薛小鵬

（山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

近幾年來(lái)，我國(guó)大氣污染日益嚴(yán)重，霧霾天氣頻發(fā)，揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是構(gòu)成大氣污染和霧霾天氣的重要因素之一。2010 年發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量的指導(dǎo)意見(jiàn)》，我國(guó)第一次將VOCs 列成需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)控制的污染物。2016年《大氣污染防治法》實(shí)施，第一次將VOCs 納入監(jiān)管，監(jiān)測(cè)治理VOCs 有了法律依據(jù)。2017 年10 月發(fā)布《“十三五”揮發(fā)性有機(jī)物污染防治工作方案》，方案明確“十三五”期間對(duì)于VOCs 的治理重點(diǎn)在于改善空氣質(zhì)量，要“以重點(diǎn)地區(qū)為主要著力點(diǎn)，以重點(diǎn)行業(yè)和重點(diǎn)污染物為主要控制對(duì)象”，推進(jìn)治理，強(qiáng)化控制，加強(qiáng)基礎(chǔ)能力建設(shè)和政策保障，建立污染防治的長(zhǎng)效機(jī)制。2017 年12 月印發(fā)了《2018 年重點(diǎn)地區(qū)環(huán)境空氣揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)方案》的通知，該通知中規(guī)定VOCs 的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、頻次、方法以及數(shù)據(jù)傳輸要求。該政策的出臺(tái)使VOCs 在線監(jiān)測(cè)有了可以依據(jù)的實(shí)施準(zhǔn)則。

1 VOCs 排放源介紹

VOCs 的排放源比較多、情況復(fù)雜，大類(lèi)主要分為人為排放和自然界排放。自然界排放主要是因?yàn)樯只馂?zāi)、海洋、植被以及野生動(dòng)物排放，排放類(lèi)型多，控制比較難。人為排放包括固定源和流動(dòng)源兩大類(lèi)，其中固定源包括化工、石油煉制、煉鋼煉焦等，流動(dòng)源指所有和機(jī)動(dòng)車(chē)、船、飛機(jī)等交通工具相關(guān)的排放[1]。

2 VOCs 檢測(cè)技術(shù)

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

3 系統(tǒng)介紹

完整的VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）連續(xù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含以下幾部分：采樣單元、氣體分析檢測(cè)單元、預(yù)處理單元、煙氣參數(shù)監(jiān)測(cè)單元、DAS 分析及傳輸單元，如圖1 所示。污染源中排放的揮發(fā)性有機(jī)物廢氣排口水汽含量高、濃度高、溫度高、工況復(fù)雜，系統(tǒng)從樣品氣抽取到氣相色譜儀全程采用180 ℃高溫伴熱技術(shù)。以隔膜泵為動(dòng)力源，將廢氣樣品通過(guò)高溫除塵處理理子系統(tǒng)過(guò)濾后送至氣相色譜儀分析單元進(jìn)行測(cè)量。在氣相色譜儀分析單元中，樣品氣首先進(jìn)入定量管，樣品氣體穩(wěn)定后，將廢氣樣品伴隨氫氣載氣一同進(jìn)入色譜柱，通過(guò)色譜柱的樣品氣被分離后依次通過(guò)氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）對(duì)樣品起進(jìn)行各組分測(cè)量，處理后的測(cè)量結(jié)果通過(guò)無(wú)線網(wǎng)或有線網(wǎng)進(jìn)行上傳。

圖1 系統(tǒng)流程圖

3.1 采樣單元

采樣單元負(fù)責(zé)整個(gè)VOCs 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的樣品采集工作，包括采樣探頭、伴熱管線等，保證系統(tǒng)從煙道中采集到恒溫、流量穩(wěn)定的樣氣。VOCs 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝現(xiàn)場(chǎng)的采樣位置、采樣條件以及安裝操作都應(yīng)按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求嚴(yán)格執(zhí)行。

3.2 預(yù)處理單元

預(yù)處理系統(tǒng)是針對(duì)企業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)物濃度自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的，它能夠自動(dòng)完成樣氣的多級(jí)處理過(guò)程，使分析儀器可以得到盡可能干凈的、流速穩(wěn)定的樣氣，確保其能夠工作更加長(zhǎng)久。本系統(tǒng)主要由過(guò)濾器、采樣泵、高純空氣、電磁閥、流量計(jì)等組成，具有除塵、流量控制等功能，并能自動(dòng)完成取樣分析和反吹等功能。選擇全程高溫伴熱技術(shù)方案，單元內(nèi)溫度穩(wěn)定在120 ℃，最大限度保留污染物組分，使檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。

3.3 氣體檢測(cè)分析單元

氣體檢測(cè)分析單元?jiǎng)t是對(duì)通過(guò)預(yù)處理的樣氣各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)主要選用氣象色譜儀完成VOCs 的檢測(cè)。氣象色譜儀主要包含以下幾部分：載氣及流速控制單元；進(jìn)樣單元；色譜柱單元；火焰離子化檢測(cè)器（FID）單元；數(shù)據(jù)處理單元；溫度控制單元。

氣相色譜儀可以測(cè)量氣體或者在某一溫度下可以轉(zhuǎn)化為氣體的物質(zhì)。根據(jù)各物質(zhì)的特點(diǎn)特性，轉(zhuǎn)換后的樣氣中不同的組分在氣相之間的分配系數(shù)不同，當(dāng)樣品氣被載氣（氮?dú)猓﹤鬏數(shù)缴V柱中后，各組分氣體在氣相之間進(jìn)行多次流動(dòng)分配，因?yàn)槊糠N氣體成分的溶解、吸附能力有區(qū)別，因此各種樣品氣以不同的速度在色柱之間進(jìn)行流動(dòng)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后樣品氣被分離，火焰離子化檢測(cè)器（FID）依次按順序檢測(cè)被色譜柱分離的各樣品氣。檢測(cè)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(cè)量時(shí)需在極化極和收集極之間加一直流電壓（50～300 V）構(gòu)成的外加電場(chǎng)[3]?；鹧骐x子化檢測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大器放大后，在記錄器上描繪出各組分的色譜峰。根據(jù)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(shù)監(jiān)測(cè)單元

本檢測(cè)單元可選包括溫壓流一體機(jī)、濕氧一體機(jī)，用于測(cè)量煙氣的溫度、壓力、流速及濕度和氧含量，用于計(jì)算污染物濃度、排放速率、排放總量，污染物濃度檢測(cè)結(jié)果以干基標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值。

3.5 DAS 分析及傳輸單元

該單元主要負(fù)責(zé)將檢測(cè)系統(tǒng)中測(cè)量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和計(jì)算處理，并將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)工控機(jī)展示給使用客戶，同時(shí)也需通過(guò)VOCs 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊將數(shù)據(jù)上傳至環(huán)保部門(mén)的云平臺(tái)。采集的數(shù)據(jù)包含實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)參數(shù)信息、報(bào)警狀態(tài)參數(shù)信息，同時(shí)具備接受并實(shí)現(xiàn)上位平臺(tái)的反控命令，如：提取數(shù)據(jù)、啟動(dòng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備分析與質(zhì)控、標(biāo)準(zhǔn)氣的標(biāo)定、控制留樣和校時(shí)等功能。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)采儀采集，使用4G 網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)至監(jiān)控中心平臺(tái)。

4 監(jiān)測(cè)過(guò)程中VOCs 吸附的解決辦法

揮發(fā)性有機(jī)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣和氣體傳輸過(guò)程對(duì)VOCs 組分的吸附、粘附容易造成測(cè)量失真，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，為避免失真，環(huán)保企業(yè)一般都采用三種方式：

1）采樣探頭、樣氣傳輸管路、過(guò)濾器、接頭、閥門(mén)等從采樣開(kāi)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(duì)元器件的材料要求比較高，成本相對(duì)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(guò)預(yù)處理的各個(gè)部件以及聚四氟乙烯傳輸管路，減少VOCs 吸附的組分在整個(gè)樣氣中所占的比例，減少氣體冷凝和傳輸過(guò)程吸附造成的測(cè)量誤差，采用此方式對(duì)儀器的各種參數(shù)性能要求都比較高；

3）采用全過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)氣校準(zhǔn)標(biāo)定，采用VOCs 標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)儀器的零點(diǎn)和量程時(shí)，標(biāo)氣應(yīng)與樣品氣測(cè)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(cè)量的結(jié)果。

5 結(jié)論

根據(jù)政策以及VOCs 檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)出一套基于FID 火焰離子化檢測(cè)器的VOCs 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)測(cè)量非甲烷總烴、苯、甲苯、二甲苯等揮發(fā)性有機(jī)物，可廣泛應(yīng)用于焦化行業(yè)、石油化工行業(yè)、噴涂行業(yè)、農(nóng)藥工業(yè)、家具制造、皮革加工等行業(yè)。該系統(tǒng)能滿足《固定源污染廢氣非甲烷總烴連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)政策文件的要求。在設(shè)備的使用過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備的技術(shù)要求以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇要求進(jìn)行實(shí)施才能使實(shí)際的測(cè)量更準(zhǔn)確。