光離子化檢測技術在冶金焦化行業的應用

吳海光

煤炭的主要加工方法是高溫煉焦,從而提取有用的化學產品,回收可燃氣體。在生產過程中,多種有機蒸氣對工作人員的健康造成慢性侵害。同時,大量有機和無機揮發物的泄露也會對環境帶來嚴重污染,造成能源和資源的雙重浪費。

國家質檢總局、國家標準化委員會頒布的國家標準GB 12710-2008《焦化安全規程》將于2009年12月1日開始實施,新規程將取代GB 12710-1991《焦化安全規程》,在焦化氣體監控方面新增了7種有機化合物和2種氮、硫氧化物的檢測。總體來看,新標準對職業安全與健康、環保提高了要求,特別是對于職業健康,新標準增加了7種致癌物質濃度的限制。在環保方面,新標準對主要大氣污染物的氮、硫氧化物濃度有了更嚴格的限制。本文通過介紹總揮發性有機化合物(TVOC)工作場所限值標準及檢測方法、光離子化檢測技術(PID)在有機揮發物檢測方面的特點,介紹一種冶金焦化行業保護職工健康、避免環境污染的方法。

TVOC限值標準及檢測方法

GB 12710-2008《焦化安全規程》對焦化工作場所空氣中有毒物質容許濃度的規定如表1所示。

從表1中可以看出,新標準增加了苯逸散物和焦揮發物,它們的主要成分是多種揮發性有機化合物的混合物,即TVOC。

目前,常用的有機揮發物的檢測方法主要有電化學傳感器、半導體氧化物傳感器、紅外傳感器和最新技術的光離子化傳感器(PID)。在以上幾類檢測技術中,由于揮發性有機化合物(VOC)的理化特性,電化學方法只能檢測其中小部分有機化合物,而且其使用壽命也無法滿足客戶實際使用的要求;半導體氧化物傳感器的檢測靈敏度較高,但由于其對碳、硫、氮氧化物有較大的響應,而不能用于焦化行業;紅外方法的檢測穩定性、選擇性較好,但無法檢測多種氣體;煤焦化混合芳烴中含有幾十種有機物,他們的化學性質差異較大,而PID檢測技術是無損壞的物理檢測技術,拋開化學性質的差異,以物理(電離)的方法對多種有機化合物如苯、甲苯、二甲苯、萘、酚、酮等進行準確檢測,檢測精度可達1×10-9(1ppb)水平,是目前首選的VOC檢測技術。

光離子化檢測技術原理

光離子化檢測器由調制電場、無極紫外光源和電離室組成,中間由可透紫外光的光窗相隔。在電離室內,待測組分的分子吸收紫外光能量發生電離,選用不同能量的紫外燈(9.8eV,10.6eV,11.7eV),可選擇性地測定各種有機化合物。有機化合物的分子在紫外光的激發作用下電離成為正負離子,在電場的作用下,在電極間發生遷移產生的電流與氣體濃度成正比,高精度檢測電路對變化的信號進行運算處理,實時得出現場檢測數據。

光離子化檢測器對大多數有機物可產生響應信號,不但具有較高的靈敏度,還可簡便地對樣品進行快速檢測處理。在分析如芳烴和烯烴時,其響應靈敏度可比火焰離子化檢測器高約30倍。此外,光離子化檢測器還具有較寬的線性范圍,無極紫外燈、電離室、電極體積小,適合便攜式和固定式在線監測。它是一種非破壞性檢測器,還可和色譜儀(GCRAE1000)聯用,以獲取更加精確的信息。它可在常壓下進行操作,不需使用氫氣、氮氣等,簡化了附屬設備,實現了本質安全;檢測范圍非常寬,響應時間小于10s,無檢測記憶,恢復快。

光離子化檢測器(RAEGuard PID),檢測量程0～100×10-6(100ppm)對焦化有機蒸汽的校正系數(CF)見下表2。

光離子化檢測技術在冶金焦化企業的應用

煤焦油是焦化工業的重要產品之一,其組成極為復雜。常溫下煤焦油是一種黑色黏稠液體,主要由多環芳香族化合物組成,高沸點組分較多,熱穩定性較好,其中的烷基芳烴最易揮發,以苯為代表的烷基芳烴是污染物檢測的重點。低濃度TVOC有毒,會抑制人體造血功能,能致使白細胞、紅細胞和血小板的減少而造成多種疾病;高濃度時對皮膚和黏膜有局部刺激作用,吸入或經皮膚吸收可引起中毒,嚴重者將導致中毒死亡。TVOC也屬于典型的致癌物質。

從TVOC的危害可以看出,低濃度影響人員的健康;中等濃度導致人員患慢性疾病;較高濃度還會導致爆炸事故。因此,大范圍監測環境TVOC濃度是焦化企業解決安全、健康、環保的重要手段。根據GB 12710-2008《焦化安全規程》的要求,在新建項目和技改項目的實施上,或在原有系統的基礎上應增加TVOC檢測器——PID。PID技術可以解決新標準規定的9種焦化有機氣體的檢測,使企業對環境污染的程度從定性的了解向定量的管理轉變,這也是一項“HSE”的對企業管理的基本要求。

各國TVOC標準基本在以下范圍:

環境:0.1×10-9(0.1ppb)～1×10-6(1ppm)

健康:0.1×10-6(0.1ppm)～100×10-6(100ppm)

爆炸:1000×10-6(1000ppm)～10000×10-6(10000ppm)

冶金焦化行業在儀器的選擇上,應根據檢測目的決定儀器的量程配置。根據中國冶金企業的特點,0.1×10-6(0.1ppm)～100×10-6(100ppm)量程范圍適合大多數企業環境。對于苯灌區等重大危險源的監控應選擇在線式(固定式)寬量程的檢測儀器,檢測量程范圍選擇1000×10-6(1000ppm)的產品,根據企業的環境情況設置相應的報警點,這個范圍既可以兼顧防范人員中毒,又可以檢測意外的大量泄漏,避免爆炸事故的發生。

焦化污染及職業危害是冶金企業環境與勞動保護問題的重點,不僅給企業職工健康造成危害,還影響到周邊生活區居民的健康,PID檢測技術(見圖1)將為保障職工的職業健康,建立勞動保護與環境級檢測系統防范污染物擴散,發揮它的優勢。

編輯韓 穎