徐永洪，蔣佩忱，譚志宏，張勇

（中國(guó)石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川江油 621741）

隨著我國(guó)石油工業(yè)的高速發(fā)展，石油廢氣的排放量也急速增長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害。石油生產(chǎn)中的廢氣排放量大、有機(jī)物組分與比例差異波動(dòng)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(shí)驗(yàn)室水平的測(cè)試，并未轉(zhuǎn)換為規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。此外，光催化劑失活仍是一個(gè)無(wú)法解決的問(wèn)題。因?yàn)楣獯呋瘎┍砻孑^容易被顆粒物與難熔有機(jī)物覆蓋，從而導(dǎo)致光催化活性顯著下降。

文中建立了一個(gè)由BTF 預(yù)處理系統(tǒng)與PCO 系統(tǒng)組成的中試規(guī)模BTF-PCO 反應(yīng)器，通過(guò)搭載氣體與微粒傳感網(wǎng)絡(luò)[2]，對(duì)BTF-PCO 反應(yīng)器的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間與效率。

1 傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 所示為所提出的傳感網(wǎng)絡(luò)[3]結(jié)構(gòu)，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石油生產(chǎn)中空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，以獲取各種空氣質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)，包括氣體、氣溶膠及其他參數(shù)（例如溫度與濕度）[4-7]。

圖1 傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

基站或ZigBee 協(xié)調(diào)器以固定時(shí)間間隔從已部署的ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)[8]，每個(gè)位置均映射到節(jié)點(diǎn)的MAC ID[9]。數(shù)據(jù)采集模塊是使用Java 語(yǔ)言構(gòu)建的，其從串行端口接收數(shù)據(jù)并解析數(shù)據(jù)包[10]。文中還開(kāi)發(fā)了一個(gè)GUI，用于顯示每隔一分鐘來(lái)自每個(gè)位置點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖2 所示[11]。

圖2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示GUI

圖2 中的GUI 允許用戶(hù)以圖形的形式查看每個(gè)位置的歷史數(shù)據(jù)以及每個(gè)參數(shù)的最小值、最大值與平均值[12]。中心站可以根據(jù)一組預(yù)定義的命令通過(guò)TCP/IP 與氣溶膠監(jiān)控器對(duì)話(huà)[13]。圖3 所示為氣溶膠監(jiān)測(cè)[14]GUI 界面，用戶(hù)可通過(guò)其遠(yuǎn)程操作機(jī)器[15]。

圖3 氣溶膠監(jiān)測(cè)GUI

1.2 IQI分析計(jì)算

除了收集傳感器信息外，文中還計(jì)算了工業(yè)空氣質(zhì)量指數(shù)（IQI），用于反映石油廢氣自動(dòng)處理系統(tǒng)的反饋信息[16-19]?？諝赓|(zhì)量指標(biāo)值分為多個(gè)范圍，每個(gè)范圍均分配有一個(gè)描述符與一個(gè)顏色代碼，IQI 可由式（1）得出。

式中，IP為污染p的指數(shù)；CP為污染物的濃度；BPHi為大于或等于CP的斷點(diǎn)；BPL為小于或等于CP的斷點(diǎn)；IHi表示為BPHi對(duì)應(yīng)的IQI值；ILO表示為BPLO對(duì)應(yīng)的IQI值。

2 廢氣處理裝置設(shè)計(jì)

2.1 BTF-PCO系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中使用的廢氣處理裝置為集成BTF-PCO 不銹鋼系統(tǒng)，如圖4 所示。來(lái)自轉(zhuǎn)爐冶煉的廢氣通過(guò)安裝在反應(yīng)器末端的排氣扇以3 000 m3/h 的速度收集到反應(yīng)器中。廢氣首先被引入BTF（向上流動(dòng)模式），然后被引入光催化反應(yīng)器（向下流動(dòng)模式）。BTF 反應(yīng)器（尺寸為2 000 mm×2 000 mm×4 500 mm）主要包含一個(gè)生物過(guò)濾床與一個(gè)循環(huán)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(huán)。具體參數(shù)如表1 所示。

圖4 廢氣處理裝置

表1 BTF反應(yīng)器元件參數(shù)

生物膜載體的有效體積為6 m3，廢氣處理裝置運(yùn)行時(shí)需要每天在BTF 反應(yīng)器底部添加脫氯水與1 L營(yíng)養(yǎng)液，使后一單元中含有無(wú)機(jī)鹽的循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液的體積保持在2 m3。首先，通過(guò)蠕動(dòng)泵以13 m3/h 的速度將營(yíng)養(yǎng)液引入生物滴濾池的頂部，然后通過(guò)生物膜載體最終返回至底部。在整個(gè)操作過(guò)程中，用0.1 M的NaOH 周期性地將循環(huán)液的pH 值調(diào)節(jié)至中性。

2.2 處理流程

BTF-PCO 組合反應(yīng)器在不同條件下運(yùn)行了超過(guò)3個(gè)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(zhǎng)。最初過(guò)濾材料上未有細(xì)菌生長(zhǎng)，附著細(xì)菌隨著啟動(dòng)時(shí)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(yīng)器停留約7.2 s，可以部分去除廢氣中的VOC，并為PCO 反應(yīng)器加濕。涂覆TiO2的泡沫鎳經(jīng)過(guò)真空UV 燈照射1 h 進(jìn)行預(yù)處理，以去除光催化劑表面的沉積物。

BTF-PCO 反應(yīng)器運(yùn)行3 h 后，通過(guò)真空Summa罐收集氣態(tài)樣品，對(duì)廢氣進(jìn)行定性與定量分析。通過(guò)流量控制器改變流速，以研究其對(duì)VOC 去除效率的影響。在PCO 反應(yīng)器的末端，經(jīng)過(guò)活性炭處理后，臭氧濃度低于檢測(cè)值（0.1 ppmV）。

2.3 分析手段

文中以6 種VOC 作為目標(biāo)污染物評(píng)價(jià)BTFPCO 反應(yīng)器的效果。通過(guò)Entech 7 100 預(yù)濃縮器與GC-MS 結(jié)合技術(shù)和USEPA TO-15 方法進(jìn)行定性、定量檢測(cè)。首先，將來(lái)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(zhuǎn)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(xì)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(jìn)行分離。

2.4 BTF-PCO系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)

盡管研究中的目標(biāo)VOC 未被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）歸類(lèi)為致癌物，但其仍然有毒。根據(jù)RE（%）、負(fù)載率(LR,gm-3h-1)與EC(gm-3h-1)對(duì)反應(yīng)器的性能進(jìn)行評(píng)估。含烴指數(shù)HRI是VOC 的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，而總的HRI由i個(gè)元素構(gòu)成，每個(gè)元素稱(chēng)作HRIi，其計(jì)算公式如式（2）所示。

其中，TLV-TWAi為化合物i的時(shí)間加權(quán)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(rèn)為是潛在的人類(lèi)健康隱患。HRI表達(dá)形式如式（3）所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

傳感網(wǎng)絡(luò)的低響應(yīng)時(shí)間與準(zhǔn)確測(cè)量等特性，是轉(zhuǎn)爐冶煉石油廢氣自動(dòng)處理裝置穩(wěn)健運(yùn)行的重要保障。因此，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測(cè)的響應(yīng)性能。

3.1 氣體檢測(cè)性能實(shí)驗(yàn)

在甲烷泄漏情況下，4 種條件下的傳感器響應(yīng)（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(yīng)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(gè)臨界點(diǎn)A；而曲線4 具有兩個(gè)臨界點(diǎn)A 與B。這是由于傳感器應(yīng)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(wǎng)絡(luò)甲烷測(cè)量實(shí)驗(yàn)

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(shí)，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(shí)間。因此，主動(dòng)傳感器比參考傳感器到達(dá)待機(jī)模式更晚。參考傳感器的電阻在時(shí)間為0.6 s 左右時(shí)穩(wěn)定，而有源傳感器則保持加熱。兩個(gè)傳感器在大約1.6 s 內(nèi)具有穩(wěn)定的電阻，因此其響應(yīng)電壓不再變化。

3.2 傳感網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)

傳感網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)之一是了解接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）與鏈路質(zhì)量（LQI）指標(biāo)對(duì)無(wú)線系統(tǒng)物理層的影響等。為此，文中評(píng)估了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線鏈接。在白天對(duì)每個(gè)鏈路 進(jìn)行100 次RSSI 與LQI 測(cè)量（總共200 次測(cè)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(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)估在鍋爐環(huán)境中超過(guò)24 h 的部署期間對(duì)LQI與RSSI穩(wěn)定性的環(huán)境影響，文中測(cè)量了傳感器節(jié)點(diǎn)之間的兩個(gè)指標(biāo)，如圖7 所示。在白天（0～250 min與850～1565 min），LQI 水平足夠穩(wěn)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(wěn)定，通常約為-80 dBm。在夜間，RSSI 會(huì)降低到-90 dBm 左右，這是由于BTF-PCO 設(shè)備內(nèi)部惡劣環(huán)境造成的。

圖7 全天候LQI和RSSI參數(shù)實(shí)驗(yàn)

3.3 VOC處理實(shí)驗(yàn)

在單一的BTF 反應(yīng)器中，第15 天生物降解率分別達(dá)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(kāi)始形成。隨著時(shí)間的推移，降解率RE 逐步提高，最后達(dá)到70.2%。石油生產(chǎn)中的廢氣經(jīng)過(guò)6 個(gè)BTF 反應(yīng)器，最終接近廢氣處理率，達(dá)99.2%以上。

圖8 BTF反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)爐冶煉中的石油廢氣中可以在90 天的運(yùn)行期間內(nèi)，通過(guò)聯(lián)合BTF-PCO 技術(shù)進(jìn)行有效去除。結(jié)果表明，通過(guò)結(jié)合使用BTF-PCO，VOC 的處理率能達(dá)到99.2%以上。文中使用的傳感網(wǎng)絡(luò)也能為自動(dòng)處理裝置提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。但由實(shí)驗(yàn)可知，傳感網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量仍有待提高，這些工作可以通過(guò)使用拓?fù)渫ㄐ爬碚搩?yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提高硬件設(shè)計(jì)的可靠程度實(shí)現(xiàn)。