基于FID 火焰离子化检测技术的VOCs 在线监测系统★

薛小鹏

（山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

近几年来，我国大气污染日益严重，雾霾天气频发，挥发性有机物（VOCs）是构成大气污染和雾霾天气的重要因素之一。2010 年发布《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》，我国第一次将VOCs 列成需重点监测控制的污染物。2016年《大气污染防治法》实施，第一次将VOCs 纳入监管，监测治理VOCs 有了法律依据。2017 年10 月发布《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》，方案明确“十三五”期间对于VOCs 的治理重点在于改善空气质量，要“以重点地区为主要着力点，以重点行业和重点污染物为主要控制对象”，推进治理，强化控制，加强基础能力建设和政策保障，建立污染防治的长效机制。2017 年12 月印发了《2018 年重点地区环境空气挥发性有机物监测方案》的通知，该通知中规定VOCs 的监测项目、频次、方法以及数据传输要求。该政策的出台使VOCs 在线监测有了可以依据的实施准则。

1 VOCs 排放源介绍

VOCs 的排放源比较多、情况复杂，大类主要分为人为排放和自然界排放。自然界排放主要是因为森林火灾、海洋、植被以及野生动物排放，排放类型多，控制比较难。人为排放包括固定源和流动源两大类，其中固定源包括化工、石油炼制、炼钢炼焦等，流动源指所有和机动车、船、飞机等交通工具相关的排放[1]。

2 VOCs 检测技术

VOCs 的检测技术包含PID 光粒子检测、FID 火焰离子化检测、氧化催化-NDIR、FTIR、差分吸收光谱、调谐激光吸收光谱等多种分析技术。PID 光粒子检测是通过紫外灯离子化样品气体对样气进行检测，当气体通过紫外灯时，气体分子因吸收紫外灯的能量被电离成带正负电荷的离子，电荷传感器受到这些离子后形成电流信号，从而计算出浓度。FID 火焰离子化检测是采用氢火焰的办法将样品气体进行电离，这些电离的离子可以很容易被电极检测到，从而计算出浓度[2]。采用此方法是对全部样气进行了完全焚烧，对气体进行了破坏，样品不能再做进一步分析。

3 系统介绍

完整的VOCs（挥发性有机物）连续在线监测系统包含以下几部分：采样单元、气体分析检测单元、预处理单元、烟气参数监测单元、DAS 分析及传输单元，如图1 所示。污染源中排放的挥发性有机物废气排口水汽含量高、浓度高、温度高、工况复杂，系统从样品气抽取到气相色谱仪全程采用180 ℃高温伴热技术。以隔膜泵为动力源，将废气样品通过高温除尘处理理子系统过滤后送至气相色谱仪分析单元进行测量。在气相色谱仪分析单元中，样品气首先进入定量管，样品气体稳定后，将废气样品伴随氢气载气一同进入色谱柱，通过色谱柱的样品气被分离后依次通过氢火焰离子化检测器（FID）对样品起进行各组分测量，处理后的测量结果通过无线网或有线网进行上传。

图1 系统流程图

3.1 采样单元

采样单元负责整个VOCs 在线监测系统的样品采集工作，包括采样探头、伴热管线等，保证系统从烟道中采集到恒温、流量稳定的样气。VOCs 在线监测系统安装现场的采样位置、采样条件以及安装操作都应按照相关国家标准和技术要求严格执行。

3.2 预处理单元

预处理系统是针对企业排放的挥发性有机物浓度自动进行实时监测而设计的，它能够自动完成样气的多级处理过程，使分析仪器可以得到尽可能干净的、流速稳定的样气，确保其能够工作更加长久。本系统主要由过滤器、采样泵、高纯空气、电磁阀、流量计等组成，具有除尘、流量控制等功能，并能自动完成取样分析和反吹等功能。选择全程高温伴热技术方案，单元内温度稳定在120 ℃，最大限度保留污染物组分，使检测结果更准确。

3.3 气体检测分析单元

气体检测分析单元则是对通过预处理的样气各项参数进行监测。本系统主要选用气象色谱仪完成VOCs 的检测。气象色谱仪主要包含以下几部分：载气及流速控制单元；进样单元；色谱柱单元；火焰离子化检测器（FID）单元；数据处理单元；温度控制单元。

气相色谱仪可以测量气体或者在某一温度下可以转化为气体的物质。根据各物质的特点特性，转换后的样气中不同的组分在气相之间的分配系数不同，当样品气被载气（氮气）传输到色谱柱中后，各组分气体在气相之间进行多次流动分配，因为每种气体成分的溶解、吸附能力有区别，因此各种样品气以不同的速度在色柱之间进行流动，经过一定时间后样品气被分离，火焰离子化检测器（FID）依次按顺序检测被色谱柱分离的各样品气。检测器的主要部件是离子室，离子室由收集极、极化极、气体入口和火焰喷嘴组成，在测量时需在极化极和收集极之间加一直流电压（50～300 V）构成的外加电场[3]。火焰离子化检测器产生的信号经放大器放大后，在记录器上描绘出各组分的色谱峰。根据色谱峰依次确定各组分的名称以及浓度大小。

3.4 烟气参数监测单元

本检测单元可选包括温压流一体机、湿氧一体机，用于测量烟气的温度、压力、流速及湿度和氧含量，用于计算污染物浓度、排放速率、排放总量，污染物浓度检测结果以干基标准状态值。

3.5 DAS 分析及传输单元

该单元主要负责将检测系统中测量的数据信息进行采集和计算处理，并将处理好的数据通过工控机展示给使用客户，同时也需通过VOCs 在线监测系统的数据模块将数据上传至环保部门的云平台。采集的数据包含实时分析数据，设备状态参数信息、报警状态参数信息，同时具备接受并实现上位平台的反控命令，如：提取数据、启动自动监测设备分析与质控、标准气的标定、控制留样和校时等功能。数据通过数采仪采集，使用4G 网络，将现场所有数据实时上报至监控中心平台。

4 监测过程中VOCs 吸附的解决办法

挥发性有机物在线监测系统采样和气体传输过程对VOCs 组分的吸附、粘附容易造成测量失真，导致测量结果不准确，为避免失真，环保企业一般都采用三种方式：

1）采样探头、样气传输管路、过滤器、接头、阀门等从采样开始就与样气直接接触的元器件，选择惰性材料或惰性涂层的，减少或避免VOCs 组分的吸附。这种方式对元器件的材料要求比较高，成本相对较高；

2）采用大流量样品气收取方式，使烟气样品气快速穿过预处理的各个部件以及聚四氟乙烯传输管路，减少VOCs 吸附的组分在整个样气中所占的比例，减少气体冷凝和传输过程吸附造成的测量误差，采用此方式对仪器的各种参数性能要求都比较高；

3）采用全过程标准气校准标定，采用VOCs 标准气体校准仪器的零点和量程时，标气应与样品气测量的路径保持一致，从采样头一直到气象色谱仪。这样可以消除管线、部件的吸附造成样品气的损失影响测量的结果。

5 结论

根据政策以及VOCs 检测需求，设计出一套基于FID 火焰离子化检测器的VOCs 在线监测系统，该系统可实时测量非甲烷总烃、苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机物，可广泛应用于焦化行业、石油化工行业、喷涂行业、农药工业、家具制造、皮革加工等行业。该系统能满足《固定源污染废气非甲烷总烃连续监测系统技术要求及检测方法》《大气污染物综合排放标准》等相关政策文件的要求。在设备的使用过程中，应严格按照设备的技术要求以及监测点的选择要求进行实施才能使实际的测量更准确。