涉VOCs企业废气在线监测技术应用研究

罗兴华，吴东凯，廖有为，张 冲

（深圳市天益环保科技有限公司，广东 深圳 51810）

引言

在《“十四五”生态环境监测规划》中要求面向我国越来越严格的环保要求，深入落实打好污染防治攻坚战和减污降碳协同增效要求，坚持精准、科学、依法治污工作方针，以监测先行、监测灵敏、监测准确为导向，以更高标准保证监测数据“真、准、全、快、新”为根基，以健全科学独立权威高效的生态环境监测体系为主线，巩固环境质量监测、强化污染源监测、拓展生态质量监测，全面推进生态环境监测从数量规模型向质量效能型跨越，提高生态环境监测现代化水平，为生态环境持续改善和生态文明建设实现新进步奠定坚实基础[1]。

1 常见涉VOCs的工艺工序

挥发性有机物（VOCs）主要包含烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮。

VOCs废气处理起来比酸碱废气要困难一些，VOCs是形成PM2.5和O3的重要前体物，不但对环境有重大危害，直接导致空气优良天数下降，而且对人体健康有严重的影响。VOCs的挥发性强，涉及行业广泛，以下是常见的涉VOCs工艺工序：

（1）喷涂行业VOCs主要产生于喷漆、油漆调配、原子灰使用等工艺工序，涉及的原辅料有清漆、面漆、底漆、原子灰打磨等。

（2）纺织印染业VOCs主要产生自清洗剂、溶剂、助剂、整理剂、涂层剂、感光胶等含VOCs原辅材料的使用，涉及的VOCs排放环节主要是上述含VOCs原辅材料的贮存、配料、印花、丝印、定型、涂层整理等。

（3）家具制造业VOCs主要产生自面漆、清漆、油漆固化剂、油漆稀释剂等在喷涂过程中使用的含有挥发性有机物的原辅材料，涉及的VOCs排放环节主要是上述含VOCs原辅材料的喷版、贮存、调漆、喷漆、擦色、施胶、干燥、喷枪清洗等。

（4）印刷业VOCs主要产生自油性油墨、书本胶粘剂、润版液、光油、印刷设备清洗剂等（大豆油墨和UV油墨相对比较环保），涉及VOCs产生的环节主要是含有VOCs原辅材料的存放、油墨运输、油性油墨调配、书本画册印刷、UV油墨烘干、设备清洗等[2]。

（5）电子制造业VOCs主要产生自UV油墨、线路板胶粘剂、丝印油墨开油水、丝印版洗网水、清洗剂等含VOCs的原辅材料的使用，有VOCs排放产生的环节主要是含挥发性有机物VOCs原料辅材的存放、线路印刷、防焊印刷、文字印刷、丝印、烤版、洗网等。

2 VOCs监测设备的组成

VOCs在线监测系统主要由3大部分组成，VOCs监测子部分由6部分组成，最终由这些组成部分构成了一个完整的VOCs在线监测系统。

2.1 采样及预处理部分

采样及预处理部分主要由电加热取样探头+反吹部分+电加热取样管路+样品处理部分+系统机柜等组成。各组成部分介绍如下：

（1）废气采集流程是通过伸入废气排放口内的采样探杆传输废气，采样探杆将样气输送到采样探头，最后经过陶瓷滤芯过滤去除粉尘颗粒物等杂质，具体的工作要求是在采用探头处加热到120摄氏度的高温去除空气中的水分。

（2）反吹部分由反吹箱、反吹电磁阀、储气罐组成。反吹电磁阀由西门子PLC远程智能控制时间，定时开启反吹采样探头，从而防止采样探头滤芯被堵塞。反吹箱外观尺寸为长0.4 m、宽0.4 m、高0.25 m，储气罐通常选用Q235碳钢材质，根据实际需要还可以选择201、304、316等不锈钢材质。

（3）电加热取样管路是处于探头和预处理系统之间的一段连接管线，使用电热丝将管道包裹起来从而达到废气加热的目的，材质可以是耐腐蚀而且性质稳定的铜管、304不锈钢管、纳米陶瓷管。取样管路内温度恒定在120摄氏度以使废气中水分蒸发，避免废气含水量过大。

（4）样品预处理部分要求必须在最短时间内将有代表性的样气输送到分析仪测量池，样气的压力、温度、含水量、含尘量、流速等必须满足分析仪表的控制要求。样品预处理需要完成的几项工作（表1）：

表1 样品预处理

预处理部分由切换阀、耐腐抽气泵、精细过滤器、疏水过滤器等组成。通过预处理单元完成样气的除湿、净化和除尘，其过滤精确度可以控制在2微米范围之内，将达标合规的样气经过预处理后连续不断地泵入分析仪器，从而保证了分析仪器的准确性和长期稳定。

2.2 数据采集及处理子系统

（1）数据采集硬件是现场数据采集控制系统最基本的组成部分，该部分安装于企业污染源监控点的现场，主要完成现场数字化仪表的数据收集、多种数据的快速存储和无线传输，至少由一台工业电脑、一套可编程逻辑控制器（PLC）及相适应的数据收集模块和通信转换模块组成。CEMS计算机硬件系统运用高可靠性的工业电脑，它能够在恶劣的工作环境下持续正常运行，在工业电脑上安装特定的应用软件用于数据收集和处理，系统还配备一套可编程控制器（PLC），PLC内安装逻辑控制程序用于整个系统的操作控制，并且配备的数据收集模块和通信转换模块能够将数据信号收集并传送到工业电脑上。

（2）数据收集和处理软件采用特定为废气排放无间断监测系统而设计开发的SS-DAS在线监测软件V1.0。该软件系统主要用于废气监测过程中的数据快速处理和将数据传输给环保部门或者企业相关负责人，对于出现的简单问题也可以通过该软件系统检测出来，并以代码的形式展现给运维人员，运维人员可以根据代码编号快速解决问题。在线监测软件V1.0的开发完全符合我国生态环境相关法律法规的要求，是当下能够满足废气不间断监测系统中数据处理、存储、报表打印等要求的软件。

3 VOCs在线监测设备各种传感器的原理和优缺点

（1）PID通过紫外线光源将废气中有机污染物的电子分解出来，根据不同气体分子的正负电子以及电子量的多少，分辨出不同的气体种类和气体浓度，再通过电子放大器放大就可以稳定地传输和传播给PLC控制系统。检测误差在5%以内，响应时间也基本上处于5秒内。其优点是：①高灵敏度并且用途广泛；②高分辨率、响应快；③实时性和安全性高；④可连续测试；缺点：传感器成本很高。

（2）FID检测原理是利用H2燃烧产热，将废气中有机污染物电离分解，再通过电子异性相吸的原理将正负电荷吸收在负正极板上形成微弱的电流，然后将电流放大就形成了稳定的电信号，最终判断出废气中有机污染物的浓度和种类。FID检测误差在5%以内，响应时间在5秒以内。

FID检测优点：①高灵敏度和用途广泛；②实时性和可连续测试；③精度高和监测线性好。缺点：传感器成本很高。

（3）半导体式，它是利用半导体材料在不同气体环境下导电能力不同，再根据废气中不同气体组分使半导体导电能力形成规律变化，然后通过将不同的导电电流放大成电信号，从而判定气体的种类和浓度。半导体式需要在高温环境下工作。

半导体式检测优点：①制造的成本比较低而且结构简单；②在使用过程中准确度高、反应速度快；③使用时间长、对使用环境要求不高、线路简单。半导体式检测缺点：①需要在高温的情况下使用，并且对气体或气味的选择性不好；②运行不够稳定、耗电量高。

4 VOCs在线监测设备的安装

（1）废气采样孔：废气采样孔是安装采样杆和采样探头的孔洞，它的位置有相关的要求和规范，开孔的位置和大小直接影响在线监测的准确性。废气排口的采样口应该在垂直排口段的三分之一位置，如果存在弯头和管道大小变化的情况，采样口应当分别设置在弯头和管道大小变化的下方2倍直径处和上方0.5倍直径处。

（2）废气采样平台：废气采样平台是为废气在线监测和日常废气采样提供的一个空中平台。废气采样平台大多较高，所以在结构强度和承重方面的要求也非常高。采样平台不小于1.5平方米，采样平台距离采样口的高度宜为1.2 m至1.3 m，采样平台的承重需要达到400公斤/平方米。平台四周护栏高度不小于1.2 m，在护栏下方需要设置约20 cm高的踢脚板防止高空坠物。排放口和平台要加强防雷工作，做好防雷安全试验报告。平台底面需要做好防滑，防止雨天人员工作时摔倒，整个平台可以采用4毫米厚的Q235碳钢板加镀锌方管制成，制成后的平台应涂防锈漆和面漆。

（3）废气斜梯：废气斜梯是在线监测设备安装人员进行废气采样时上下的一个斜梯。斜梯的坡度需要适中，当坡度较大时应当采用分级斜梯以保证现场工作人员上下的安全。斜梯要与废气采样平台相固定，严禁使用直爬梯。斜梯由Q235碳钢板制成，规格尺寸为：宽0.7 m至1.1 m，厚度大于4 mm。扶手由镀锌钢管制成，高应为1.2 m，采样直径20 mm。斜梯做好以后在焊口位置要喷涂防锈漆，增加斜梯的耐腐蚀性，延长其使用寿命。钢斜梯应全部采用焊接连接，焊缝不应该有漏焊和夹渣，必须双面焊，焊接后的钢斜梯要坚固牢靠。斜梯安装后要尽快除锈并做防腐喷漆（图1）。

图1 采样平台及斜梯

5 结语

VOCs在线监测设备的安装、调试、运维、选型都是十分关键的，直接影响设备能否高效、准确地开展监测工作。在线监测设备能够实时反馈废气处理设备的处理情况，当数据超标时可以及时对废气处理设备的运行工况进行调整，确保经过处理的废气浓度在国家标准范围以内。在线监测是环保部门和企业的“眼睛”，能够将VOCs这样看不见、摸不着的废气浓度很直观地表达出来。在科技高速发展的时代，监测数据也将更加“真、准、全、快、新”。