浅谈槽式光热电站废气VOCs在线监测系统的应用及排放指标的控制措施

魏富道，刘万军，刘一丁，尹 航

（中广核太阳能德令哈有限公司，青海 海西 817099）

引言

为落实生态环境部《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），以及青海省生态环保厅转发生态环境部办公厅《关于印发（固定污染源废气中非甲烷总烃排放连续监测技术指南（试行））》的通知要求，重点排污单位中的VOCs排放重点源自2020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，也为以有机热载体为介质的光热发电企业在运行中的参数调整做了有效铺垫。

1 废气的来源

光热发电企业主要是指利用大规模阵列镜面反射太阳热能，通过换热装置及储热装置提供蒸汽，然后结合传统汽轮机发电技术，达到发电的目的。太阳能热发电电站主要由聚光系统（镜场）、导热系统、换热系统、储热系统、蒸汽发生系统和发电系统、冷却系统组成。

目前导热系统的传热介质大多为熔盐和有机热载体（目前基本是VP-1的导热油）。以导热油作为介质的光热发电系统中，导热油是由两个非常稳定的有机化合物组成，26.5%的联苯（C12H10）和73.5%的二苯醚（C12H10O）的共晶混合物。其正常应用的温度范围是12～400 ℃，当导热油温度低于12 ℃，会发生凝结，当温度超过400 ℃时，则会由于高温的作用发生裂解现象，当导热油裂解时，则会产生高沸点和低沸点的杂质。为保证导热油品质不影响吸热换热效率，会对导热油进行净化处理，在导热油净化过程中产生废气[1]。

2 废气处理系统介绍

为排出导热油循环系统中的废气，导热油经密闭循环系统进入损耗放空罐，损耗放空罐底部的导热油利用沸点差异性对导热油运行过程中产生的高、低沸物进行分离，并回收合格导热油。顶部的废气经氮气覆盖后进入两组活性炭吸附罐，废气通过固定吸附罐内的活性炭层的过流断面，在一定的停留时间内，由于活性炭与有机废气分子间相互引力的作用产生物理吸附（又称范德华吸附），从而将废气中的有机成分吸附在活性炭的空隙表面，从而使废气得到净化，净化后的洁净气体顺烟囱排空。

对于挥发性有机物的治理，光热发电普遍采用活性炭吸附法，利用活性炭进行VOCs吸附，主要是活性炭具有以下诸多优势：（1）吸附快，微孔发达，孔径分布广泛，能够吸附分子大小不同的物质；（2）对苯、氯仿等挥发性有机物有吸附和回收作用，效果显著；（3）具有疏水性和非极性的表面特点，对非极性物质具有良好的吸附选择性；（4）活性炭原料成本低，生产工艺简单，容易脱附再生，常用于吸附剂，用于处理低浓度、大风量和中等相对分子质量的挥发性有机物。

为保证VOCs排放符合国家排放标准，要根据在线数据及时更换吸附罐内的活性炭，确保VOCs数据稳定合格达标。

3 VOCs在线监测系统的构架

3.1 VOCs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（见图1）。

图1 分析仪表控制机柜

3.1.1 采样和预处理单元

采样探头选用隔爆型采样探头，防爆等级IIC-T4，内置温度控制并附有防爆接线箱，方便接线及调节控制温度。采样探头采用高温加热采集系统。采用不锈钢材质，不吸附有机物且不与待测有机物发生任何反应，采样探头设有远程校准功能，可直接接入系统远程校准气体。该装置由取样管、电加热过滤腔两部分组成。过滤腔内安装陶瓷过滤器，外面安装电加热器组成，实现样气的取样和第一级过滤，过滤精度5 μm。样气传输管线把采样探头的样气传输到分析小屋的分析机柜，管线内置两根6 mm的气体传输管，主体材料为316 L不锈钢，采用全程伴热的采样方式，最高耐温200 ℃，最低不低于120 ℃，防止气体中的水分产生冷凝，具备稳定、均匀加热和保温的功能，该加热温度可在机柜的温控器上查询。其中一根不锈钢管作为样品采集管，而另一根则用于标准气体的全程校准[2]。

3.1.2 样气分析单元

（1）GC-FID分析仪工作原理

当有机化合物进入以氢气和氧气燃烧的火焰，在高温下产生化学电离，电离产生比基流高几个数量级的离子，在高压电场的定向作用下，形成离子流，微弱的离子流（10-12～10-8A）经过高阻（106～1011Ω）放大，成为与进入火焰的有机化合物的量成正比的电信号，因此可以根据信号的大小对有机物进行定量分析。一般采用完全抽取式的采样方法，将被测气体从烟道中抽出，通过采样探头、样气传输单元、预处理单元，全程伴热送至GC-FID检测单元，从而检测出气态污染物的浓度，并在控制单元的控制下进行反吹、校准、报警等功能。

（2）VOCs分析仪介绍

本系统分析仪是GC-FID分析仪（流程见图2）。使用气相色谱方法分析非甲烷总烃，将被分离物成分的浓度变化转换成电信号，分析各峰的面积，计算各成分的含量。在FID基础上，样品通过GC自动进样器，使用GC-FID可同时测量排气中总碳烃化合物（Total hydrocarbon，THC）、甲烷（Methane）和非甲烷总烃（Total nonmethane hydrocarbon，TNMHC）的含量。样品通过无分离效果的空管后进入火焰离子化检测器（Flameinization detector，FID）测得总碳氢化合物，同时废气中甲烷（Methane）样品通过会吸附非甲烷总烃化合物（Total nonmethane hyd-rocarbon，TNMHC）的分子筛吸附管后，进入FID检测器测得，将THC扣除甲烷后即得非甲烷总烃化合物含量，检测一个样品所需的时间约为1分钟[3]。

图2 GC-FID 基本气路组成图

分析仪具有色谱图文件自动记录、历史谱图查询功能，且具备根据谱图自动校准和多点校准功能。

在非甲烷总烃分析仪配置基础上，增加一路进样通道，气体进入苯系物柱，经分析柱分离、氢火焰离子化检测器（FID）检测，分别测出苯系物各组分的浓度。

3.1.3 数据采集、处理及数据传输系统

通过对样气中总碳烃、甲烷、非甲烷总烃、苯及苯系物等进行连续监测，能够实现环境污染物数据报表处理和数据传输，最终达到保护环境的目的。根据国家环保标准，挥发性有机气体连续监测的数据采集和数据处理软件，也可实时显示整套VOCs监测系统的各项污染物参数和整套系统的运行情况，能够直观地看出废气污染物排放浓度，并且根据有关标准和方法，对数据进行筛选计算和统计，按照环保报表的格式自动生成日报表、月报表及年报表。监测数据进入主控站工控机，通过主控站上的监控软件进行数据处理，生成能够实时监测的自动化检测仪表或前端传感器所测量的总碳烃浓度（mg/m3）、甲烷浓度（mg/m3）、非甲烷总烃浓度（mg/m3）等数据，并将长期保存。这些数据转换成小时均值自动存入数据库，自动进行数据统计，生成报表。通过主控站软件可以进行历史/实时曲线查询、历史/实时数据查询，并能统计/打印报表。

各分析仪器与工控机均采用RS232/485数字信号进行传输，分析数据经工控机采集、转换后通过数采仪接口并通过企业宽带网络传输至省环保部门监控中心及企业中控室，以便得到有效监控。

3.2 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防爆型分析小屋中，尽量减少管线附近的维护量。

3.3 NMHC-CEMS 组成示意图（图3）

图3 VOCs系统组成图

4 VOCs在线监测系统的标定及维护

为确保VOCs在线监测数据的准确性，要按照仪表设备的管理规定和环保设施运维要求，定期或不定期地进行表计的标定，下面将简单介绍VOCs在线监测仪定期标定和维护要求。

4.1 VOCs在线监测仪的校准

标定校准流程为：查验→校准→查验。首先连续查验，打开标气保证设备重复性；然后校准设备斜率、截距；最后再查验保证准确性。

在采样界面选择运行模式为单次标定（也可根据需要进行多次标定），通入标准气体后点击采样，待采样结束后点击谱图界面，点击添加谱图，把标定的谱图调入，确定好峰的位置参数后输入标气浓度值，最后点击计算斜率，按照跳出的画面点击保存，选择组分表并确认，完成仪器的标定。

标定完成后，采样页面的运行模式选为连续采样，点击采样按钮，仪器开始进行周期性自动采样，并按标定的曲线算出样气的浓度值。

4.2 VOCs在线监测仪的检查和维护

VOCs在线监测系统需要定期检查与维护，尤其是在一些工业园区内被测气体或环境空气存在腐蚀性气体的场合，更应根据工况，提高检查与维护的频率。例如，防爆采样器、隔爆接线盒等隔爆型设备的隔爆结合面等，应定期检查和清理。

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，要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；如果是在线监测仪器故障，则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的真实性后，再进一步开展有关故障排查与处理工作，如果在线监测仪器由于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[4]。

5 光热发电企业VOCs排放的控制和废气源头治理措施

以导热油作为介质的光热发电系统中，导热油的作用是传储热介质，始终在密闭系统中运行，如果导热油系统无泄漏，且不超过参数运行，导热油就基本不会氧化裂解，导热油净化系统将减少运行时间和次数，产生的废气量相对较少。所以控制好运行过程中导热油的各项参数，防止导热油各参数不超过系统设定的温度保护值，是光热发电企业减少VOCs排放的最佳措施。

6 结语

本文主要阐述了以有机热载体为介质的光热发电企业应用在线监测系统，对运行过程中产生的一定量的含有VOCs的废气进行监测，合理调整环保设施的运行参数，以达到排放标准。以有机热载体为介质的光热发电企业，是结构简单、成本较低、连续发电能力强的新能源支柱产业，只要合理应用相应的环保监测系统和有效的导热油介质运行参数保护手段，以有机热载体为介质的光热发电企业是能够实现国家“双碳”目标，以及满足能源、经济、社会发展需求的。