淺談槽式光熱電站廢氣VOCs在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用及排放指標(biāo)的控制措施

魏富道，劉萬(wàn)軍，劉一丁，尹 航

（中廣核太陽(yáng)能德令哈有限公司，青海 海西 817099）

引言

為落實(shí)生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于加強(qiáng)重點(diǎn)排污單位自動(dòng)監(jiān)控建設(shè)工作的通知》（環(huán)辦環(huán)監(jiān)〔2018〕25號(hào)），以及青海省生態(tài)環(huán)保廳轉(zhuǎn)發(fā)生態(tài)環(huán)境部辦公廳《關(guān)于印發(fā)（固定污染源廢氣中非甲烷總烴排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南（試行））》的通知要求，重點(diǎn)排污單位中的VOCs排放重點(diǎn)源自2020年起應(yīng)將VOCs項(xiàng)目納入自動(dòng)監(jiān)控。為提高VOCs污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，充分發(fā)揮在線監(jiān)控系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法中的作用，VOCs在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性作用，也為以有機(jī)熱載體為介質(zhì)的光熱發(fā)電企業(yè)在運(yùn)行中的參數(shù)調(diào)整做了有效鋪墊。

1 廢氣的來(lái)源

光熱發(fā)電企業(yè)主要是指利用大規(guī)模陣列鏡面反射太陽(yáng)熱能，通過(guò)換熱裝置及儲(chǔ)熱裝置提供蒸汽，然后結(jié)合傳統(tǒng)汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)，達(dá)到發(fā)電的目的。太陽(yáng)能熱發(fā)電電站主要由聚光系統(tǒng)（鏡場(chǎng)）、導(dǎo)熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成。

目前導(dǎo)熱系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)大多為熔鹽和有機(jī)熱載體（目前基本是VP-1的導(dǎo)熱油）。以導(dǎo)熱油作為介質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)中，導(dǎo)熱油是由兩個(gè)非常穩(wěn)定的有機(jī)化合物組成，26.5%的聯(lián)苯（C12H10）和73.5%的二苯醚（C12H10O）的共晶混合物。其正常應(yīng)用的溫度范圍是12～400 ℃，當(dāng)導(dǎo)熱油溫度低于12 ℃，會(huì)發(fā)生凝結(jié)，當(dāng)溫度超過(guò)400 ℃時(shí)，則會(huì)由于高溫的作用發(fā)生裂解現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)熱油裂解時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生高沸點(diǎn)和低沸點(diǎn)的雜質(zhì)。為保證導(dǎo)熱油品質(zhì)不影響吸熱換熱效率，會(huì)對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行凈化處理，在導(dǎo)熱油凈化過(guò)程中產(chǎn)生廢氣[1]。

2 廢氣處理系統(tǒng)介紹

為排出導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)中的廢氣，導(dǎo)熱油經(jīng)密閉循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入損耗放空罐，損耗放空罐底部的導(dǎo)熱油利用沸點(diǎn)差異性對(duì)導(dǎo)熱油運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高、低沸物進(jìn)行分離，并回收合格導(dǎo)熱油。頂部的廢氣經(jīng)氮?dú)飧采w后進(jìn)入兩組活性炭吸附罐，廢氣通過(guò)固定吸附罐內(nèi)的活性炭層的過(guò)流斷面，在一定的停留時(shí)間內(nèi)，由于活性炭與有機(jī)廢氣分子間相互引力的作用產(chǎn)生物理吸附（又稱范德華吸附），從而將廢氣中的有機(jī)成分吸附在活性炭的空隙表面，從而使廢氣得到凈化，凈化后的潔凈氣體順煙囪排空。

對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)物的治理，光熱發(fā)電普遍采用活性炭吸附法，利用活性炭進(jìn)行VOCs吸附，主要是活性炭具有以下諸多優(yōu)勢(shì)：（1）吸附快，微孔發(fā)達(dá)，孔徑分布廣泛，能夠吸附分子大小不同的物質(zhì)；（2）對(duì)苯、氯仿等揮發(fā)性有機(jī)物有吸附和回收作用，效果顯著；（3）具有疏水性和非極性的表面特點(diǎn)，對(duì)非極性物質(zhì)具有良好的吸附選擇性；（4）活性炭原料成本低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，容易脫附再生，常用于吸附劑，用于處理低濃度、大風(fēng)量和中等相對(duì)分子質(zhì)量的揮發(fā)性有機(jī)物。

為保證VOCs排放符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)在線數(shù)據(jù)及時(shí)更換吸附罐內(nèi)的活性炭，確保VOCs數(shù)據(jù)穩(wěn)定合格達(dá)標(biāo)。

3 VOCs在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)架

3.1 VOCs在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀表（NMHC-CEMS等）應(yīng)包括采樣單元、樣品預(yù)處理單元、分析儀單元、通信接口單元等。其中在線分析儀表應(yīng)帶有網(wǎng)絡(luò)通信接口，能夠接入工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）構(gòu)成整個(gè)在線分析儀表系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。

圖1 分析儀表控制機(jī)柜

3.1.1 采樣和預(yù)處理單元

采樣探頭選用隔爆型采樣探頭，防爆等級(jí)IIC-T4，內(nèi)置溫度控制并附有防爆接線箱，方便接線及調(diào)節(jié)控制溫度。采樣探頭采用高溫加熱采集系統(tǒng)。采用不銹鋼材質(zhì)，不吸附有機(jī)物且不與待測(cè)有機(jī)物發(fā)生任何反應(yīng)，采樣探頭設(shè)有遠(yuǎn)程校準(zhǔn)功能，可直接接入系統(tǒng)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)氣體。該裝置由取樣管、電加熱過(guò)濾腔兩部分組成。過(guò)濾腔內(nèi)安裝陶瓷過(guò)濾器，外面安裝電加熱器組成，實(shí)現(xiàn)樣氣的取樣和第一級(jí)過(guò)濾，過(guò)濾精度5 μm。樣氣傳輸管線把采樣探頭的樣氣傳輸?shù)椒治鲂∥莸姆治鰴C(jī)柜，管線內(nèi)置兩根6 mm的氣體傳輸管，主體材料為316 L不銹鋼，采用全程伴熱的采樣方式，最高耐溫200 ℃，最低不低于120 ℃，防止氣體中的水分產(chǎn)生冷凝，具備穩(wěn)定、均勻加熱和保溫的功能，該加熱溫度可在機(jī)柜的溫控器上查詢。其中一根不銹鋼管作為樣品采集管，而另一根則用于標(biāo)準(zhǔn)氣體的全程校準(zhǔn)[2]。

3.1.2 樣氣分析單元

（1）GC-FID分析儀工作原理

當(dāng)有機(jī)化合物進(jìn)入以氫氣和氧氣燃燒的火焰，在高溫下產(chǎn)生化學(xué)電離，電離產(chǎn)生比基流高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的離子，在高壓電場(chǎng)的定向作用下，形成離子流，微弱的離子流（10-12～10-8A）經(jīng)過(guò)高阻（106～1011Ω）放大，成為與進(jìn)入火焰的有機(jī)化合物的量成正比的電信號(hào)，因此可以根據(jù)信號(hào)的大小對(duì)有機(jī)物進(jìn)行定量分析。一般采用完全抽取式的采樣方法，將被測(cè)氣體從煙道中抽出，通過(guò)采樣探頭、樣氣傳輸單元、預(yù)處理單元，全程伴熱送至GC-FID檢測(cè)單元，從而檢測(cè)出氣態(tài)污染物的濃度，并在控制單元的控制下進(jìn)行反吹、校準(zhǔn)、報(bào)警等功能。

（2）VOCs分析儀介紹

本系統(tǒng)分析儀是GC-FID分析儀（流程見(jiàn)圖2）。使用氣相色譜方法分析非甲烷總烴，將被分離物成分的濃度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，分析各峰的面積，計(jì)算各成分的含量。在FID基礎(chǔ)上，樣品通過(guò)GC自動(dòng)進(jìn)樣器，使用GC-FID可同時(shí)測(cè)量排氣中總碳烴化合物（Total hydrocarbon，THC）、甲烷（Methane）和非甲烷總烴（Total nonmethane hydrocarbon，TNMHC）的含量。樣品通過(guò)無(wú)分離效果的空管后進(jìn)入火焰離子化檢測(cè)器（Flameinization detector，F(xiàn)ID）測(cè)得總碳?xì)浠衔铮瑫r(shí)廢氣中甲烷（Methane）樣品通過(guò)會(huì)吸附非甲烷總烴化合物（Total nonmethane hyd-rocarbon，TNMHC）的分子篩吸附管后，進(jìn)入FID檢測(cè)器測(cè)得，將THC扣除甲烷后即得非甲烷總烴化合物含量，檢測(cè)一個(gè)樣品所需的時(shí)間約為1分鐘[3]。

圖2 GC-FID 基本氣路組成圖

分析儀具有色譜圖文件自動(dòng)記錄、歷史譜圖查詢功能，且具備根據(jù)譜圖自動(dòng)校準(zhǔn)和多點(diǎn)校準(zhǔn)功能。

在非甲烷總烴分析儀配置基礎(chǔ)上，增加一路進(jìn)樣通道，氣體進(jìn)入苯系物柱，經(jīng)分析柱分離、氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）檢測(cè)，分別測(cè)出苯系物各組分的濃度。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集、處理及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)樣氣中總碳烴、甲烷、非甲烷總烴、苯及苯系物等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境污染物數(shù)據(jù)報(bào)表處理和數(shù)據(jù)傳輸，最終達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。根據(jù)國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，揮發(fā)性有機(jī)氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理軟件，也可實(shí)時(shí)顯示整套VOCs監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)污染物參數(shù)和整套系統(tǒng)的運(yùn)行情況，能夠直觀地看出廢氣污染物排放濃度，并且根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，按照環(huán)保報(bào)表的格式自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表及年報(bào)表。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入主控站工控機(jī)，通過(guò)主控站上的監(jiān)控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化檢測(cè)儀表或前端傳感器所測(cè)量的總碳烴濃度（mg/m3）、甲烷濃度（mg/m3）、非甲烷總烴濃度（mg/m3）等數(shù)據(jù)，并將長(zhǎng)期保存。這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成小時(shí)均值自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，生成報(bào)表。通過(guò)主控站軟件可以進(jìn)行歷史/實(shí)時(shí)曲線查詢、歷史/實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢，并能統(tǒng)計(jì)/打印報(bào)表。

各分析儀器與工控機(jī)均采用RS232/485數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，分析數(shù)據(jù)經(jīng)工控機(jī)采集、轉(zhuǎn)換后通過(guò)數(shù)采儀接口并通過(guò)企業(yè)寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸至省環(huán)保部門監(jiān)控中心及企業(yè)中控室，以便得到有效監(jiān)控。

3.2 甲烷總烴監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

非甲烷總烴監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由采樣探頭、樣品預(yù)處理單元和分析儀組成。采樣探頭直接安裝在管線上，采樣預(yù)處理單元和分析儀安裝在防爆型分析小屋中，盡量減少管線附近的維護(hù)量。

3.3 NMHC-CEMS 組成示意圖（圖3）

圖3 VOCs系統(tǒng)組成圖

4 VOCs在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定及維護(hù)

為確保VOCs在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要按照儀表設(shè)備的管理規(guī)定和環(huán)保設(shè)施運(yùn)維要求，定期或不定期地進(jìn)行表計(jì)的標(biāo)定，下面將簡(jiǎn)單介紹VOCs在線監(jiān)測(cè)儀定期標(biāo)定和維護(hù)要求。

4.1 VOCs在線監(jiān)測(cè)儀的校準(zhǔn)

標(biāo)定校準(zhǔn)流程為：查驗(yàn)→校準(zhǔn)→查驗(yàn)。首先連續(xù)查驗(yàn)，打開(kāi)標(biāo)氣保證設(shè)備重復(fù)性；然后校準(zhǔn)設(shè)備斜率、截距；最后再查驗(yàn)保證準(zhǔn)確性。

在采樣界面選擇運(yùn)行模式為單次標(biāo)定（也可根據(jù)需要進(jìn)行多次標(biāo)定），通入標(biāo)準(zhǔn)氣體后點(diǎn)擊采樣，待采樣結(jié)束后點(diǎn)擊譜圖界面，點(diǎn)擊添加譜圖，把標(biāo)定的譜圖調(diào)入，確定好峰的位置參數(shù)后輸入標(biāo)氣濃度值，最后點(diǎn)擊計(jì)算斜率，按照跳出的畫面點(diǎn)擊保存，選擇組分表并確認(rèn)，完成儀器的標(biāo)定。

標(biāo)定完成后，采樣頁(yè)面的運(yùn)行模式選為連續(xù)采樣，點(diǎn)擊采樣按鈕，儀器開(kāi)始進(jìn)行周期性自動(dòng)采樣，并按標(biāo)定的曲線算出樣氣的濃度值。

4.2 VOCs在線監(jiān)測(cè)儀的檢查和維護(hù)

VOCs在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要定期檢查與維護(hù)，尤其是在一些工業(yè)園區(qū)內(nèi)被測(cè)氣體或環(huán)境空氣存在腐蝕性氣體的場(chǎng)合，更應(yīng)根據(jù)工況，提高檢查與維護(hù)的頻率。例如，防爆采樣器、隔爆接線盒等隔爆型設(shè)備的隔爆結(jié)合面等，應(yīng)定期檢查和清理。

VOCs在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常應(yīng)急處理流程：發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)儀器出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)顯示異常后，要及時(shí)上報(bào)并到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。判斷數(shù)據(jù)異常原因，如果是操作、設(shè)備運(yùn)行等原因造成的數(shù)據(jù)異常，由使用單位組織調(diào)整操作，保證數(shù)據(jù)恢復(fù)；如果是在線監(jiān)測(cè)儀器故障，則由維修單位對(duì)該儀器進(jìn)行處理、維修。如果不能立即確認(rèn)故障原因，應(yīng)首先選擇使用人工監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量污染物排放情況，用人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定在線監(jiān)測(cè)儀表數(shù)據(jù)的真實(shí)性后，再進(jìn)一步開(kāi)展有關(guān)故障排查與處理工作，如果在線監(jiān)測(cè)儀器由于需要離線檢修等原因造成在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法正常上傳至平臺(tái)，應(yīng)立即聯(lián)系環(huán)境監(jiān)測(cè)部門到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工比對(duì)，并按規(guī)范記錄數(shù)據(jù)，上報(bào)備案[4]。

5 光熱發(fā)電企業(yè)VOCs排放的控制和廢氣源頭治理措施

以導(dǎo)熱油作為介質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)中，導(dǎo)熱油的作用是傳儲(chǔ)熱介質(zhì)，始終在密閉系統(tǒng)中運(yùn)行，如果導(dǎo)熱油系統(tǒng)無(wú)泄漏，且不超過(guò)參數(shù)運(yùn)行，導(dǎo)熱油就基本不會(huì)氧化裂解，導(dǎo)熱油凈化系統(tǒng)將減少運(yùn)行時(shí)間和次數(shù)，產(chǎn)生的廢氣量相對(duì)較少。所以控制好運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)熱油的各項(xiàng)參數(shù)，防止導(dǎo)熱油各參數(shù)不超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的溫度保護(hù)值，是光熱發(fā)電企業(yè)減少VOCs排放的最佳措施。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了以有機(jī)熱載體為介質(zhì)的光熱發(fā)電企業(yè)應(yīng)用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的一定量的含有VOCs的廢氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，合理調(diào)整環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。以有機(jī)熱載體為介質(zhì)的光熱發(fā)電企業(yè)，是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、連續(xù)發(fā)電能力強(qiáng)的新能源支柱產(chǎn)業(yè)，只要合理應(yīng)用相應(yīng)的環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和有效的導(dǎo)熱油介質(zhì)運(yùn)行參數(shù)保護(hù)手段，以有機(jī)熱載體為介質(zhì)的光熱發(fā)電企業(yè)是能夠?qū)崿F(xiàn)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，以及滿足能源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展需求的。