浅谈废气VOCs在线监测系统的应用

朱大明

（中国石油四川石化有限责任公司，四川 成都 611930）

为落实《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》（国发〔2018〕22号）的总体部署，2018年8月30日，生态环境部印发了《关于加强重点排污单位自动监控建设工作的通知》（环办环监〔2018〕25号），要求重点排污单位中的VOCs排放重点源自2019年起应将VOCs项目纳入自动监控。为提高VOCs污染源自动监测数据质量，充分发挥在线监控系统在环境监管执法中的作用，VOCs在线监测系统的应用对装置长周期稳定运行起着决定性作用。

1 废气处理系统的介绍

废气处理系统采用催化燃烧法，由金属钯、铂等贵金属蜂窝状催化剂，在250～650℃的温度条件下，发生催化、氧化化学反应，废气系统中的挥发性有机物，化学反应生成的水和二氧化碳，最终对环境无害影响，反应化学方程式见以下公式：

1.1 操作变量的分析

作用于废气的催化的燃烧处理系统，主要操作变量有废气组分、燃烧反应器的入口温度变化、燃烧反应器出口的温度变化和催化反应器内部压降等因素。

1.2 废气组分的构架

催化、氧化反应属于化学放热反应，废气中含有的有机物的含量，对反应生成的放热量起着特别重要的作用。在化工装置生产异常时，废气系统中有机物的含量会不稳定甚至波动较大，会严重影响废气处理系统的正常运行，乃至导致整个催化剂床层烧毁。只有在废气组成稳定且废气中的有机物含量在规定范围内时，才能将废气引入废气催化燃烧处理系统。

催化剂的使用量与催化剂的性能、废气处理系统的压力和温度以及废气中的挥发性有机物（VOCs）含量有关。在废气进入催化反应器的催化剂床层以前，需要用废气预热设备将废气加热到催化剂的起燃温度。一旦进入催化反应器的废气温度达到了催化剂的起燃温度，废气中的挥发性有机物和氧气就会在催化剂的表面发生氧化反应，并最终转化为对环境无害的二氧化碳和水蒸汽。

1.3 催化剂的影响因素

催化剂的使用性能与系统的操作温度、废气经过催化剂床层的压力降、废气经过催化剂床层的空速、表观速度以及催化剂的维护等因素有密切的关系。

2 VOCs在线监测系统的构架

2.1 VOC在线监测系统的组成

在线监测系统仪表（NMHC-CEMS等）应包括采样单元、样品预处理单元、分析仪单元、通信接口单元等。其中在线分析仪表应带有网络通信接口，能够接入工业以太网（TCP/IP协议）构成整个在线分析仪表系统。

（1）采样单元：采用单元抽取测量的方式，其中辅助的设备主要包括氢气气源、废气排放系统、反吹扫、净化及其控制装置、零空气的预处理装置等。氢气气源连接的管路要使用至少为不锈钢的材质，如果检测出氢气出现泄漏时，务必自动切断氢气气源，氢气的纯度至少达到99.99%及以上，其他的工作气源的纯度应满足所在分析仪表的使用相关要求。系统产生废气的排放管路必须规范安装敷设，不得随意安装及放置。系统产生废气的排放装置必须能保证排放的废气中含有的水分不能冷凝、存储甚至结冰现象，会造成废气的排放管路原件堵塞和排气管路不畅通，根据工况情况，可配套相应的加热或伴热系统、液气分离的装置等仪表设施。电缆敷设应安全合理，便于查找维护维修。采样方式：完全抽取式、全程高温伴热。检测器：FID。检测因子：非甲烷总烃。

（2）样品的预处理单元：样品的预处理单元设备主要包括样品的过滤设备、预处理设备及其部件，要满足方便维护清理和更换组件，必须使用不吸附材质、不能与待测的污染物发生化学反应的材料。气体样品在进入分析仪表前，可设置精细的过滤器，防止杂质堵塞分析仪表管路。样品的采集和传输装置，主要有采样探头、样品传输管线、流量控制单元和采样隔膜泵等。样品采集和传输装置的材质必须选用耐高温、防腐蚀、不吸附、不能与待测污染物发生化学反应的材料，且不能影响待检测污染物的正常测量。样品采集和传输装置应具备长周期稳定、均匀加热、保持恒温和反吹扫净化等功能。样品采集装置必须具备颗粒物过滤的功能。其采样设备的上端或下端必须具备便于维护更换或清洗的颗粒物过滤器设备，过滤器的规格应至少能过滤直径为5μm以上的颗粒物杂质。

（3）分析仪单元：分析仪用于对采集的污染源废气样品进行测量分析。目前在用多数采用气相色谱法的分析仪表，应具备色谱图的文件自动记录功能、过程历史谱图的查询等功能。分析仪表应具有实时、周期性的自动检测当前火焰状态功能，分析过程中一旦侦测到火焰熄灭，务必自动切断点火的燃烧气源。安装方式：分析小屋内安装、本体防爆。分析仪表单元的系统分析周期为：不大于3min。24h零点的漂移和量程的漂移不大于±3%FS。检出限：小于0.1mg/m3。系统输出：4～20mA；RS485。接点输出：2点(故障报警/反吹提示)。自诊断功能：配带测量信息自诊断功能。

（4）通信接口单元：在线监测系统监测软件汇总所有的气体浓度信息和工作状态信息，具有生成报表、存储数据、查询历史记录等功能。主要用于监测数据的采集、处理和存储，并可以依据控制的中心计算机指令，传输监测数据和在用设备的工作状态等信息。通信接口单元必须显示和记录超出其零点以下、量程以上至少10%的数据值。当测量数据结果超过零点以下、量程以上10%时，应记录及存储其测量数据的最小或最大值。要具备显示、设置系统时间和时间标签的功能，数据显示为设置时段的平均值。能够显示实时测量数据，具备历史数据的查询功能，并可以报表或报告形式输出文件。具有中文数据采集、记录、处理和控制软件。数据处理系统（PLC）通过硬接线和RS485通讯两种方式向 DCS系统提供检测信号和状态信号（包括分析数据、过程参数测量、运行/维护状态、系统故障报警等）。

2.2 甲烷总烃监测子系统

非甲烷总烃监测子系统由采样探头、样品预处理单元和分析仪组成。采样探头直接安装在管线上，采样预处理单元和分析仪安装在分析小屋中，尽量减少管线附近的维护量。

2.3 NMHC-CEMS组成示意图（图1）

图1 NMHC-CEMS组成示意图

3 VOCs在线监测系统维护

VOCs在线监测数据异常应急处理流程：

发现在线监测仪器出现故障或数据显示异常后，及时上报并到现场进行处理。判断数据异常原因，如果是操作、设备运行等原因造成的数据异常，由使用单位组织调整操作，保证数据恢复限制内；如果是在线检测仪器故障，由维修单位对该仪器进行处理、维修。如果不能立即确认故障原因，应首先选择使用人工监测仪器测量污染物排放情况，用人工监测数据判定在线监测仪表数据真实性后，再进一步开展有关故障排查与处理，如果在线监测仪器需要离线检修等原因造成在线监测数据无法正常上传至平台，应立即联系环境监测部门到现场进行人工比对，并按规范记录数据上报备案。