摘 要 基于煉焦化學(xué)產(chǎn)品深加工工藝特點，針對目前工廠環(huán)境空氣監(jiān)測的多個難點問題，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互補(bǔ)增強(qiáng)型氣體傳感矩陣檢測、地理空間數(shù)字孿生3D可視化等技術(shù)，構(gòu)建了煉焦化學(xué)產(chǎn)品深加工廠界環(huán)境氣體在線監(jiān)控系統(tǒng)，并在某煉焦化學(xué)產(chǎn)品加工企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用驗證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)工廠的廠界環(huán)境空氣質(zhì)量的實時監(jiān)控、異常信息的預(yù)警，還能實現(xiàn)溯源分析，提高精細(xì)化管理的水平，實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境空氣質(zhì)量的有效監(jiān)管。

關(guān)鍵詞 在線監(jiān)控 煉焦化學(xué) 揮發(fā)性有機(jī)化合物 無組織排放 溯源分析

中圖分類號 TP277 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B " 文章編號 1000-3932（2024）04-0729-06

煉焦化學(xué)工業(yè)是重要的煤炭能源轉(zhuǎn)換產(chǎn)業(yè)。煉焦化學(xué)產(chǎn)品深加工生產(chǎn)過程中，揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）廢氣的排放問題較為突出。國家和各級政府的職能部門不斷出臺相關(guān)政策以加強(qiáng)VOCs防治，如2015年8月新修訂的《中華人民共和國大氣污染防治法》首次將揮發(fā)性有機(jī)物納入防治監(jiān)管范圍；2019年3月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《煉焦化學(xué)產(chǎn)品化學(xué)工業(yè)污染防治可行技術(shù)指南》（HJ 2306—2018）［1］，其中提出了煉焦化學(xué)工業(yè)廢氣的污染防治可行技術(shù)；2019年發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（環(huán)大氣〔2019〕35號），要求2020年底前重點區(qū)域力爭60%左右煉焦化學(xué)產(chǎn)能完成超低排放改造；2022年7月，山東省焦化行業(yè)協(xié)會發(fā)布了《焦化行業(yè)超低排放評估監(jiān)測技術(shù)指南》（T/SDJHXH 001—2022），其中規(guī)定了焦化行業(yè)超低排放評估監(jiān)測的評估范圍、工作程序、評估監(jiān)測內(nèi)容及認(rèn)定方法等［2］。煉焦化學(xué)企業(yè)在大力實施VOCs治理過程中，對焦化環(huán)境空氣質(zhì)量的實時監(jiān)控是其中重要的一環(huán)。煉焦化學(xué)工業(yè)有配煉焦、化學(xué)品深加工兩個大的單元。筆者以煉焦化學(xué)品深加工的廠界環(huán)境氣體在線監(jiān)控系統(tǒng)的建立及應(yīng)用為例，研究驗證了實現(xiàn)揮發(fā)性污染物無組織排放的動態(tài)管控關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備選型、布點原則及應(yīng)用效果等內(nèi)容。

1 煉焦化學(xué)品深加工工藝簡介

煉焦化學(xué)品深加工工藝是對焦?fàn)t荒煤氣進(jìn)行處理以獲得凈化焦?fàn)t煤氣及相應(yīng)的化學(xué)品，包含煤氣凈化處理、焦油加工及粗苯加工等產(chǎn)線，如圖1所示。煤氣凈化處理包含排送、脫硫、硫銨或無水氨、粗苯吸收及蒸餾、蒸氨、溶劑脫酚等生產(chǎn)裝置，主要產(chǎn)品有凈化焦?fàn)t煤氣、硫銨、無水氨、硫酸、焦油及粗苯等。焦油加工包含焦油蒸餾、萘蒸餾、酚精制、瀝青焦或改質(zhì)瀝青、精萘、新炭材等生產(chǎn)裝置，主要產(chǎn)品有精萘、95萘、酚、蒽油、瀝青、改質(zhì)瀝青、針狀焦、瀝青焦及負(fù)極材料等。粗苯加工主要是通過苯加氫反應(yīng)，產(chǎn)出苯、甲苯及二甲苯等產(chǎn)品。目前煉焦化學(xué)品深加工已能從焦?fàn)t煤氣、焦油和粗苯中制取一百多種化學(xué)產(chǎn)品。在煉焦化學(xué)品加工生產(chǎn)過程中不可避免地會有一定的揮發(fā)性有機(jī)物逸散到環(huán)境空氣中。

2 廠區(qū)環(huán)境空氣監(jiān)管的難點

煉焦化學(xué)品加工裝置環(huán)境氣體中的VOCs以工業(yè)萘、酚、苯、甲苯、二甲苯及非甲烷總烴等為主要成分［3］，這些揮發(fā)性有機(jī)物除固定源排放外，也會以無組織逸散的形式隨環(huán)境氣流擴(kuò)散，會對生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域及工廠周邊環(huán)境造成一定的影響。以某公司為例，目前煉焦化學(xué)品深加工廠區(qū)環(huán)境空氣監(jiān)測的主要難點有：

a. 公司在全國有多個制造基地，總部環(huán)保部門對各生產(chǎn)基地的環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行實時有效監(jiān)管難度大；

b. 受限于環(huán)境因素和工廠現(xiàn)有技術(shù)手段，監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性有待加強(qiáng)，并且暫無法實現(xiàn)VOCs無組織排放污染物的溯源追蹤，精細(xì)化管控難度大；

c. 氣相色譜儀、光譜技術(shù)等監(jiān)測設(shè)備成本高昂、配置復(fù)雜，不適用于低成本的無組織排放實時監(jiān)測。

3 環(huán)境氣體質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

筆者基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立煉焦化學(xué)產(chǎn)品深加工廠界環(huán)境氣體在線監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對分布在全國各個生產(chǎn)基地的現(xiàn)場環(huán)境空氣質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)采集、通信，并存儲在云端實時歷史數(shù)據(jù)庫中，自動建立VOCs監(jiān)測臺賬，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測、分析、預(yù)警、數(shù)據(jù)展示、管理等功能，并提供PC端和移動客戶端的訪問功能。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)流向劃分為傳感層、數(shù)據(jù)層、分析層和展示層4個層次，具體架構(gòu)如圖2所示。

3.1 傳感層

傳感層即數(shù)據(jù)采集端，主要包括位于各個生產(chǎn)基地現(xiàn)場的VOCs環(huán)境微型監(jiān)測站、風(fēng)速風(fēng)向儀、溫度儀等智能儀表，用于采集環(huán)境中的VOCs氣體濃度、風(fēng)速風(fēng)向、溫度、濕度等信息并完成數(shù)據(jù)處理；有線或無線網(wǎng)關(guān)從智能儀表取出實時數(shù)據(jù)后，通過4G/5G/WiFi等無線通信或有線通信方式傳輸至數(shù)據(jù)層。

3.2 數(shù)據(jù)層

系統(tǒng)數(shù)據(jù)層將接收到的傳感層數(shù)據(jù)匯總到實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的存儲、處理，并為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)接口。實時數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)層的核心，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示、分析、管理都是建立在實時數(shù)據(jù)庫中所存儲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。

3.3 分析層

分析層對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)生成報表、異常報警及查看趨勢等功能，并對各生產(chǎn)基地的VOCs排放強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計和總量預(yù)測，以滿足環(huán)保管理等業(yè)務(wù)需求。此外，為提高環(huán)保管控水平，系統(tǒng)還構(gòu)建了計算流體動力學(xué)（CFD）模型來模擬氣團(tuán)擴(kuò)散軌跡，并以此作為引擎框架，結(jié)合氣體擴(kuò)散模型分析算法和地理空間數(shù)字孿生3D可視化技術(shù)，實現(xiàn)對污染物無組織排放源頭的反向溯源；同時，根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）和基于空間插值法的小尺度污染物濃度分布模型，實現(xiàn)對潛在關(guān)鍵無組織排放點位的實時數(shù)據(jù)分析和精準(zhǔn)定位追蹤。

3.4 展示層

展示層即PC、Pad、大屏、手機(jī)等展示端，系統(tǒng)采用云端的數(shù)據(jù)查看和分析技術(shù)，方便用戶和決策者自由選擇瀏覽器或APP客戶端，隨時隨地查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)或圖表等內(nèi)容，及時了解廠區(qū)的VOCs濃度水平，做到快速響應(yīng)、高效決策。

4 氣體監(jiān)測儀的選擇及測點布置原則

4.1 VOCs環(huán)境微型監(jiān)測站的選擇

光離子（PID）氣體傳感器是利用電離的方式來檢測易揮發(fā)有機(jī)化合物的濃度，該技術(shù)可測量如苯、甲苯、乙苯、二甲苯等大多數(shù)有機(jī)化合物，但對非甲烷總烴的檢測效果不佳，且傳感器容易受空氣中水蒸氣的干擾造成誤報警。MEMS工藝的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器（MEMS MOS）不會受VOCs氣體電離勢能的影響，通過對氣敏材料的修飾和改性，能夠有針對性地提高對非甲烷總烴等特定VOCs氣體的選擇性，但對苯類VOCs響應(yīng)較慢。

由于現(xiàn)場VOCs氣體的成分比較復(fù)雜，系統(tǒng)傳感層的廠界VOCs環(huán)境微型監(jiān)測站（圖3）采用PID+MEMS MOS組合的互補(bǔ)增強(qiáng)型氣體傳感矩陣，在傳感器性能上進(jìn)行互補(bǔ)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法，實現(xiàn)對苯系物、非甲烷總烴等無組織排放VOCs的實時精準(zhǔn)在線監(jiān)測和超標(biāo)預(yù)/報警。在數(shù)據(jù)傳輸方面，現(xiàn)場所有的VOCs環(huán)境微型監(jiān)測站可以根據(jù)需求自行選擇無線或有線傳輸方式與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)通信，實時傳輸數(shù)據(jù)。

4.2 環(huán)境氣體監(jiān)測儀的測點布置原則

為達(dá)到工廠環(huán)境氣體污染防治精細(xì)化管控的目的，VOCs環(huán)境微型監(jiān)測站一般采用網(wǎng)格化布置，以實現(xiàn)對整個區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測。但是受氣象、廠區(qū)建筑結(jié)構(gòu)等因素的共同影響，污染物濃度變化趨勢為非線性的。同時不同生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的著重點和待監(jiān)測點位密度不同，若采用等距網(wǎng)格化測點布置，會造成資源浪費。因此需要更為科學(xué)合理的測點布置方案，以實現(xiàn)廠區(qū)環(huán)境氣體的實時、有效、動態(tài)監(jiān)測，同時降低投資成本。筆者在監(jiān)測節(jié)點布置中借鑒了空間插值法的思路，從而實現(xiàn)“以點代面”的效果，并遵循如下測點布置原則：

a. 監(jiān)測點周圍確保空氣的均勻流通，與污染源之間無明顯障礙物，結(jié)合監(jiān)測點位的地理要素數(shù)據(jù)、氣象條件，根據(jù)空間插值算法模型能估測該點位周邊空間范圍內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量水平和變化規(guī)律，客觀評價區(qū)域環(huán)境空氣狀況。

b. 監(jiān)測點應(yīng)考慮生產(chǎn)裝置的工業(yè)布局、工藝特點等綜合因素，在布局上應(yīng)能反映廠區(qū)主要功能、生產(chǎn)裝置等主要大氣污染源的污染現(xiàn)狀及變化趨勢。

c. 監(jiān)測點位周圍應(yīng)無明顯對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生干擾的氣體排放口，特定污染源監(jiān)測點應(yīng)盡量避免其他污染源的排放干擾。

d. 同監(jiān)測網(wǎng)格之間，有同類型的監(jiān)測點位置重合時，應(yīng)對重合的點位進(jìn)行整合，避免點位的重復(fù)建設(shè)。當(dāng)不同污染源區(qū)域網(wǎng)格之間空間布局有交叉時，采用計算等指標(biāo)污染負(fù)荷的方式，優(yōu)選在排放量較高的污染源處布設(shè)點位。

e. 監(jiān)測點位附近應(yīng)無強(qiáng)大的電磁干擾，需和大型電機(jī)、變電站及石墨化爐等保持一定的距離。

f. 監(jiān)測點位于防爆區(qū)域則應(yīng)選擇防爆儀表，若位于非防爆區(qū)域則可選擇非防爆儀表。

g. 監(jiān)測點位的選擇應(yīng)結(jié)合工廠的規(guī)劃考慮，使布署的監(jiān)測點能兼顧未來的監(jiān)測需要。

h. 環(huán)境微型監(jiān)測站若采用了太陽能供電，監(jiān)測點位應(yīng)選擇光照充足的位置，使設(shè)備能獲得足夠的電能。

5 應(yīng)用效果

5.1 實現(xiàn)對焦化VOCs氣體的可靠性監(jiān)測

系統(tǒng)選用的VOCs環(huán)境微型監(jiān)測站基于傳感陣列技術(shù)和多傳感融合技術(shù)，內(nèi)置了氣體采樣預(yù)處理裝置、傳感器氣室控溫補(bǔ)償裝置，搭載模式識別算法和遠(yuǎn)程自動標(biāo)定技術(shù)，解決了下雨等高濕環(huán)境下VOCs檢測數(shù)據(jù)的漂移難題，保證了設(shè)備長期穩(wěn)定測量和監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。通過基于空間插值法的測點布署原則，實現(xiàn)了對測點環(huán)境污染物空間分布狀況的準(zhǔn)確估測和有效評價，進(jìn)一步提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性，從而保證了數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果的可靠性。

5.2 實現(xiàn)總部對各生產(chǎn)基地環(huán)境氣體質(zhì)量的精益管理

5.2.1 實現(xiàn)對各生產(chǎn)基地的環(huán)境氣體質(zhì)量可視化

系統(tǒng)分析層根據(jù)每個點位一年內(nèi)的平均濃度數(shù)據(jù)，可以繪制出不同生產(chǎn)基地各作業(yè)區(qū)的VOCs濃度分布圖（圖4），通過不同的顏色，可以清晰直觀地查看各作業(yè)區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量情況，明確需重點管控的區(qū)域范圍，從而精準(zhǔn)施策，重點管控。

5.2.2 實現(xiàn)VOCs排放強(qiáng)度的統(tǒng)計和總量預(yù)測

通過基于空間插值法的非均勻網(wǎng)格化測點布署，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以實現(xiàn)對各個生產(chǎn)基地工廠整體區(qū)域VOCs的排放強(qiáng)度統(tǒng)計和總量預(yù)測，以及各個生產(chǎn)基地不同作業(yè)區(qū)域VOCs濃度超標(biāo)的預(yù)/報警統(tǒng)計或排名。圖5為某生產(chǎn)基地內(nèi)6個監(jiān)測點位在一年內(nèi)不同季節(jié)的報警或預(yù)警次數(shù)統(tǒng)計。

5.2.3 實現(xiàn)對廠區(qū)VOCs的溯源追蹤分析

系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)各個生產(chǎn)基地已布署監(jiān)測點設(shè)備的地圖展示、濃度趨勢展示、報警設(shè)置及熱力圖分析等功能，還能幫助企業(yè)及時地追蹤定位主要的VOCs污染泄漏作業(yè)區(qū)域，進(jìn)一步提高企業(yè)VOCs無組織排放管理效率。

根據(jù)各感知點位監(jiān)測到的VOCs瞬間峰值情況，結(jié)合當(dāng)時氣象參數(shù)，可以分析判斷出天氣、現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)等因素與現(xiàn)場VOCs濃度的關(guān)系，并能根據(jù)規(guī)律對各個點位VOCs瞬間峰值進(jìn)行溯源分析。圖6為某監(jiān)測點位在某兩天內(nèi)的VOCs小時平均趨勢圖，可以發(fā)現(xiàn)所有濃度高值產(chǎn)生時的風(fēng)向都是南風(fēng)，且某監(jiān)測點的西南側(cè)為苯罐槽區(qū)，因此可以推斷VOCs的排放可能來源于槽罐的呼吸作用。

5.3 實現(xiàn)對廠區(qū)環(huán)境氣體在線監(jiān)測的低成本布署

系統(tǒng)在布署前期，首先優(yōu)化了測點布署原則，基于待監(jiān)測作業(yè)區(qū)的生產(chǎn)工序、裝置密度和現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測經(jīng)驗，采用空間插值法實現(xiàn)關(guān)鍵監(jiān)測點位的“以點代面”，從而降低了設(shè)備布署數(shù)量。系統(tǒng)選擇的環(huán)境氣體監(jiān)測儀器采用了PID+MEMS MOS組合的互補(bǔ)增強(qiáng)型氣體傳感矩陣，實現(xiàn)了單臺設(shè)備對多種污染物的高效檢測。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，避免了有線通信布署的材料消耗和布線施工，進(jìn)一步降低了投資成本。此外，該監(jiān)測儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，解決了雨天誤報和傳感器信號快速衰減的問題，能夠有效降低檢修的人工成本和傳感器的維護(hù)成本，實現(xiàn)降本增效。

6 結(jié)束語

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、物聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)傳感等技術(shù)構(gòu)建的廠界環(huán)境氣體監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)總部對各個生產(chǎn)基地的廠界環(huán)境空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測，能夠及時實現(xiàn)VOCs氣體濃度異常的預(yù)/報警以及VOCs排放強(qiáng)度的統(tǒng)計、總量預(yù)測、溯源分析管控，可以大幅提升廠區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量精益管控能力和管理效率，采用了PID+MEMS MOS組合的互補(bǔ)增強(qiáng)型氣體傳感矩陣檢測技術(shù)，結(jié)合空間插值法的關(guān)鍵監(jiān)測點布置原則和物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了VOCs環(huán)境微型監(jiān)測站等設(shè)備的快速便捷布署，減少了項目材料量和施工量，有效降低了項目投資成本。該技術(shù)方案可以推廣到新材料、化工企業(yè)及工業(yè)園區(qū)等場景，進(jìn)行環(huán)境無組織廢氣監(jiān)控管理，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部．煉焦化學(xué)工業(yè)污染防治可行技術(shù)指南：HJ 2306—2018［S］.北京：中國環(huán)境出版集團(tuán)，2018．

［2］ 山東省焦化行業(yè)協(xié)會.焦化行業(yè)超低排放評估監(jiān)測技術(shù)指南：T/SDJHXH 001—2022［S］.2022.

［3］ 賈記紅，陳長虹，黃成，等.煉焦過程排放揮發(fā)性有機(jī)物的排放特征和組成分布研究［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2008，27（6）：231-237；262.

（收稿日期：2023-09-16，修回日期：2024-05-30）