火炬氣在線監測系統選型及工程應用

周粉慧

（南京金凌石化工程設計有限公司，江蘇南京 210042）

隨著環境問題的不斷突出，國家對環境污染防治持續提出更高的要求，防治范圍從重點區域不斷拓展至全國。強化企業對污染物的監管，實時監控預警污染狀況，為開展環境監管及大氣污染治理工作提供技術支持。

為加強火炬系統監管，規范企業非正常排放行為，減少非正常工況污染物排放，要求對高空火炬實施在線監管，監測火炬氣成分、焚燒廢氣的種類及熱值。

1 火炬氣在線監測系統組成

火炬氣在線監測系統包括采樣裝置、預處理裝置、組分分析單元、數據采集和處理單元、回收穩壓模塊及廢氣參數監測單元等。

2 火炬氣組分分析方法

火炬氣組分分析方法有氣相色譜法及拉曼光譜法。相比色譜法，拉曼光譜法分析儀價格高，拉曼光譜能量高，測含氧的烴類氣體比較危險，而且要求在較穩定壓力下檢測，否則數值偏差較大；光源壽命短、更換價格高，因此不常用，本文著重介紹色譜分析法。

采用氣相色譜分析儀，樣品首先由抽氣泵抽取至定量環，經切閥轉換由載氣攜帶樣氣通過組合色譜柱進行組分分離，分離后的有機物進入檢測器測出各組分濃度。

2.1 色譜法

色譜法是利用組分在兩相間分配系數不同而進行分離的技術。氣相色譜就是以氣體作為流動相的色譜分離方法，適用于沸點較低、熱穩定性好的中小分子化合物的分析[1]。

2.2 色譜檢測器

色譜檢測器大致分為熱導檢測器（TCD）、氫火焰離子化檢測器（FID）等。由于火炬氣組分多、濃度高，這里選用熱導檢測器。

TCD是基于不同物質具有不同的熱導率設計的，利用被測氣體與載氣間熱導率的差別，使測量電橋產生不平衡電壓，從而測出組分濃度[2]。

由圖1可知，電橋平衡R1S2=R2S1。當電流通過熱導池中兩臂的鎢絲時，鎢絲加熱到一定溫度，鎢絲的電阻值也增加到一定值，兩個池中電阻增加的程度相同。當有樣品進入檢測器時，參比池中只有載氣，測量池中是載氣和樣品組分的混合氣，兩者熱導率不同，散熱情況不同，導致兩池中熱絲溫度不同，阻值不同，電橋失去平衡，檢測器輸出電壓信號輸出，記錄儀因此畫出對應組分的色譜峰。

圖1 TCD檢測原理圖

2.3 分析系統測量參數要求

分析組分滿足表1要求，C1~C5+及總量VOC組分測量量程可以依照實際可能排放濃度修正，其他組分測量量程依照表1。

表1 測量組分及范圍

2.4 主要技術指標

（1）測量組分及范圍依據表1

（2）重復性：≤±2.%F.S

（3）數據分析周期：≤15min

2.5 預處理裝置

鑒于火炬氣組分的復雜性，為確保測量的準確性，在線監測系統需配置預處理裝置。預處理流程如下。

（1）樣品通過高溫防爆采樣探頭，經過一體化伴熱取樣管線進入保溫伴熱的預處理箱。

（2）通過防爆采樣泵抽取樣品氣，經開關球閥控制系統進樣與關斷。

（3）經過濾器過濾后，一部分樣氣通過快速回路的放散出口進入回收系統，另一部分樣氣通過流量控制進入雙關雙斷及泄放功能閥門組。

（4）經過保溫、過濾、快速放散、穩壓穩流后進入色譜分析儀器。

預處理裝置帶自動反吹裝置，可定期或手動對樣品處理裝置及其他部件進行反吹。預處理裝置還具有多點標定流路切換功能，樣品處理過程中為全程加熱保溫的狀態。

2.6 回收穩壓模塊

由于火炬氣體的潛在危害性，需要接入VOCs廢氣收集處理系統。分析后的尾氣需配置氣體回收及穩壓模塊。原理是采用引射器控制，提供穩定壓力，抽引介質為氮氣。

增加回收穩壓模塊后，當排放至火炬時，火炬背壓的波動，不會對系統的尾氣控制壓力產生任何影響。

2.7 火炬氣參數（溫度、壓力、流量）監測

由于火炬氣管徑較大，流速量程比寬，流速測量優先采用超聲波流量計。溫度和壓力測量采用傳統的熱電阻和壓力變送器。

2.8 數據傳輸模塊

連續監測系統應當預留數據傳輸功能，具備數據一址多發上傳功能，能夠按照規定的內容、格式和時間間隔，將采集到的數據直接傳輸到生態環境部門的監控平臺。

2.9 實際工程應用案例

江蘇某活性劑有限公司，依照環保要求對火炬設施新增了在線監測系統，對火炬氣組分及熱值數據進行采集并上傳。

火炬氣在線監測系統整體如圖2所示。

圖2 火炬氣在線監測系統圖

A為采樣探頭；B為伴熱管線；C為超聲波流量計；D為火炬煙氣在線監測系統；E為分析站房及輔助單元。

本工程案例中的火炬氣含有一定量的氟化氫氣體，具有非常強的吸濕性，可與水無限互溶形成氫氟酸，故在此種工況下選用了耐氫氟酸材料的預處理部件，保持全程伴熱不降溫，避免產生水汽或冷凝水。火炬氣在線監測系統配置清單見表2。

表2 火炬氣在線監測系統配置清單

固定污染源監測系統的取樣點，應選擇在能準確可靠地連續監測尾氣排放狀況的位置。本案例中火炬氣采樣點設置在水封罐出口至火炬筒的水平管線上，共開設了取樣口、樣品返回口、廢氣參數檢測口，接口布置如圖3所示。

圖3 火炬氣監測接口圖

本火炬管線中心標高距地面為6.1m，為便于檢維修，設置了采樣平臺及斜梯。分析站房布置在采樣平臺南側的空曠位置。

本套火炬氣在線監測系統公用工程配套如下。

（1）電源

分析儀表附件（電伴熱、照明、樣品處理、快速回路泵等）采用市電供電；分析儀、數采儀和氣體報警儀控制器采用不間斷電源（UPS）供電，分析站房內配備了UPS電源。

（2）凈化風及氮氣

分析站房及采樣平臺處各接一路儀表凈化風，用于儀表的正壓通風或吹掃，用量約200L/min。分析站房處接一路氮氣，用于伴熱管反吹及穩壓回收單元，用量約180L/min。

3 結束語

目前國內石化、電力等各個行業剛剛開始設置火炬在線監測系統，未來會不斷普及，從源頭防止火炬氣偷排和超排，保護環境，實現經濟和環保協調發展。