基于傳感網絡的轉爐冶煉石油廢氣自動處理裝置

徐永洪，蔣佩忱，譚志宏，張勇

（中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川江油 621741）

隨著我國石油工業的高速發展，石油廢氣的排放量也急速增長，對環境產生了嚴重的危害。石油生產中的廢氣排放量大、有機物組分與比例差異波動大，且存在大量有毒可燃物，處理難度較大。

基于生物處理的VOC 降解處理裝置[1]是目前廢氣處理研究的主要方向，但主要限于實驗室水平的測試，并未轉換為規模化工業應用。此外，光催化劑失活仍是一個無法解決的問題。因為光催化劑表面較容易被顆粒物與難熔有機物覆蓋，從而導致光催化活性顯著下降。

文中建立了一個由BTF 預處理系統與PCO 系統組成的中試規模BTF-PCO 反應器，通過搭載氣體與微粒傳感網絡[2]，對BTF-PCO 反應器的狀態進行實時掌控，提高了系統的穩定運行時間與效率。

1 傳感網絡架構設計

圖1 所示為所提出的傳感網絡[3]結構，其可以實現對石油生產中空氣質量的監測，以獲取各種空氣質量參數數據，包括氣體、氣溶膠及其他參數（例如溫度與濕度）[4-7]。

圖1 傳感網絡結構

1.1 數據采集模塊設計

基站或ZigBee 協調器以固定時間間隔從已部署的ZigBee 終端節點接收數據[8]，每個位置均映射到節點的MAC ID[9]。數據采集模塊是使用Java 語言構建的，其從串行端口接收數據并解析數據包[10]。文中還開發了一個GUI，用于顯示每隔一分鐘來自每個位置點的實時數據，如圖2 所示[11]。

圖2 節點數據實時顯示GUI

圖2 中的GUI 允許用戶以圖形的形式查看每個位置的歷史數據以及每個參數的最小值、最大值與平均值[12]。中心站可以根據一組預定義的命令通過TCP/IP 與氣溶膠監控器對話[13]。圖3 所示為氣溶膠監測[14]GUI 界面，用戶可通過其遠程操作機器[15]。

圖3 氣溶膠監測GUI

1.2 IQI分析計算

除了收集傳感器信息外，文中還計算了工業空氣質量指數（IQI），用于反映石油廢氣自動處理系統的反饋信息[16-19]。空氣質量指標值分為多個范圍，每個范圍均分配有一個描述符與一個顏色代碼，IQI 可由式（1）得出。

式中，IP為污染p的指數；CP為污染物的濃度；BPHi為大于或等于CP的斷點；BPL為小于或等于CP的斷點；IHi表示為BPHi對應的IQI值；ILO表示為BPLO對應的IQI值。

2 廢氣處理裝置設計

2.1 BTF-PCO系統設計

文中使用的廢氣處理裝置為集成BTF-PCO 不銹鋼系統，如圖4 所示。來自轉爐冶煉的廢氣通過安裝在反應器末端的排氣扇以3 000 m3/h 的速度收集到反應器中。廢氣首先被引入BTF（向上流動模式），然后被引入光催化反應器（向下流動模式）。BTF 反應器（尺寸為2 000 mm×2 000 mm×4 500 mm）主要包含一個生物過濾床與一個循環供給單元。前一部分由生物膜載體組成，其中包括陶瓷顆粒、空心塑料球與拉西環。具體參數如表1 所示。

圖4 廢氣處理裝置

表1 BTF反應器元件參數

生物膜載體的有效體積為6 m3，廢氣處理裝置運行時需要每天在BTF 反應器底部添加脫氯水與1 L營養液，使后一單元中含有無機鹽的循環營養液的體積保持在2 m3。首先，通過蠕動泵以13 m3/h 的速度將營養液引入生物滴濾池的頂部，然后通過生物膜載體最終返回至底部。在整個操作過程中，用0.1 M的NaOH 周期性地將循環液的pH 值調節至中性。

2.2 處理流程

BTF-PCO 組合反應器在不同條件下運行了超過3個月，廢氣流首先被引入BTF，溫度保持在約30°C，這有利于微生物的生長。最初過濾材料上未有細菌生長，附著細菌隨著啟動時間的增加而逐漸增加。在第10、50 與80 天，生物量增加至5.42、15.35、38.46 mg/g 干重。被處理氣體在BTF 反應器停留約7.2 s，可以部分去除廢氣中的VOC，并為PCO 反應器加濕。涂覆TiO2的泡沫鎳經過真空UV 燈照射1 h 進行預處理，以去除光催化劑表面的沉積物。

BTF-PCO 反應器運行3 h 后，通過真空Summa罐收集氣態樣品，對廢氣進行定性與定量分析。通過流量控制器改變流速，以研究其對VOC 去除效率的影響。在PCO 反應器的末端，經過活性炭處理后，臭氧濃度低于檢測值（0.1 ppmV）。

2.3 分析手段

文中以6 種VOC 作為目標污染物評價BTFPCO 反應器的效果。通過Entech 7 100 預濃縮器與GC-MS 結合技術和USEPA TO-15 方法進行定性、定量檢測。首先，將來自采樣Summa 罐的150 mL 廢氣濃縮在玻璃珠收集器上，溫度保持在-150°C。然后將其分析物在20°C 脫附，并轉移至-40°C 的Tenax-TA捕集阱。濃縮后的組分再次在-190°C下解吸，然后聚焦在毛細管柱的冷塔頂上，并將其冷卻至-180°C。2.5 min 后，高度聚焦的VOC 以120°C/min 的速度快速解吸，并掃入色譜柱中進行分離。

2.4 BTF-PCO系統評價函數

盡管研究中的目標VOC 未被國際癌癥研究機構（IARC）歸類為致癌物，但其仍然有毒。根據RE（%）、負載率(LR,gm-3h-1)與EC(gm-3h-1)對反應器的性能進行評估。含烴指數HRI是VOC 的一個評價指標，而總的HRI由i個元素構成，每個元素稱作HRIi，其計算公式如式（2）所示。

其中，TLV-TWAi為化合物i的時間加權平均值的閾值極限；Ci是化合物i的濃度。HRI高于1.0 的VOC 被認為是潛在的人類健康隱患。HRI表達形式如式（3）所示。

3 實驗結果與分析

傳感網絡的低響應時間與準確測量等特性，是轉爐冶煉石油廢氣自動處理裝置穩健運行的重要保障。因此，設計實驗驗證傳感網絡氣體監測的響應性能。

3.1 氣體檢測性能實驗

在甲烷泄漏情況下，4 種條件下的傳感器響應（2.8 V 電源電壓）如圖5 所示。曲線1 與曲線2 具有相似的形狀，但響應電壓幅度不同。相反，曲線3 與曲線4 具有不同的形狀，曲線3 具有一個臨界點A；而曲線4 具有兩個臨界點A 與B。這是由于傳感器應用了脈沖加熱模式，有源傳感器被催化劑覆蓋，而參考傳感器未被覆蓋。

圖5 傳感網絡甲烷測量實驗

圖5 顯示，由于Pt-Pd 催化劑層的影響，傳感器在2.8 V 加熱時，其電阻變化是不同的。顯然，用催化劑加熱傳感器需要消耗更多時間。因此，主動傳感器比參考傳感器到達待機模式更晚。參考傳感器的電阻在時間為0.6 s 左右時穩定，而有源傳感器則保持加熱。兩個傳感器在大約1.6 s 內具有穩定的電阻，因此其響應電壓不再變化。

3.2 傳感網絡通信實驗

傳感網絡通信實驗的主要目標之一是了解接收信號強度（RSSI）與鏈路質量（LQI）指標對無線系統物理層的影響等。為此，文中評估了網絡協調器與每個傳感器節點之間的無線鏈接。在白天對每個鏈路 進行100 次RSSI 與LQI 測量（總共200 次測量）。如圖6 所示，具有較低RSSI 的鏈路可能具有較高的LQI。

圖6 傳感網絡通信實驗

為了評估在鍋爐環境中超過24 h 的部署期間對LQI與RSSI穩定性的環境影響，文中測量了傳感器節點之間的兩個指標，如圖7 所示。在白天（0～250 min與850～1565 min），LQI 水平足夠穩定。但晚上（250～850 min），LQI 大幅度下降，RSSI 即使在白天也并不完全穩定，通常約為-80 dBm。在夜間，RSSI 會降低到-90 dBm 左右，這是由于BTF-PCO 設備內部惡劣環境造成的。

圖7 全天候LQI和RSSI參數實驗

3.3 VOC處理實驗

在單一的BTF 反應器中，第15 天生物降解率分別達到64.7%與50.2%，如圖8 所示。入口濃度分別為18.00 mg/m3與21.92 mg/m3，這表明生物膜開始形成。隨著時間的推移，降解率RE 逐步提高，最后達到70.2%。石油生產中的廢氣經過6 個BTF 反應器，最終接近廢氣處理率，達99.2%以上。

圖8 BTF反應實驗

4 結束語

轉爐冶煉中的石油廢氣中可以在90 天的運行期間內，通過聯合BTF-PCO 技術進行有效去除。結果表明，通過結合使用BTF-PCO，VOC 的處理率能達到99.2%以上。文中使用的傳感網絡也能為自動處理裝置提供準確的數據支持。但由實驗可知，傳感網絡的通信質量仍有待提高，這些工作可以通過使用拓撲通信理論優化網絡結構、提高硬件設計的可靠程度實現。