燒處理系統(tǒng)。

催化劑的使用量與催化劑的性能、廢氣處理系統(tǒng)的壓力和溫度以及廢氣中的揮發(fā)性有機物（VOCs）含量有關。在廢氣進入催化反應器的催化劑床層以前，需要用廢氣預熱設備將廢氣加熱到催化劑的起燃溫度。一旦進入催化反應器的廢氣溫度達到了催化劑的起燃溫度，廢氣中的揮發(fā)性有機物和氧氣就會在催化劑的表面發(fā)生氧化反應，并最終轉(zhuǎn)化為對環(huán)境無害的二氧化碳和水蒸汽。

1.3 催化劑的影響因素

催化劑的使用性能與系統(tǒng)的操作溫度、廢氣經(jīng)過催化劑床層的壓力降、廢氣經(jīng)過催化劑床層的空速、表觀速度以及催化劑的維護等因素有密切的關系。

2 VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的構架

2.1 VOC在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

在線監(jiān)測系統(tǒng)儀表（NMHC-CEMS等）應包括采樣單元、樣品預處理單元、分析儀單元、通信接口單元等。其中在線分析儀表應帶有網(wǎng)絡通信接口，能夠接入工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）構成整個在線分析儀表系統(tǒng)。

（1）采樣單元：采用單元抽取測量的方式，其中輔助的設備主要包括氫氣氣源、廢氣排放系統(tǒng)、反吹掃、凈化及其控制裝置、零空氣的預處理裝置等。氫氣氣源連接的管路要使用至少為不銹鋼的材質(zhì)，如果檢測出氫氣出現(xiàn)泄漏時，務必自動切斷氫氣氣源，氫氣的純度至少達到99.99%及以上，其他的工作氣源的純度應滿足所在分析儀表的使用相關要求。系統(tǒng)產(chǎn)生廢氣的排放管路必須規(guī)范安裝敷設，不得隨意安裝及放置。系統(tǒng)產(chǎn)生廢氣的排放裝置必須能保證排放的廢氣中含有的水分不能冷凝、存儲甚至結冰現(xiàn)象，會造成廢氣的排放管路原件堵塞和排氣管路不暢通，根據(jù)工況情況，可配套相應的加熱或伴熱系統(tǒng)、液氣分離的裝置等儀表設施。電纜敷設應安全合理，便于查找維護維修。采樣方式：完全抽取式、全程高溫伴熱。檢測器：FID。檢測因子：非甲烷總烴。

（2）樣品的預處理單元：樣品的預處理單元設備主要包括樣品的過濾設備、預處理設備及其部件，要滿足方便維護清理和更換組件，必須使用不吸附材質(zhì)、不能與待測的污染物發(fā)生化學反應的材料。氣體樣品在進入分析儀表前，可設置精細的過濾器，防止雜質(zhì)堵塞分析儀表管路。樣品的采集和傳輸裝置，主要有采樣探頭、樣品傳輸管線、流量控制單元和采樣隔膜泵等。樣品采集和傳輸裝置的材質(zhì)必須選用耐高溫、防腐蝕、不吸附、不能與待測污染物發(fā)生化學反應的材料，且不能影響待檢測污染物的正常測量。樣品采集和傳輸裝置應具備長周期穩(wěn)定、均勻加熱、保持恒溫和反吹掃凈化等功能。樣品采集裝置必須具備顆粒物過濾的功能。其采樣設備的上端或下端必須具備便于維護更換或清洗的顆粒物過濾器設備，過濾器的規(guī)格應至少能過濾直徑為5μm以上的顆粒物雜質(zhì)。

（3）分析儀單元：分析儀用于對采集的污染源廢氣樣品進行測量分析。目前在用多數(shù)采用氣相色譜法的分析儀表，應具備色譜圖的文件自動記錄功能、過程歷史譜圖的查詢等功能。分析儀表應具有實時、周期性的自動檢測當前火焰狀態(tài)功能，分析過程中一旦偵測到火焰熄滅，務必自動切斷點火的燃燒氣源。安裝方式：分析小屋內(nèi)安裝、本體防爆。分析儀表單元的系統(tǒng)分析周期為：不大于3min。24h零點的漂移和量程的漂移不大于±3%FS。檢出限：小于0.1mg/m3。系統(tǒng)輸出：4～20mA；RS485。接點輸出：2點(故障報警/反吹提示)。自診斷功能：配帶測量信息自診斷功能。

（4）通信接口單元：在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測軟件匯總所有的氣體濃度信息和工作狀態(tài)信息，具有生成報表、存儲數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄等功能。主要用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲，并可以依據(jù)控制的中心計算機指令，傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)和在用設備的工作狀態(tài)等信息。通信接口單元必須顯示和記錄超出其零點以下、量程以上至少10%的數(shù)據(jù)值。當測量數(shù)據(jù)結果超過零點以下、量程以上10%時，應記錄及存儲其測量數(shù)據(jù)的最小或最大值。要具備顯示、設置系統(tǒng)時間和時間標簽的功能，數(shù)據(jù)顯示為設置時段的平均值。能夠顯示實時測量數(shù)據(jù)，具備歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，并可以報表或報告形式輸出文件。具有中文數(shù)據(jù)采集、記錄、處理和控制軟件。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（PLC）通過硬接線和RS485通訊兩種方式向 DCS系統(tǒng)提供檢測信號和狀態(tài)信號（包括分析數(shù)據(jù)、過程參數(shù)測量、運行/維護狀態(tài)、系統(tǒng)故障報警等）。

2.2 甲烷總烴監(jiān)測子系統(tǒng)

非甲烷總烴監(jiān)測子系統(tǒng)由采樣探頭、樣品預處理單元和分析儀組成。采樣探頭直接安裝在管線上，采樣預處理單元和分析儀安裝在分析小屋中，盡量減少管線附近的維護量。

2.3 NMHC-CEMS組成示意圖（圖1）

圖1 NMHC-CEMS組成示意圖

3 VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)維護

VOCs在線監(jiān)測數(shù)據(jù)異常應急處理流程：

發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測儀器出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)顯示異常后，及時上報并到現(xiàn)場進行處理。判斷數(shù)據(jù)異常原因，如果是操作、設備運行等原因造成的數(shù)據(jù)異常，由使用單位組織調(diào)整操作，保證數(shù)據(jù)恢復限制內(nèi)；如果是在線檢測儀器故障，由維修單位對該儀器進行處理、維修。如果不能立即確認故障原因，應首先選擇使用人工監(jiān)測儀器測量污染物排放情況，用人工監(jiān)測數(shù)據(jù)判定在線監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)真實性后，再進一步開展有關故障排查與處理，如果在線監(jiān)測儀器需要離線檢修等原因造成在線監(jiān)測數(shù)據(jù)無法正常上傳至平臺，應立即聯(lián)系環(huán)境監(jiān)測部門到現(xiàn)場進行人工比對，并按規(guī)范記錄數(shù)據(jù)上報備案。