鋼鐵行業廠界揮發性有機物在線監測系統的研制

王 慎，儲岳喜，儲岳海，劉澤明，王智慧，朱傳亮

（馬鞍山市桓泰環保設備有限公司，安徽馬鞍山 243000）

1 概述

揮發性有機物VOC 是指正常狀態下（20 ℃，101.3 kPa），蒸汽壓在13.3 Pa 以上，沸點在260 ℃以下的有機化合物。氣態污染源中需要監測的揮發性有機物VOC 主要包含：甲烷、非甲烷總烴、苯系物等。揮發性有機物作為PM2.5和O3形成的關鍵前體物，是復合型大氣污染的重要誘因，其危害是不言而喻的，因此目前國家正在不斷加強對空氣中揮發性有機物的監測監管力度。而廠界揮發性有機物的排放監測，特指對工業廠區邊界內產生的揮發性有機類、脂類等有機物的監測，具有較高的測量精度和較寬的動態范圍。該系統適用于石油化工、鋼鐵行業、橡膠制品、印刷、噴涂、汽車制造等工業固定污染源的揮發性有機物排放監測。

鋼鐵工業，是資源、能源密集型產業。廠界非甲烷總烴加苯系物在線自動監測系統是針對工廠排放污染氣的工況，用相關儀器對非甲烷總烴和苯系物含量進行連續在線測量。該系統是基于氣象色譜技術的在線監測系統，可檢測氣體中的揮發性有機物（包括甲烷、非甲烷總烴、苯系物等），也可根據現場工況擴展其他多種組分。鋼鐵工業冶煉的過程中，釋放出來的二氧化硫、氮氧化物和粉塵、揮發性有機物等污染因子，都被認為是形成空氣污染的主要物質。因此做好鋼鐵業廠界揮發性有機物在線監測及提高監測數據的穩定性和準確性就顯得尤為重要。

2 原理和技術

2.1 VOC主要監測技術

現階段揮發性有機物VOC 的在線監測儀器較多，方法原理多樣，在技術原理、功能、設備構成、可實現測量的目標化合物等方面均有所不同。總的來說VOC 自動監測技術主要分為三大類：傳感器類、光譜類、色譜質譜類。（1）電化學法的優點：分析速度快，實時響應，檢測成本相對較低。缺點：穩定性不足，對環境變化敏感，需頻繁校準，選擇性差，無法區分VOCs 的種類。電化學法常用于應急監測、危險氣體預警VOCs 含量的粗略估計。（2）光譜法優點：無需預處理，響應速度快。缺點：可利用的波段有限、靈敏度不足10-6級，只對部分VOCs 有響應，抗干擾能力差。目前僅用于苯系物和少數低分子量VOCs 的在線監測。（3）氣相色譜法優點：可分辨大多數的VOCs，具有定性全面，定量準確，靈敏度高（10-9級）等優點。缺點：需要對樣品進行預處理，分析過程繁瑣耗時，測試成本較高，響應速度不及傳感器類、光譜類技術。氣相色譜法被國內外環境保護機構廣泛采用，作為環境VOC 監測的主要方法。氣相色譜方法的主流儀器中，檢測器種類有：火焰離子檢測器（FID）、質譜檢測器（MSD）、光離子化檢測器（PID）；一般低碳組分采用FID檢測器定性定量；但存在個別設備使用純MS 檢測器進行所有組分定性定量。

2.2 新型VOCs在線監測系統

工業園區VOC 濃度水平低、差異大，10-12級至幾十個10-9級；工業區、交通環境等濃度波動非常大（在線監測尤為突出），因此VOCs 在線監測系統要解決的首要問題就是如何準確、穩定地在線監測工廠環境中VOC的濃度數據。

2.2.1 在線監測原理

預濃縮-氣相色譜法-FID 檢測器，單捕集阱或多捕集阱。環境空氣或標準氣體以一定流速經采集進入采樣系統，經低溫或捕集阱等方式對揮發性有機物進行富集，通過熱解析等方式進入氣相色譜分離，并由火焰離子化檢測器（FID）進行檢測，得到揮發性有機物各組分的濃度。

2.2.2 設計方案

根據國家《大氣污染物無組織排放監測技術》要求和《HJ38-2017》標準，儀器采用專用色譜柱組合、中心切割加反吹技術和氫火焰離子化檢測器(FID)技術相結合的專利技術，進行甲烷、非甲烷總烴、苯系物等揮發性有機物的檢測，并將測量數據遠傳至環保部的監測平臺。并針對廠界連續監測系統的功能、性能和使用要求完成對系統的設計、安裝、調試等。系統結構圖見圖1。

圖1 在線監測系統結構圖

3 系統組成

在線監測系統組成包括大氣采樣總管、預處理單元、分析單元、分析機柜等。

3.1 大氣采樣總管

大氣采樣總管的作用是將大氣廠界中的樣氣取出并輸送到預處理單元。考慮到一般的塑料和金屬材質對揮發性有機物中的某些苯系物組分有吸附導致測量數據偏低，該系統所有管路均采用聚四氟乙烯內層或鈍化不銹鋼管。聚四氟乙烯內層適用于各種污染物監測，尤其是易產生吸附的的臭氧等新項目的監測需要。采樣后待測氣體需要保持在40～50 ℃恒溫，以防溫度突變造成結露,影響后續測量。

大氣采樣總管的結構示意圖見圖2。

圖2 大氣采樣總管的結構圖

3.2 預處理單元

預處理系統保證在最短時間內，將有代表性的樣氣輸送到分析儀測量儀，必須滿足分析儀表的操作條件。主要完成以下幾項工作：

1) 待測樣氣的抽取：用取樣泵將廠界空氣中氣體抽取，供分析儀器測量。

2) 2 μm 精密過濾：采樣后經過進一步除塵，保證整個過濾精度在2 μm以下。

3) 標定：定時對儀器進行零點和量程標定，以保證儀器性能穩定。

預處理單元包括：耐腐抽氣泵、精細過濾器、切換閥等。

預處理氣路如圖3所示。

圖3 預處理氣路圖

3.3 分析單元

分析單元包括氣相色譜檢測模塊、零氣發生器、氫氣發生器、控制單元和氣源單元，見圖4。

圖4 分析單元工藝圖

3.3.1 氣相色譜檢測模塊是整套系統的核心分析部分。待測氣體經過大氣采樣總管和預處理管理后進入分析儀，先經色譜柱將待測組分分離，再經過氫火焰離子化檢測器點火燃燒，根據燃燒產生的電離量對待測氣體組分進行定性和定量分析。

3.3.2 零氣發生器、氫氣發生器負責產生潔凈度較高的零氣和氫氣，提供給色譜儀用于點火燃燒和推動載氣。

3.3.3 控制單元：主要由一體式工控機和系統控制和數據處理軟件組成，主要完成系統的實時控制和數據的分析處理，可以生成各種報表和歷史趨勢圖，并按照HJ/T212 規范的通訊協議通過數采儀發送至環保局。

3.3.4 氣源單元：是系統運行的輔助單元，主要由壓縮空氣、氮氣、校準標氣等組成。

3.4 分析機柜

機柜材質一般為碳鋼板噴塑，前后左右均有開門，便于維護檢修。根據現場工況需求防護等級可達到IP65，為方便機柜的吊運，機柜頂部帶有起重用的吊耳。

4 設備技術指標

檢測范圍：甲烷、非甲烷總烴和總烴、苯、甲苯、乙苯、二甲苯。

量程：甲烷(0.1～10000)×10-6。

非甲烷總烴(0.05～10000) ×10-6; (0.1～10000)×10-6可選)。

檢測器：氫火焰離子化檢測器(FID)。

檢出限：≤0.1×10-6(甲烷) 0.05×10-6(非甲烷總烴)，≤0.1×10-6(苯)。

重復性:RSD≤3%(總烴/苯)。

分析周期：非甲烷總烴＜60 s,苯＜6 min。

功率電源：＜400 W,220 V AC/50 Hz。

工作環境：溫度:(-10～50) ℃,濕度:(10%～90%) RH。

氣源要求：載氣（高純氮氣）≥99.999%; 燃燒氣:高純氫氣≥99.999%。

助燃氣:零級空氣(烴類＜10×10-9)。

輸出：4～20 mA、RS232/RS485、以太網。

5 結論

本項目研發的系統要解決的問題是準確、穩定地在線監測工廠環境中VOC 的濃度數據。出廠前實驗室測試部分-重復性、線性、樣氣壓力、溫度影響、電壓穩定性、短期漂移、記憶效應等；安裝后現場測試部分-重現性、長期漂移、維護周期等。2018年底該系統在經出廠指標調試試驗后安裝在了某工業園區化工廠區辦公樓樓頂，監測該廠區的環境空氣中揮發性有機物濃度及其中個別組分的含量。經過一年半的有效監測比對發現，該系統監測數據的示值誤差可以達到10%以內，標氣反測定的準確性和重現性較好，設備運行穩定性良好，經過有效性試驗，該系統各項指標均符合相關要求，可以推廣應用于各化工園區、鋼鐵行業廠區環境的揮發性有機物的實時在線監測，有利于環保部門對排污企業的動態監管。