火炬气在线监测系统选型及工程应用

周粉慧

（南京金凌石化工程设计有限公司，江苏南京 210042）

随着环境问题的不断突出，国家对环境污染防治持续提出更高的要求，防治范围从重点区域不断拓展至全国。强化企业对污染物的监管，实时监控预警污染状况，为开展环境监管及大气污染治理工作提供技术支持。

为加强火炬系统监管，规范企业非正常排放行为，减少非正常工况污染物排放，要求对高空火炬实施在线监管，监测火炬气成分、焚烧废气的种类及热值。

1 火炬气在线监测系统组成

火炬气在线监测系统包括采样装置、预处理装置、组分分析单元、数据采集和处理单元、回收稳压模块及废气参数监测单元等。

2 火炬气组分分析方法

火炬气组分分析方法有气相色谱法及拉曼光谱法。相比色谱法，拉曼光谱法分析仪价格高，拉曼光谱能量高，测含氧的烃类气体比较危险，而且要求在较稳定压力下检测，否则数值偏差较大；光源寿命短、更换价格高，因此不常用，本文着重介绍色谱分析法。

采用气相色谱分析仪，样品首先由抽气泵抽取至定量环，经切阀转换由载气携带样气通过组合色谱柱进行组分分离，分离后的有机物进入检测器测出各组分浓度。

2.1 色谱法

色谱法是利用组分在两相间分配系数不同而进行分离的技术。气相色谱就是以气体作为流动相的色谱分离方法，适用于沸点较低、热稳定性好的中小分子化合物的分析[1]。

2.2 色谱检测器

色谱检测器大致分为热导检测器（TCD）、氢火焰离子化检测器（FID）等。由于火炬气组分多、浓度高，这里选用热导检测器。

TCD是基于不同物质具有不同的热导率设计的，利用被测气体与载气间热导率的差别，使测量电桥产生不平衡电压，从而测出组分浓度[2]。

由图1可知，电桥平衡R1S2=R2S1。当电流通过热导池中两臂的钨丝时，钨丝加热到一定温度，钨丝的电阻值也增加到一定值，两个池中电阻增加的程度相同。当有样品进入检测器时，参比池中只有载气，测量池中是载气和样品组分的混合气，两者热导率不同，散热情况不同，导致两池中热丝温度不同，阻值不同，电桥失去平衡，检测器输出电压信号输出，记录仪因此画出对应组分的色谱峰。

图1 TCD检测原理图

2.3 分析系统测量参数要求

分析组分满足表1要求，C1~C5+及总量VOC组分测量量程可以依照实际可能排放浓度修正，其他组分测量量程依照表1。

表1 测量组分及范围

2.4 主要技术指标

（1）测量组分及范围依据表1

（2）重复性：≤±2.%F.S

（3）数据分析周期：≤15min

2.5 预处理装置

鉴于火炬气组分的复杂性，为确保测量的准确性，在线监测系统需配置预处理装置。预处理流程如下。

（1）样品通过高温防爆采样探头，经过一体化伴热取样管线进入保温伴热的预处理箱。

（2）通过防爆采样泵抽取样品气，经开关球阀控制系统进样与关断。

（3）经过滤器过滤后，一部分样气通过快速回路的放散出口进入回收系统，另一部分样气通过流量控制进入双关双断及泄放功能阀门组。

（4）经过保温、过滤、快速放散、稳压稳流后进入色谱分析仪器。

预处理装置带自动反吹装置，可定期或手动对样品处理装置及其他部件进行反吹。预处理装置还具有多点标定流路切换功能，样品处理过程中为全程加热保温的状态。

2.6 回收稳压模块

由于火炬气体的潜在危害性，需要接入VOCs废气收集处理系统。分析后的尾气需配置气体回收及稳压模块。原理是采用引射器控制，提供稳定压力，抽引介质为氮气。

增加回收稳压模块后，当排放至火炬时，火炬背压的波动，不会对系统的尾气控制压力产生任何影响。

2.7 火炬气参数（温度、压力、流量）监测

由于火炬气管径较大，流速量程比宽，流速测量优先采用超声波流量计。温度和压力测量采用传统的热电阻和压力变送器。

2.8 数据传输模块

连续监测系统应当预留数据传输功能，具备数据一址多发上传功能，能够按照规定的内容、格式和时间间隔，将采集到的数据直接传输到生态环境部门的监控平台。

2.9 实际工程应用案例

江苏某活性剂有限公司，依照环保要求对火炬设施新增了在线监测系统，对火炬气组分及热值数据进行采集并上传。

火炬气在线监测系统整体如图2所示。

图2 火炬气在线监测系统图

A为采样探头；B为伴热管线；C为超声波流量计；D为火炬烟气在线监测系统；E为分析站房及辅助单元。

本工程案例中的火炬气含有一定量的氟化氢气体，具有非常强的吸湿性，可与水无限互溶形成氢氟酸，故在此种工况下选用了耐氢氟酸材料的预处理部件，保持全程伴热不降温，避免产生水汽或冷凝水。火炬气在线监测系统配置清单见表2。

表2 火炬气在线监测系统配置清单

固定污染源监测系统的取样点，应选择在能准确可靠地连续监测尾气排放状况的位置。本案例中火炬气采样点设置在水封罐出口至火炬筒的水平管线上，共开设了取样口、样品返回口、废气参数检测口，接口布置如图3所示。

图3 火炬气监测接口图

本火炬管线中心标高距地面为6.1m，为便于检维修，设置了采样平台及斜梯。分析站房布置在采样平台南侧的空旷位置。

本套火炬气在线监测系统公用工程配套如下。

（1）电源

分析仪表附件（电伴热、照明、样品处理、快速回路泵等）采用市电供电；分析仪、数采仪和气体报警仪控制器采用不间断电源（UPS）供电，分析站房内配备了UPS电源。

（2）净化风及氮气

分析站房及采样平台处各接一路仪表净化风，用于仪表的正压通风或吹扫，用量约200L/min。分析站房处接一路氮气，用于伴热管反吹及稳压回收单元，用量约180L/min。

3 结束语

目前国内石化、电力等各个行业刚刚开始设置火炬在线监测系统，未来会不断普及，从源头防止火炬气偷排和超排，保护环境，实现经济和环保协调发展。