VOCs检测与分析实验室的筹建与设计

栗 波，姜 荣，韩 勇，刘明亮，崔 岩

(航天长征化学工程股份有限公司，北京 101111)

近年来，我国大面积出现持续性雾霾天气，严重危害人们身体健康。大量研究表明，挥发性有机物(Volatile organic compounds，简称VOCs)是细颗粒物PM2.5和臭氧的重要前驱物之一，是复合型大气污染的重要诱因[1-4]。VOCs一般是指参与大气光化学反应的有机化合物，主要包括非甲烷总烃(烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃)、含氧有机化合物(醛、酮、醇、醚等)、卤代烃、含氮化合物、含硫化合物等。

我国VOCs排放涉及石油化工、制药、涂料、印刷、交通运输等多个行业，管控工作难以全面展开。近期环保部颁布了石油化工、石油炼制、合成树脂行业污染物排放标准，覆盖面积仍然较窄，因此应尽快开展其他行业VOCs检测标准的制订和颁布。

VOCs检测与分析是判断VOCs来源、识别VOCs种类的重要手段，是研发源头控制技术、清洁生产技术、末端治理技术等方面的基础，是国家管控VOCs、制定挥发性有机物相关政策的重要依据。目前，煤化工行业VOCs综合整治基础相对薄弱，大部分企业不具备VOCs检测能力。因此，建设VOCs检测与分析实验室是非常迫切的工作。

1 实验室选址

实验室选址是实验室设计、建设以及日后投用的基础。在符合国家法律法规的前提下，实验室选址应优先考虑基础设施完善、交通便利、通讯良好的地区[5]，同时应避开噪声、振动、电磁干扰和其他污染源[6]。改建的VOCs检测与分析实验室所在的旧建筑共6层，第一层、第二层已用，现将第三层改为实验室，建筑面积约1 300 m2。

2 实验室功能划分及平面布局

VOCs检测与分析实验室筹建的初衷是承担煤化工行业废气、废水、固废中挥发性有机物的检测，同时可进行化工行业常规污染物的分析。废气的分析项目包括颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、非甲烷总烃、氯化氢、氟化氢、溴化氢、氯气及废气有机特征污染物等。废水的分析项目包括pH、悬浮物、COD、BOD、氨氮、总氮、总磷、总有机碳、石油类、硫化物、重金属及废水有机特征污染物等。

结合实验室分析项目和用途，VOCs检测与分析实验室可划分为实验区、辅助区和公共设施区。实验区是用于从事实验操作的场所，设有化学分析室、前处理室、光谱分析室、色谱分析室、天平室及高温室；辅助区是为实验提供服务的场所，设有样品接收与暂存室、药品室、便携式仪器室及钢瓶间；公共设施区是为实验工作提供所需环境及其他条件保证的场所，设有新风机房、办公室、休息室、会议室及资料室等。

2.1 实验区

化学分析室通常进行样品的化学处理和常规理化项目测定，以容量分析为主，放置一些小型的仪器设备。前处理室专门为色谱、光谱分析设置，样品在用大型仪器测定前，需进行前处理；光谱分析室中主要放置基于光的吸收、散射及发射等原理工作的大型仪器；色谱分析室承担挥发性有机物的分析检测；天平室是为放置称重设备而独立设置的房间，用于化学试剂及样品的称重；高温室放置一些操作温度较高的设备。

2.2 辅助区与公共设施区

样品接收与暂存室是为暂存大批量样品设置的房间；药品室用于存放常用化学试剂及标准物质；便携式仪器室中存放采样设备；钢瓶间是用来放置实验室所用钢瓶，为大型仪器提供所需气体。

实验室正常使用时，通风设备要经常开启，为了防止分析房间负压过大，影响实验人员身心健康，需向房间内不断补充新鲜空气，故实验室中设有新风机房。其他办公、存放资料等房间配套实验室建设。

2.3 实验室平面布局

在VOCs检测与分析实验室筹建与设计时，应合理利用原有建筑物的空间和设施，尽量做到少破坏原有建筑，其平面布局如图1所示(阴影部分为建筑物原有设施)。

图1 平面布局示意

由图1可以看出：在进行实验室平面布局时，将实验区和办公区分开，合理充分利用室内空间。实验区分干湿两区，上侧为湿区，下侧为干区，中间用走廊隔开，钢瓶间位于建筑物外一层，靠近干区，紧邻色谱室和光谱室2个用气房间。

3 实验室基础设施及仪器设备

3.1 实验台及天平台

VOCs检测与分析实验室实验台布置采取“岛型”结构，便于实验人员活动并可以快速接近紧急设备或出口。化学分析室与前处理室以中央实验台为主，中间带有试剂架，实验台长 5 400 mm、宽1 500 mm、高900 mm，台面材质选取耐酸碱腐蚀、耐撞击、耐高温的环氧树脂。色谱、光谱分析室采用仪器实验台，台面材质选用环氧树脂，实验台长3 500 mm、宽900 mm、高900 mm，相邻实验台留有500 mm检修空间。天平台的台面和台座应具有抗震功能，台面平整、光洁、有足够刚度的台板，一般选用大理石或陶瓷。

3.2 通风

为了保证实验室安全、干净、舒适，减少有毒有害物质对实验人员的伤害，实验室需要设置通风系统。化学分析室及前处理室使用较多挥发性、刺激性气味的试剂，且在实验中容易产生有毒有害的气体，对这2个分析室设置较多的桌上型通风柜和台式通风柜，一些分析项目直接在通风柜内进行，实验台局部上方设有万向排气罩。色谱分析室废气产生较少，仅对每张实验台局部设有万向排气罩。光谱分析室中火焰原子吸收分光光度计(AAS)、电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP- AES)在工作时气体燃烧产生火焰，故光谱分析室除设有万向排气罩外，还增设排风量较大的吸收罩。便携式仪器室设有1个台式通风柜，用于便携仪器的标定。药品室、样品接收与暂存室采用带排风的柜子，保持24 h不间断排风。

由于通风设施的使用，实验室容易出现负压过大，影响实验人员身体健康，故VOCs检测与分析实验室设有新风机房，可不断向房间内补充新鲜空气，以平衡室内压力，且新风系统与中央空调连通，可维持实验室内部温度恒定。

3.3 给排水

VOCs检测与分析室的供水取自城市自来水，由原建筑卫生间引入，沿走廊吊顶进入化学分析室、前处理室以及紧急喷淋装置，接至实验台水槽、通风柜等用水处，化学分析室与前处理室各配备1台纯水机，用来制取不同级别的实验用水。2个分析室的排水管道汇总，然后接到地下一层污水处理设备。

3.4 供气

实验室分析房间所用气路统一来自钢瓶间，由40 L标准钢瓶供气，各种气体均采用“一用一备”模式，便于自动快速切换。引入色谱分析室的气体有氮气、氢气、氦气、氩气、空气等，引入光谱分析室的气体有空气、乙炔、氩气、氮气等，化学分析室预留1路氮气。

进入色谱、光谱分析室的气体主管道上设有总阀，安装在房间内明显的墙面上，各路支管沿实验台功能柱铺设，就近设置二级减压阀和压力表，实验室所有气体管道应做到统筹规划、集中布置，以便于安装、操作和检修。气体钢瓶在更换时会有少量空气进入气体汇流排中，可燃气体管道在吹扫或检修时需及时放出残留在管道内的气体，因此，对所有气体管道设置放空管线，并将可燃气体与惰性气体放空管线分开布置引至楼顶高点放空。考虑到未来预留或仪器位置变动，色谱分析室的5种气体管道并列引至仪器处，每个支管终端设置阀门，光谱分析室的4种气体管道同样按照此法布置。

3.5 装饰

VOCs检测与分析实验室属于改建项目，土建的设计与施工尽量不改变原有建筑。房间内的消防管道、桥架等已安装，为避免造成室内纵向空间较小，分析室内采取无吊顶，只保留走廊吊顶。VOCs的分析主要针对挥发性有机物，故实验室内装修尽可能选取无挥发性有机物释放的材料，避免影响仪器检测的准确性，实验室地面采用耐酸、耐碱、耐油的防滑瓷砖，墙面采用彩钢板，走廊吊顶采用铝塑板。

3.6 供电

实验室内统一配备220 V、380 V两种规格电压。实验室在设计初期，分析仪器和设备尚未购置，其电压、功率等参数无法准确获取，因此在电气设计时，房间用电功率应重点考虑，适当放大。

3.7 安全

VOCs检测与分析实验室需要用到氢气和乙炔等易燃易爆气体，故钢瓶间在设计时，将可燃气体钢瓶和惰性气体钢瓶隔开布置，每个钢瓶采取固定措施，可燃气体间与建筑物相连处为钢筋混凝土防爆墙，钢瓶间地面采用防火花、防静电材料，并有遮阳防晒措施。色谱分析室、光谱分析室、放置可燃气的钢瓶间设置可燃气体检测报警仪。

实验室门均朝外开，便于事故时实验人员逃生。实验室卫生间和走廊设有紧急喷淋装置，靠近化学分析室和前处理室，当发生意外伤害事故时，可进行快速喷淋、冲洗，将伤害程度降至最轻。化学分析室和前处理室水槽边各配有1台洗眼器。

3.8 分析仪器及设备配置

VOCs检测与分析实验室目前主要承担化工行业挥发性有机物的检测，考虑到未来实验室发展规模，参照GB 31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》中水和大气分析项目，另外配置环境检测类仪器，玻璃量器按常规种类配置。分析仪器及设备配置情况见表1。

4 三废处理

VOCs检测与分析实验室在使用过程中不可避免地会产生三废。在设计实验室时充分考虑了三废处理问题，实验室废水通过排水管道进入地下一层污水处理站，废水经过处理达标后再进入市政污水管道。实验室废气通过排风管道送至楼顶，经干式化学过滤器处理合格后，排入大气。实验室固体废物密封集中存放，交给相关单位收集处理。总之，实验室产生的三废在向室外排放前，必须进行净化处理，使之达到国家规定的排污标准。

5 结语

(1) 根据VOCs的性质、种类、来源等，规划并设计了VOCs检测与分析实验室，能满足石化行业尤其是煤化工行业VOCs检测的需求，同时涵盖其他环境类检测项目。

表1 分析仪器及设备配置情况

(2) VOCs检测与分析实验室，通过全面采样、科学检测、系统记录，对煤化工行业VOCs排放量、VOCs物质清单等开展排查，完善VOCs数据台账，为未来建立和完善煤化工行业的VOCs管控技术，制定行业VOCs排放标准及相关政策奠定了基础。