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        燃煤揮發(fā)性有機物采樣系統(tǒng)改進與評價

        2022-03-25 03:25:30曹清泉徐靜穎
        潔凈煤技術 2022年2期
        關鍵詞:煙氣影響質(zhì)量

        曹清泉,徐靜穎,呂 越

        (1.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室,湖北 武漢 430074;2.華中科技大學 能源與動力工程學院,湖北 武漢 430074)

        0 引 言

        揮發(fā)性有機物(VOCs)長期存在環(huán)境中,不僅危害人類[1],也可通過參與大氣光化學反應[2-4],引發(fā)大氣環(huán)境問題(如光化學煙霧等)[5-6]。追溯VOCs的來源,可將其分為自然源與人為源,其中控制人為源排放更具有效性。人為源排放的VOCs總量中約88%來自固定源[7],燃煤源占固定源的43.8%[8],是VOCs的主要來源之一。GARCIA等[9]、FERNNDEZ-MARTNEZ等[10]、YAN等[11]、徐靜穎[12]、史曉宏等[13]對燃煤電廠VOCs進行采樣測量,發(fā)現(xiàn)脂肪烴、芳香烴以及含氧化合物為燃煤源VOCs主要排放物種,總質(zhì)量濃度在0.1~10.0 mg/m3[14]。其中,丙酮、甲苯、正己烷等主要成分的質(zhì)量濃度在0.649~2.736 mg/m3[15]。雖然我國產(chǎn)能結(jié)構(gòu)持續(xù)改善,但據(jù)國家統(tǒng)計局初步核算,2019年煤炭消耗量仍占能源消費總量的57.7%[16],我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)不會改變。然而,燃煤過程化學反應復雜,產(chǎn)生的煙氣具有高溫、高濕及高塵的特殊性,煙氣中的VOCs具有成分復雜、單一物種濃度較低等特點,均為采樣分析過程帶來極大困難。因此,燃煤行業(yè)亟需建立相應的VOCs采樣分析方法,基于該法得到實際燃煤電廠VOCs的排放情況,為后續(xù)減排提供參考。

        現(xiàn)有燃煤VOCs采樣分析方法主要分為離線分析法和在線連續(xù)分析法[17]。相較于在線連續(xù)分析法,離線分析法采樣捕集手段更多(包括氣袋、采樣罐和吸附管等采樣手段),涉及的VOCs種類更廣泛,測試方法及定性定量數(shù)據(jù)更標準、成熟。其中,吸附管采樣分析手段因攜帶保存方便、適用于低濃度采樣等優(yōu)勢常應用于燃煤電廠VOCs采樣分析。FERNNDEZ-MARTNEZ等[10]利用VOST采樣方法對西班牙某燃煤電廠進行采樣分析,該方法是基于EPA 0030的改進,其核心部分為2根吸附管串聯(lián),以獲得VOCs排放的全面信息。但CHENG等[18]利用吸附管對實驗室燃煤煙氣采樣時發(fā)現(xiàn),水蒸氣的存在會影響吸附管試驗精度。為降低水蒸氣的干擾,采用過濾器與Sunseptm干燥器組成的采樣裝置,但設備成本較高,且難以分析水分中的VOCs?,F(xiàn)有HJ 734—2014《固定污染源廢氣 揮發(fā)性有機物的測定 固相吸附-熱脫附/氣相色譜-質(zhì)譜法》也提出水蒸氣是吸附管采樣的主要干擾物。然而燃煤煙氣作為一種具有高濕特性的氣體,直接利用吸附管對其進行采集會影響VOCs的成分與含量。此外,燃煤電廠煙氣高塵、顆粒物寬粒徑分布的特點以及NO或SO2存在都會影響吸附劑的吸附效果,從而影響采樣系統(tǒng)結(jié)果[19-20]。同時,隨著煙氣溫度降低、氧氣含量上升,可能發(fā)生氣相VOCs的凝結(jié)過程(均相成核)[21]以及顆粒物的吸收、吸附過程(異相成核)[22-23]過程,因此顆粒相中可能存在許多VOCs。然而現(xiàn)有吸附管采樣方法研究多針對簡單環(huán)境以及小分子化合物,并未深入研究燃煤電廠復雜煙氣環(huán)境(如水蒸氣、顆粒物以及其他煙氣成分的存在)對VOCs采樣精度的影響,也無法對顆粒相存在的VOCs進行采集。

        針對以上不足,筆者在現(xiàn)有吸附管采樣標準HJ 734—2014的基礎上,開展燃煤過程VOCs采樣分析方法的改進與評估,探究不同吸附劑、水分及其他煙氣成分對VOCs采樣分析的影響,以期為全面揭示燃煤電廠VOCs生成提供保障,為后續(xù)VOCs減排提供參考。

        1 試驗與分析方法

        1.1 標準樣品

        根據(jù)實際燃煤電廠采樣數(shù)據(jù)與固定污染源廢氣有機化合物相關標準,選擇濃度較高且具代表性的含氧化合物(丙酮)、脂肪烴(正己烷[15]、1-癸烯)和芳香烴(甲苯[24]、乙苯[9])作為標準氣體,標準氣體質(zhì)量濃度分別為0.778、1.070、1.880、1.150和1.324 mg/m3,稀釋氣體為高純氮氣,純度≥99.999%。

        1.2 吸附管

        基于現(xiàn)行固定污染源廢氣有機化合物采樣標準與前人關于燃煤VOCs采樣的現(xiàn)場與試驗研究[9,18,24],選用2種常用的組合式吸附管。吸附管1:石墨化碳黑吸附劑C(Carbopack C)、石墨化碳黑吸附劑B(Carbopack B)、碳分子篩吸附劑1000 (Carboxen 1000)三合一填料,美國PerkinElmer儀器公司;吸附管2:多孔聚合物吸附劑(Tenax TA)、硫分子篩吸附劑(Sulficarb)二合一填料,具有惰性化涂層,美國CAMSCO儀器公司。

        1.3 采樣系統(tǒng)

        采樣系統(tǒng)如圖1所示,其在HJ 734—2014基礎上增加了除灰裝置,并改進了除水裝置。

        圖1 采樣系統(tǒng)Fig.1 Sampling system

        1.3.1除灰裝置

        針對燃煤煙氣中的顆粒物,采用對VOCs具有低吸附性的Teflon材質(zhì)除塵裝置,其中濾膜可過濾直徑大于0.22 μm的顆粒,滿足多數(shù)顆粒除塵需求。該裝置既能有效排除顆粒物對吸附管采樣分析影響,也能收集顆粒物以便分析顆粒相中的VOCs含量。

        1.3.2除水裝置

        針對燃煤煙氣中的水分,采用耐壓高硼硅玻璃與四氟寶塔頭材質(zhì)組合的冰水浴冷凝系統(tǒng)對水分進行收集,并對其進行處理。

        1.4 試驗儀器

        TD-100型熱解析儀(英國MARKES儀器公司);Agilent 7890B/5977B型氣相色譜-質(zhì)譜儀(美國Agilent儀器公司);DB-VRX型色譜柱(美國Agilent儀器公司),尺寸30 m×0.25 mm,膜厚1.40 μm。

        1.4.1熱解析條件

        干吹流量30 mL/min,干吹時間2 min,吸附管脫附溫度270 ℃,吸附采樣管脫附時間3 min,脫附流量30 mL/min,冷阱溫度-10 ℃,冷阱脫附溫度325 ℃,冷阱脫附時間3 min;傳輸線溫度150 ℃。

        1.4.2色譜條件

        柱溫升溫程序:進樣口溫度280 ℃,柱流量(恒流模式)1.5 mL/min,不分流;升溫程序:初溫35 ℃,保溫5 min,后以6 ℃/min升溫至140 ℃,再以15 ℃/min升至220 ℃保持3 min。

        1.4.3質(zhì)譜條件

        電離方法:電子電離源(EI),離子化能量70 eV,離子源溫度230 ℃,進樣口溫度280 ℃,定性分析采用全掃描模式,質(zhì)荷比m/z,掃描范圍為35~270 amu,掃描速度為1.562 u/s。利用外標法對樣品進行定量分析。

        1.5 試驗方案

        1.5.1不同吸附管對VOCs測定結(jié)果的影響

        采用三合一填料的吸附管1以及二合一填料的吸附管2,以100 mL/min速率通入共300 mL標準氣體進行加標試驗。由熱解析儀吹掃捕集,經(jīng)氣相色譜儀分離、質(zhì)譜儀離子檢測分析、全掃描方式測定樣品豐度與標準目標物對比進行外標定量。利用多次平行試驗,以平均回收率與相對標準偏差為評價指標,對比選取最適合采集燃煤VOCs的吸附管。其中,平均回收率η與相對標準偏差RSD計算公式為

        (1)

        (2)

        式中,Xd為實際質(zhì)量濃度,mg/m3;X0為理論質(zhì)量濃度,mg/m3;S為標準偏差;ˉx為平均質(zhì)量濃度,mg/m3;xi為各組分質(zhì)量濃度,mg/m3。

        1.5.2采樣系統(tǒng)對VOCs采樣測試準確性的影響

        為研究采樣系統(tǒng)本身(除水裝置與除灰裝置)對VOCs采樣結(jié)果的影響,將5種標準氣體以100 mL/min分別通入裝有除水裝置或除灰裝置的采樣系統(tǒng),利用吸附管對3 min內(nèi)的尾氣進行采樣富集。利用第1.5.1節(jié)方法研究采樣系統(tǒng)對VOCs測試準確性的影響。

        1.5.3采樣系統(tǒng)對VOCs采樣測試必要性的影響

        為研究模擬燃煤煙氣條件下采樣系統(tǒng)對VOCs的影響,將模擬煙氣1(NO質(zhì)量濃度621 mg/m3,SO2質(zhì)量濃度1 326 mg/m3,水分占比7%)以100 mL/min速率分別通入經(jīng)過采樣系統(tǒng)與未經(jīng)過采樣系統(tǒng)的吸附管3 min,利用第1.5.1節(jié)方法,評價采樣系統(tǒng)對燃煤煙氣中VOCs采樣測試是否具有必要性。

        1.5.4不同模擬煙氣條件對VOCs測定的影響

        為進一步探究煙氣成分中NO與SO2濃度對采樣系統(tǒng)收集VOCs的影響,根據(jù)實際燃煤電廠煙氣含量,選擇電廠有代表性的測點數(shù)據(jù)作為模擬煙氣參數(shù)(表1),分別以100 mL/min速率通入不同濃度的模擬煙氣,吸附管采樣富集3 min,比較不同質(zhì)量濃度NO與SO2對VOCs測定的影響,以評價采樣系統(tǒng)在燃煤電廠的適用性。

        表1 模擬煙氣參數(shù)

        2 結(jié)果與討論

        2.1 標準曲線

        為準確VOCs含量,選用manhage標液,利用外標法定量5種VOCs,多次重復試驗得到其標準曲線見表2。由表2可知,在標準系列濃度范圍內(nèi),5種VOCs的氣相色譜峰面積與質(zhì)量濃度均呈線性關系,相關系數(shù)均大于0.995,滿足HJ 734—2014中關于液體標準線性相關系數(shù)一般應大于0.995的檢測要求。

        表2 5種VOCs的標準曲線及相關系數(shù)

        2.2 不同吸附管對VOCs測定結(jié)果的影響

        由于填充劑具有高比表面積[25]和強選擇性,不同填充劑的吸附管對同一種物質(zhì)的回收率與準確度存在較大偏差[26]。對采用不同吸附劑的吸附管進行采樣測試,探究不同填充劑對VOCs采樣分析的影響。2種吸附管(吸附管1與吸附管2)對5種VOCs的平均回收率和相對標準偏差的影響見表3。由表3可知,采樣體積300 mL時,吸附管1和吸附管2的相對標準偏差分別為0.19%~4.14%、0.01%~2.04%,符合HJ 734—2014相對標準偏差要求。吸附管1(Carbopack C、Carbopack B、Carboxen 1000三合一填料)對正己烷和甲苯的平均回收率大于80%,對丙酮和乙苯平均回收率大于70%,但1-癸烯的平均回收率僅39%。相比而言,吸附管2(Tenax TA、Sulficarb 二合一填料)對丙酮、正己烷、甲苯、乙苯以及1-癸烯的平均回收率均大于80%,且甲苯與乙苯平均回收率接近100%。這可能歸因于吸附管2采用的Tenax TA吸附劑具有較高的堆積密度,能吸附更多的低分子化合物,因此適用范圍更廣。2種吸附管中,吸附管2(Tenax TA、Sulficarb 二合一填料)更適合對燃煤煙氣進行采樣。

        表3 吸附管種類對樣品平均回收率和相對標準偏差的影響

        2.3 采樣系統(tǒng)的準確性測試

        由于VOCs具有較強的揮發(fā)性、反應性以及敏感性,采樣裝置的氣密性以及材料的吸附作用易引起VOCs濃度測量不準確。因此對采樣系統(tǒng)進行準確性測試。除水、除灰系統(tǒng)對樣品平均回收率和相對標準偏差的影響見表4,可知試驗相對標準偏差均小于20%,可以保證試驗精密度,滿足HJ 734—2014要求。當標準氣體通過除水裝置或除灰裝置后,5種有機物的回收率較原始未經(jīng)過該系統(tǒng)變化波動較小,說明采樣系統(tǒng)對VOCs的影響較小,系統(tǒng)內(nèi)基本無殘留,能保證采樣過程中VOCs數(shù)據(jù)準確有效。

        表4 除水、除灰系統(tǒng)對樣品平均回收率和相對標準偏差影響

        2.4 采樣系統(tǒng)的必要性測試

        除準確性測試外,還通過模擬燃煤煙氣環(huán)境,比較有無采樣系統(tǒng)對VOCs采樣的必要性。有無采樣系統(tǒng)對樣品相對標準偏差、質(zhì)量和平均回收率的影響如圖2所示。由圖2(a)可知,試驗相對標準偏差均小于20%,可以保證試驗精密度,滿足HJ 734—2014要求。由圖2(b)和2(c)可知,模擬煙氣未經(jīng)過采樣系統(tǒng)直接被吸附管吸附時,VOCs質(zhì)量與平均回收率受煙氣中水分、NO與SO2的影響有所降低,其中1-癸烯受煙氣環(huán)境影響平均回收率僅達到36%,其余化合物平均回收率也有所降低。說明使用Tenax TA、Sulficarb吸附劑時,水分、NO和SO2會與VOCs產(chǎn)生競爭吸附[19],從而降低VOCs質(zhì)量與平均回收率。而經(jīng)過采樣系統(tǒng),5種VOCs的質(zhì)量與平均回收率變化較小,這可能是由于除水系統(tǒng)降低了水分對吸附管的影響,增大了對VOCs的吸附。可見在模擬燃煤煙氣條件下,本文所用采樣系統(tǒng)能更高效采集VOCs,提高采樣效率。

        圖2 有無采樣系統(tǒng)對樣品相對標準偏差、質(zhì)量和平均回收率的影響Fig.2 Effect of sampling system on relative standard deviation,mass and average recovery rate

        2.5 不同模擬燃煤煙氣條件對VOCs測定的影響

        通過模擬實際燃煤電廠不同采樣點的燃煤煙氣環(huán)境,選擇了4種典型的模擬燃煤煙氣環(huán)境,研究不同模擬煙氣條件對VOCs測定的影響以及采樣系統(tǒng)在各條件下對VOCs采樣的可靠性。不同模擬煙氣對樣品相對標準偏差、質(zhì)量和平均回收率的影響如圖3所示。由圖3(a)可知,試驗相對標準偏差均小于20%,可以保證試驗精密度,滿足HJ 734—2014要求。對比煙氣1與煙氣2可知,隨著NO質(zhì)量濃度降低,采樣系統(tǒng)中VOCs質(zhì)量逐漸升高,平均回收率也隨之升高。對比煙氣3與煙氣4可知,SO2質(zhì)量濃度降低也使得采樣系統(tǒng)中VOCs質(zhì)量與平均回收率升高。對比煙氣1與煙氣4可知,隨著SO2與NO質(zhì)量濃度降低,采樣系統(tǒng)中VOCs質(zhì)量與平均回收率大幅升高,且接近標準樣品試驗結(jié)果。

        圖3 不同模擬煙氣對樣品相對標準偏差、質(zhì)量和平均回收率的影響Fig.3 Effect of different coal-fired simulated flue gas on relative standard deviation,mass and average recovery rate of samples

        通過對比所有煙氣條件與標準樣品試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)5種有機化合物的平均回收率受NO與SO2質(zhì)量濃度影響變化范圍在10%~13%。在該范圍內(nèi),5種有機物的平均回收率在80%左右,RSD在1.43%~16.34%,屬于可接受的影響范圍。因此,在該模擬燃煤煙氣條件下,使用本采樣系統(tǒng)對VOCs進行采樣富集可靠,對實際燃煤電廠采樣具有可行性參考。

        3 結(jié)論與建議

        1)針對燃煤煙氣高溫、高濕、高塵的特殊測試條件以及VOCs成分復雜、單一物種濃度較低的特點,基于HJ 734—2014《固定污染源廢氣 揮發(fā)性有機物的測定 固相吸附-熱脫附/氣相色譜-質(zhì)譜法》),采用模擬煙氣及標準VOCs樣品,開展了燃煤過程VOCs采樣分析方法的改進與評估,探究了不同吸附劑、水分及其他煙氣成分對VOCs采樣分析的影響。

        2)對比不同吸附劑填充的吸附管采樣結(jié)果,發(fā)現(xiàn)采用二合一填料的吸附管準確性與精密度更高,更適用于燃煤VOCs的采樣。

        3)模擬煙氣中水分、NO、SO2的存在會對樣品質(zhì)量與平均回收率產(chǎn)生負面影響,而改進采樣系統(tǒng)后,該影響顯著降低,表明該采樣系統(tǒng)對燃煤VOCs進行采樣富集可靠。

        4)隨著NO、SO2質(zhì)量濃度增加,樣品平均回收率和相對標準偏差結(jié)果逐漸惡化,試驗準確度與精密度效果不佳。當NO、SO2質(zhì)量濃度分別為16~621 mg/m3與40~1 326 mg/m3時,5種有機物的平均回收率和相對標準偏差在可接受范圍內(nèi),該結(jié)果可為實際燃煤電廠采樣提供參考。

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