涉VOCs企業(yè)廢氣在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

羅興華，吳東凱，廖有為，張 沖

（深圳市天益環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 深圳 51810）

引言

在《“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃》中要求面向我國越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求，深入落實(shí)打好污染防治攻堅戰(zhàn)和減污降碳協(xié)同增效要求，堅持精準(zhǔn)、科學(xué)、依法治污工作方針，以監(jiān)測先行、監(jiān)測靈敏、監(jiān)測準(zhǔn)確為導(dǎo)向，以更高標(biāo)準(zhǔn)保證監(jiān)測數(shù)據(jù)“真、準(zhǔn)、全、快、新”為根基，以健全科學(xué)獨(dú)立權(quán)威高效的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系為主線，鞏固環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、強(qiáng)化污染源監(jiān)測、拓展生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測，全面推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測從數(shù)量規(guī)模型向質(zhì)量效能型跨越，提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)代化水平，為生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善和生態(tài)文明建設(shè)實(shí)現(xiàn)新進(jìn)步奠定堅實(shí)基礎(chǔ)[1]。

1 常見涉VOCs的工藝工序

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）主要包含烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、酯類、醛類、酮。

VOCs廢氣處理起來比酸堿廢氣要困難一些，VOCs是形成PM2.5和O3的重要前體物，不但對環(huán)境有重大危害，直接導(dǎo)致空氣優(yōu)良天數(shù)下降，而且對人體健康有嚴(yán)重的影響。VOCs的揮發(fā)性強(qiáng)，涉及行業(yè)廣泛，以下是常見的涉VOCs工藝工序：

（1）噴涂行業(yè)VOCs主要產(chǎn)生于噴漆、油漆調(diào)配、原子灰使用等工藝工序，涉及的原輔料有清漆、面漆、底漆、原子灰打磨等。

（2）紡織印染業(yè)VOCs主要產(chǎn)生自清洗劑、溶劑、助劑、整理劑、涂層劑、感光膠等含VOCs原輔材料的使用，涉及的VOCs排放環(huán)節(jié)主要是上述含VOCs原輔材料的貯存、配料、印花、絲印、定型、涂層整理等。

（3）家具制造業(yè)VOCs主要產(chǎn)生自面漆、清漆、油漆固化劑、油漆稀釋劑等在噴涂過程中使用的含有揮發(fā)性有機(jī)物的原輔材料，涉及的VOCs排放環(huán)節(jié)主要是上述含VOCs原輔材料的噴版、貯存、調(diào)漆、噴漆、擦色、施膠、干燥、噴槍清洗等。

（4）印刷業(yè)VOCs主要產(chǎn)生自油性油墨、書本膠粘劑、潤版液、光油、印刷設(shè)備清洗劑等（大豆油墨和UV油墨相對比較環(huán)保），涉及VOCs產(chǎn)生的環(huán)節(jié)主要是含有VOCs原輔材料的存放、油墨運(yùn)輸、油性油墨調(diào)配、書本畫冊印刷、UV油墨烘干、設(shè)備清洗等[2]。

（5）電子制造業(yè)VOCs主要產(chǎn)生自UV油墨、線路板膠粘劑、絲印油墨開油水、絲印版洗網(wǎng)水、清洗劑等含VOCs的原輔材料的使用，有VOCs排放產(chǎn)生的環(huán)節(jié)主要是含揮發(fā)性有機(jī)物VOCs原料輔材的存放、線路印刷、防焊印刷、文字印刷、絲印、烤版、洗網(wǎng)等。

2 VOCs監(jiān)測設(shè)備的組成

VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由3大部分組成，VOCs監(jiān)測子部分由6部分組成，最終由這些組成部分構(gòu)成了一個完整的VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 采樣及預(yù)處理部分

采樣及預(yù)處理部分主要由電加熱取樣探頭+反吹部分+電加熱取樣管路+樣品處理部分+系統(tǒng)機(jī)柜等組成。各組成部分介紹如下：

（1）廢氣采集流程是通過伸入廢氣排放口內(nèi)的采樣探桿傳輸廢氣，采樣探桿將樣氣輸送到采樣探頭，最后經(jīng)過陶瓷濾芯過濾去除粉塵顆粒物等雜質(zhì)，具體的工作要求是在采用探頭處加熱到120攝氏度的高溫去除空氣中的水分。

（2）反吹部分由反吹箱、反吹電磁閥、儲氣罐組成。反吹電磁閥由西門子PLC遠(yuǎn)程智能控制時間，定時開啟反吹采樣探頭，從而防止采樣探頭濾芯被堵塞。反吹箱外觀尺寸為長0.4 m、寬0.4 m、高0.25 m，儲氣罐通常選用Q235碳鋼材質(zhì)，根據(jù)實(shí)際需要還可以選擇201、304、316等不銹鋼材質(zhì)。

（3）電加熱取樣管路是處于探頭和預(yù)處理系統(tǒng)之間的一段連接管線，使用電熱絲將管道包裹起來從而達(dá)到廢氣加熱的目的，材質(zhì)可以是耐腐蝕而且性質(zhì)穩(wěn)定的銅管、304不銹鋼管、納米陶瓷管。取樣管路內(nèi)溫度恒定在120攝氏度以使廢氣中水分蒸發(fā)，避免廢氣含水量過大。

（4）樣品預(yù)處理部分要求必須在最短時間內(nèi)將有代表性的樣氣輸送到分析儀測量池，樣氣的壓力、溫度、含水量、含塵量、流速等必須滿足分析儀表的控制要求。樣品預(yù)處理需要完成的幾項(xiàng)工作（表1）：

表1 樣品預(yù)處理

預(yù)處理部分由切換閥、耐腐抽氣泵、精細(xì)過濾器、疏水過濾器等組成。通過預(yù)處理單元完成樣氣的除濕、凈化和除塵，其過濾精確度可以控制在2微米范圍之內(nèi)，將達(dá)標(biāo)合規(guī)的樣氣經(jīng)過預(yù)處理后連續(xù)不斷地泵入分析儀器，從而保證了分析儀器的準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理子系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)采集硬件是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)最基本的組成部分，該部分安裝于企業(yè)污染源監(jiān)控點(diǎn)的現(xiàn)場，主要完成現(xiàn)場數(shù)字化儀表的數(shù)據(jù)收集、多種數(shù)據(jù)的快速存儲和無線傳輸，至少由一臺工業(yè)電腦、一套可編程邏輯控制器（PLC）及相適應(yīng)的數(shù)據(jù)收集模塊和通信轉(zhuǎn)換模塊組成。CEMS計算機(jī)硬件系統(tǒng)運(yùn)用高可靠性的工業(yè)電腦，它能夠在惡劣的工作環(huán)境下持續(xù)正常運(yùn)行，在工業(yè)電腦上安裝特定的應(yīng)用軟件用于數(shù)據(jù)收集和處理，系統(tǒng)還配備一套可編程控制器（PLC），PLC內(nèi)安裝邏輯控制程序用于整個系統(tǒng)的操作控制，并且配備的數(shù)據(jù)收集模塊和通信轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)?shù)據(jù)信號收集并傳送到工業(yè)電腦上。

（2）數(shù)據(jù)收集和處理軟件采用特定為廢氣排放無間斷監(jiān)測系統(tǒng)而設(shè)計開發(fā)的SS-DAS在線監(jiān)測軟件V1.0。該軟件系統(tǒng)主要用于廢氣監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)快速處理和將數(shù)據(jù)傳輸給環(huán)保部門或者企業(yè)相關(guān)負(fù)責(zé)人，對于出現(xiàn)的簡單問題也可以通過該軟件系統(tǒng)檢測出來，并以代碼的形式展現(xiàn)給運(yùn)維人員，運(yùn)維人員可以根據(jù)代碼編號快速解決問題。在線監(jiān)測軟件V1.0的開發(fā)完全符合我國生態(tài)環(huán)境相關(guān)法律法規(guī)的要求，是當(dāng)下能夠滿足廢氣不間斷監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理、存儲、報表打印等要求的軟件。

3 VOCs在線監(jiān)測設(shè)備各種傳感器的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

（1）PID通過紫外線光源將廢氣中有機(jī)污染物的電子分解出來，根據(jù)不同氣體分子的正負(fù)電子以及電子量的多少，分辨出不同的氣體種類和氣體濃度，再通過電子放大器放大就可以穩(wěn)定地傳輸和傳播給PLC控制系統(tǒng)。檢測誤差在5%以內(nèi)，響應(yīng)時間也基本上處于5秒內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是：①高靈敏度并且用途廣泛；②高分辨率、響應(yīng)快；③實(shí)時性和安全性高；④可連續(xù)測試；缺點(diǎn)：傳感器成本很高。

（2）FID檢測原理是利用H2燃燒產(chǎn)熱，將廢氣中有機(jī)污染物電離分解，再通過電子異性相吸的原理將正負(fù)電荷吸收在負(fù)正極板上形成微弱的電流，然后將電流放大就形成了穩(wěn)定的電信號，最終判斷出廢氣中有機(jī)污染物的濃度和種類。FID檢測誤差在5%以內(nèi)，響應(yīng)時間在5秒以內(nèi)。

FID檢測優(yōu)點(diǎn)：①高靈敏度和用途廣泛；②實(shí)時性和可連續(xù)測試；③精度高和監(jiān)測線性好。缺點(diǎn)：傳感器成本很高。

（3）半導(dǎo)體式，它是利用半導(dǎo)體材料在不同氣體環(huán)境下導(dǎo)電能力不同，再根據(jù)廢氣中不同氣體組分使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力形成規(guī)律變化，然后通過將不同的導(dǎo)電電流放大成電信號，從而判定氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體式需要在高溫環(huán)境下工作。

半導(dǎo)體式檢測優(yōu)點(diǎn)：①制造的成本比較低而且結(jié)構(gòu)簡單；②在使用過程中準(zhǔn)確度高、反應(yīng)速度快；③使用時間長、對使用環(huán)境要求不高、線路簡單。半導(dǎo)體式檢測缺點(diǎn)：①需要在高溫的情況下使用，并且對氣體或氣味的選擇性不好；②運(yùn)行不夠穩(wěn)定、耗電量高。

4 VOCs在線監(jiān)測設(shè)備的安裝

（1）廢氣采樣孔：廢氣采樣孔是安裝采樣桿和采樣探頭的孔洞，它的位置有相關(guān)的要求和規(guī)范，開孔的位置和大小直接影響在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性。廢氣排口的采樣口應(yīng)該在垂直排口段的三分之一位置，如果存在彎頭和管道大小變化的情況，采樣口應(yīng)當(dāng)分別設(shè)置在彎頭和管道大小變化的下方2倍直徑處和上方0.5倍直徑處。

（2）廢氣采樣平臺：廢氣采樣平臺是為廢氣在線監(jiān)測和日常廢氣采樣提供的一個空中平臺。廢氣采樣平臺大多較高，所以在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承重方面的要求也非常高。采樣平臺不小于1.5平方米，采樣平臺距離采樣口的高度宜為1.2 m至1.3 m，采樣平臺的承重需要達(dá)到400公斤/平方米。平臺四周護(hù)欄高度不小于1.2 m，在護(hù)欄下方需要設(shè)置約20 cm高的踢腳板防止高空墜物。排放口和平臺要加強(qiáng)防雷工作，做好防雷安全試驗(yàn)報告。平臺底面需要做好防滑，防止雨天人員工作時摔倒，整個平臺可以采用4毫米厚的Q235碳鋼板加鍍鋅方管制成，制成后的平臺應(yīng)涂防銹漆和面漆。

（3）廢氣斜梯：廢氣斜梯是在線監(jiān)測設(shè)備安裝人員進(jìn)行廢氣采樣時上下的一個斜梯。斜梯的坡度需要適中，當(dāng)坡度較大時應(yīng)當(dāng)采用分級斜梯以保證現(xiàn)場工作人員上下的安全。斜梯要與廢氣采樣平臺相固定，嚴(yán)禁使用直爬梯。斜梯由Q235碳鋼板制成，規(guī)格尺寸為：寬0.7 m至1.1 m，厚度大于4 mm。扶手由鍍鋅鋼管制成，高應(yīng)為1.2 m，采樣直徑20 mm。斜梯做好以后在焊口位置要噴涂防銹漆，增加斜梯的耐腐蝕性，延長其使用壽命。鋼斜梯應(yīng)全部采用焊接連接，焊縫不應(yīng)該有漏焊和夾渣，必須雙面焊，焊接后的鋼斜梯要堅固牢靠。斜梯安裝后要盡快除銹并做防腐噴漆（圖1）。

圖1 采樣平臺及斜梯

5 結(jié)語

VOCs在線監(jiān)測設(shè)備的安裝、調(diào)試、運(yùn)維、選型都是十分關(guān)鍵的，直接影響設(shè)備能否高效、準(zhǔn)確地開展監(jiān)測工作。在線監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崟r反饋廢氣處理設(shè)備的處理情況，當(dāng)數(shù)據(jù)超標(biāo)時可以及時對廢氣處理設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，確保經(jīng)過處理的廢氣濃度在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。在線監(jiān)測是環(huán)保部門和企業(yè)的“眼睛”，能夠?qū)OCs這樣看不見、摸不著的廢氣濃度很直觀地表達(dá)出來。在科技高速發(fā)展的時代，監(jiān)測數(shù)據(jù)也將更加“真、準(zhǔn)、全、快、新”。