基于FID 火焰離子化檢測技術的VOCs 在線監測系統★

薛小鵬

（山西省信息產業技術研究院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

近幾年來，我國大氣污染日益嚴重，霧霾天氣頻發，揮發性有機物（VOCs）是構成大氣污染和霧霾天氣的重要因素之一。2010 年發布《關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》，我國第一次將VOCs 列成需重點監測控制的污染物。2016年《大氣污染防治法》實施，第一次將VOCs 納入監管，監測治理VOCs 有了法律依據。2017 年10 月發布《“十三五”揮發性有機物污染防治工作方案》，方案明確“十三五”期間對于VOCs 的治理重點在于改善空氣質量，要“以重點地區為主要著力點，以重點行業和重點污染物為主要控制對象”，推進治理，強化控制，加強基礎能力建設和政策保障，建立污染防治的長效機制。2017 年12 月印發了《2018 年重點地區環境空氣揮發性有機物監測方案》的通知，該通知中規定VOCs 的監測項目、頻次、方法以及數據傳輸要求。該政策的出臺使VOCs 在線監測有了可以依據的實施準則。

1 VOCs 排放源介紹

VOCs 的排放源比較多、情況復雜，大類主要分為人為排放和自然界排放。自然界排放主要是因為森林火災、海洋、植被以及野生動物排放，排放類型多，控制比較難。人為排放包括固定源和流動源兩大類，其中固定源包括化工、石油煉制、煉鋼煉焦等，流動源指所有和機動車、船、飛機等交通工具相關的排放[1]。

2 VOCs 檢測技術

VOCs 的檢測技術包含PID 光粒子檢測、FID 火焰離子化檢測、氧化催化-NDIR、FTIR、差分吸收光譜、調諧激光吸收光譜等多種分析技術。PID 光粒子檢測是通過紫外燈離子化樣品氣體對樣氣進行檢測，當氣體通過紫外燈時，氣體分子因吸收紫外燈的能量被電離成帶正負電荷的離子，電荷傳感器受到這些離子后形成電流信號，從而計算出濃度。FID 火焰離子化檢測是采用氫火焰的辦法將樣品氣體進行電離，這些電離的離子可以很容易被電極檢測到，從而計算出濃度[2]。采用此方法是對全部樣氣進行了完全焚燒，對氣體進行了破壞，樣品不能再做進一步分析。

3 系統介紹

完整的VOCs（揮發性有機物）連續在線監測系統包含以下幾部分：采樣單元、氣體分析檢測單元、預處理單元、煙氣參數監測單元、DAS 分析及傳輸單元，如圖1 所示。污染源中排放的揮發性有機物廢氣排口水汽含量高、濃度高、溫度高、工況復雜，系統從樣品氣抽取到氣相色譜儀全程采用180 ℃高溫伴熱技術。以隔膜泵為動力源，將廢氣樣品通過高溫除塵處理理子系統過濾后送至氣相色譜儀分析單元進行測量。在氣相色譜儀分析單元中，樣品氣首先進入定量管，樣品氣體穩定后，將廢氣樣品伴隨氫氣載氣一同進入色譜柱，通過色譜柱的樣品氣被分離后依次通過氫火焰離子化檢測器（FID）對樣品起進行各組分測量，處理后的測量結果通過無線網或有線網進行上傳。

圖1 系統流程圖

3.1 采樣單元

采樣單元負責整個VOCs 在線監測系統的樣品采集工作，包括采樣探頭、伴熱管線等，保證系統從煙道中采集到恒溫、流量穩定的樣氣。VOCs 在線監測系統安裝現場的采樣位置、采樣條件以及安裝操作都應按照相關國家標準和技術要求嚴格執行。

3.2 預處理單元

預處理系統是針對企業排放的揮發性有機物濃度自動進行實時監測而設計的，它能夠自動完成樣氣的多級處理過程，使分析儀器可以得到盡可能干凈的、流速穩定的樣氣，確保其能夠工作更加長久。本系統主要由過濾器、采樣泵、高純空氣、電磁閥、流量計等組成，具有除塵、流量控制等功能，并能自動完成取樣分析和反吹等功能。選擇全程高溫伴熱技術方案，單元內溫度穩定在120 ℃，最大限度保留污染物組分，使檢測結果更準確。

3.3 氣體檢測分析單元

氣體檢測分析單元則是對通過預處理的樣氣各項參數進行監測。本系統主要選用氣象色譜儀完成VOCs 的檢測。氣象色譜儀主要包含以下幾部分：載氣及流速控制單元；進樣單元；色譜柱單元；火焰離子化檢測器（FID）單元；數據處理單元；溫度控制單元。

氣相色譜儀可以測量氣體或者在某一溫度下可以轉化為氣體的物質。根據各物質的特點特性，轉換后的樣氣中不同的組分在氣相之間的分配系數不同，當樣品氣被載氣（氮氣）傳輸到色譜柱中后，各組分氣體在氣相之間進行多次流動分配，因為每種氣體成分的溶解、吸附能力有區別，因此各種樣品氣以不同的速度在色柱之間進行流動，經過一定時間后樣品氣被分離，火焰離子化檢測器（FID）依次按順序檢測被色譜柱分離的各樣品氣。檢測器的主要部件是離子室，離子室由收集極、極化極、氣體入口和火焰噴嘴組成，在測量時需在極化極和收集極之間加一直流電壓（50～300 V）構成的外加電場[3]。火焰離子化檢測器產生的信號經放大器放大后，在記錄器上描繪出各組分的色譜峰。根據色譜峰依次確定各組分的名稱以及濃度大小。

3.4 煙氣參數監測單元

本檢測單元可選包括溫壓流一體機、濕氧一體機，用于測量煙氣的溫度、壓力、流速及濕度和氧含量，用于計算污染物濃度、排放速率、排放總量，污染物濃度檢測結果以干基標準狀態值。

3.5 DAS 分析及傳輸單元

該單元主要負責將檢測系統中測量的數據信息進行采集和計算處理，并將處理好的數據通過工控機展示給使用客戶，同時也需通過VOCs 在線監測系統的數據模塊將數據上傳至環保部門的云平臺。采集的數據包含實時分析數據，設備狀態參數信息、報警狀態參數信息，同時具備接受并實現上位平臺的反控命令，如：提取數據、啟動自動監測設備分析與質控、標準氣的標定、控制留樣和校時等功能。數據通過數采儀采集，使用4G 網絡，將現場所有數據實時上報至監控中心平臺。

4 監測過程中VOCs 吸附的解決辦法

揮發性有機物在線監測系統采樣和氣體傳輸過程對VOCs 組分的吸附、粘附容易造成測量失真，導致測量結果不準確，為避免失真，環保企業一般都采用三種方式：

1）采樣探頭、樣氣傳輸管路、過濾器、接頭、閥門等從采樣開始就與樣氣直接接觸的元器件，選擇惰性材料或惰性涂層的，減少或避免VOCs 組分的吸附。這種方式對元器件的材料要求比較高，成本相對較高；

2）采用大流量樣品氣收取方式，使煙氣樣品氣快速穿過預處理的各個部件以及聚四氟乙烯傳輸管路，減少VOCs 吸附的組分在整個樣氣中所占的比例，減少氣體冷凝和傳輸過程吸附造成的測量誤差，采用此方式對儀器的各種參數性能要求都比較高；

3）采用全過程標準氣校準標定，采用VOCs 標準氣體校準儀器的零點和量程時，標氣應與樣品氣測量的路徑保持一致，從采樣頭一直到氣象色譜儀。這樣可以消除管線、部件的吸附造成樣品氣的損失影響測量的結果。

5 結論

根據政策以及VOCs 檢測需求，設計出一套基于FID 火焰離子化檢測器的VOCs 在線監測系統，該系統可實時測量非甲烷總烴、苯、甲苯、二甲苯等揮發性有機物，可廣泛應用于焦化行業、石油化工行業、噴涂行業、農藥工業、家具制造、皮革加工等行業。該系統能滿足《固定源污染廢氣非甲烷總烴連續監測系統技術要求及檢測方法》《大氣污染物綜合排放標準》等相關政策文件的要求。在設備的使用過程中，應嚴格按照設備的技術要求以及監測點的選擇要求進行實施才能使實際的測量更準確。