VOCs檢測與分析實驗室的籌建與設計

栗 波，姜 榮，韓 勇，劉明亮，崔 巖

(航天長征化學工程股份有限公司，北京 101111)

近年來，我國大面積出現持續性霧霾天氣，嚴重危害人們身體健康。大量研究表明，揮發性有機物(Volatile organic compounds，簡稱VOCs)是細顆粒物PM2.5和臭氧的重要前驅物之一，是復合型大氣污染的重要誘因[1-4]。VOCs一般是指參與大氣光化學反應的有機化合物，主要包括非甲烷總烴(烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴)、含氧有機化合物(醛、酮、醇、醚等)、鹵代烴、含氮化合物、含硫化合物等。

我國VOCs排放涉及石油化工、制藥、涂料、印刷、交通運輸等多個行業，管控工作難以全面展開。近期環保部頒布了石油化工、石油煉制、合成樹脂行業污染物排放標準，覆蓋面積仍然較窄，因此應盡快開展其他行業VOCs檢測標準的制訂和頒布。

VOCs檢測與分析是判斷VOCs來源、識別VOCs種類的重要手段，是研發源頭控制技術、清潔生產技術、末端治理技術等方面的基礎，是國家管控VOCs、制定揮發性有機物相關政策的重要依據。目前，煤化工行業VOCs綜合整治基礎相對薄弱，大部分企業不具備VOCs檢測能力。因此，建設VOCs檢測與分析實驗室是非常迫切的工作。

1 實驗室選址

實驗室選址是實驗室設計、建設以及日后投用的基礎。在符合國家法律法規的前提下，實驗室選址應優先考慮基礎設施完善、交通便利、通訊良好的地區[5]，同時應避開噪聲、振動、電磁干擾和其他污染源[6]。改建的VOCs檢測與分析實驗室所在的舊建筑共6層，第一層、第二層已用，現將第三層改為實驗室，建筑面積約1 300 m2。

2 實驗室功能劃分及平面布局

VOCs檢測與分析實驗室籌建的初衷是承擔煤化工行業廢氣、廢水、固廢中揮發性有機物的檢測，同時可進行化工行業常規污染物的分析。廢氣的分析項目包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、非甲烷總烴、氯化氫、氟化氫、溴化氫、氯氣及廢氣有機特征污染物等。廢水的分析項目包括pH、懸浮物、COD、BOD、氨氮、總氮、總磷、總有機碳、石油類、硫化物、重金屬及廢水有機特征污染物等。

結合實驗室分析項目和用途，VOCs檢測與分析實驗室可劃分為實驗區、輔助區和公共設施區。實驗區是用于從事實驗操作的場所，設有化學分析室、前處理室、光譜分析室、色譜分析室、天平室及高溫室；輔助區是為實驗提供服務的場所，設有樣品接收與暫存室、藥品室、便攜式儀器室及鋼瓶間；公共設施區是為實驗工作提供所需環境及其他條件保證的場所，設有新風機房、辦公室、休息室、會議室及資料室等。

2.1 實驗區

化學分析室通常進行樣品的化學處理和常規理化項目測定，以容量分析為主，放置一些小型的儀器設備。前處理室專門為色譜、光譜分析設置，樣品在用大型儀器測定前，需進行前處理；光譜分析室中主要放置基于光的吸收、散射及發射等原理工作的大型儀器；色譜分析室承擔揮發性有機物的分析檢測；天平室是為放置稱重設備而獨立設置的房間，用于化學試劑及樣品的稱重；高溫室放置一些操作溫度較高的設備。

2.2 輔助區與公共設施區

樣品接收與暫存室是為暫存大批量樣品設置的房間；藥品室用于存放常用化學試劑及標準物質；便攜式儀器室中存放采樣設備；鋼瓶間是用來放置實驗室所用鋼瓶，為大型儀器提供所需氣體。

實驗室正常使用時，通風設備要經常開啟，為了防止分析房間負壓過大，影響實驗人員身心健康，需向房間內不斷補充新鮮空氣，故實驗室中設有新風機房。其他辦公、存放資料等房間配套實驗室建設。

2.3 實驗室平面布局

在VOCs檢測與分析實驗室籌建與設計時，應合理利用原有建筑物的空間和設施，盡量做到少破壞原有建筑，其平面布局如圖1所示(陰影部分為建筑物原有設施)。

圖1 平面布局示意

由圖1可以看出：在進行實驗室平面布局時，將實驗區和辦公區分開，合理充分利用室內空間。實驗區分干濕兩區，上側為濕區，下側為干區，中間用走廊隔開，鋼瓶間位于建筑物外一層，靠近干區，緊鄰色譜室和光譜室2個用氣房間。

3 實驗室基礎設施及儀器設備

3.1 實驗臺及天平臺

VOCs檢測與分析實驗室實驗臺布置采取“島型”結構，便于實驗人員活動并可以快速接近緊急設備或出口。化學分析室與前處理室以中央實驗臺為主，中間帶有試劑架，實驗臺長 5 400 mm、寬1 500 mm、高900 mm，臺面材質選取耐酸堿腐蝕、耐撞擊、耐高溫的環氧樹脂。色譜、光譜分析室采用儀器實驗臺，臺面材質選用環氧樹脂，實驗臺長3 500 mm、寬900 mm、高900 mm，相鄰實驗臺留有500 mm檢修空間。天平臺的臺面和臺座應具有抗震功能，臺面平整、光潔、有足夠剛度的臺板，一般選用大理石或陶瓷。

3.2 通風

為了保證實驗室安全、干凈、舒適，減少有毒有害物質對實驗人員的傷害，實驗室需要設置通風系統。化學分析室及前處理室使用較多揮發性、刺激性氣味的試劑，且在實驗中容易產生有毒有害的氣體，對這2個分析室設置較多的桌上型通風柜和臺式通風柜，一些分析項目直接在通風柜內進行，實驗臺局部上方設有萬向排氣罩。色譜分析室廢氣產生較少，僅對每張實驗臺局部設有萬向排氣罩。光譜分析室中火焰原子吸收分光光度計(AAS)、電感耦合等離子體原子發射光譜儀(ICP- AES)在工作時氣體燃燒產生火焰，故光譜分析室除設有萬向排氣罩外，還增設排風量較大的吸收罩。便攜式儀器室設有1個臺式通風柜，用于便攜儀器的標定。藥品室、樣品接收與暫存室采用帶排風的柜子，保持24 h不間斷排風。

由于通風設施的使用，實驗室容易出現負壓過大，影響實驗人員身體健康，故VOCs檢測與分析實驗室設有新風機房，可不斷向房間內補充新鮮空氣，以平衡室內壓力，且新風系統與中央空調連通，可維持實驗室內部溫度恒定。

3.3 給排水

VOCs檢測與分析室的供水取自城市自來水，由原建筑衛生間引入，沿走廊吊頂進入化學分析室、前處理室以及緊急噴淋裝置，接至實驗臺水槽、通風柜等用水處，化學分析室與前處理室各配備1臺純水機，用來制取不同級別的實驗用水。2個分析室的排水管道匯總，然后接到地下一層污水處理設備。

3.4 供氣

實驗室分析房間所用氣路統一來自鋼瓶間，由40 L標準鋼瓶供氣，各種氣體均采用“一用一備”模式，便于自動快速切換。引入色譜分析室的氣體有氮氣、氫氣、氦氣、氬氣、空氣等，引入光譜分析室的氣體有空氣、乙炔、氬氣、氮氣等，化學分析室預留1路氮氣。

進入色譜、光譜分析室的氣體主管道上設有總閥，安裝在房間內明顯的墻面上，各路支管沿實驗臺功能柱鋪設，就近設置二級減壓閥和壓力表，實驗室所有氣體管道應做到統籌規劃、集中布置，以便于安裝、操作和檢修。氣體鋼瓶在更換時會有少量空氣進入氣體匯流排中，可燃氣體管道在吹掃或檢修時需及時放出殘留在管道內的氣體，因此，對所有氣體管道設置放空管線，并將可燃氣體與惰性氣體放空管線分開布置引至樓頂高點放空。考慮到未來預留或儀器位置變動，色譜分析室的5種氣體管道并列引至儀器處，每個支管終端設置閥門，光譜分析室的4種氣體管道同樣按照此法布置。

3.5 裝飾

VOCs檢測與分析實驗室屬于改建項目，土建的設計與施工盡量不改變原有建筑。房間內的消防管道、橋架等已安裝，為避免造成室內縱向空間較小，分析室內采取無吊頂，只保留走廊吊頂。VOCs的分析主要針對揮發性有機物，故實驗室內裝修盡可能選取無揮發性有機物釋放的材料，避免影響儀器檢測的準確性，實驗室地面采用耐酸、耐堿、耐油的防滑瓷磚，墻面采用彩鋼板，走廊吊頂采用鋁塑板。

3.6 供電

實驗室內統一配備220 V、380 V兩種規格電壓。實驗室在設計初期，分析儀器和設備尚未購置，其電壓、功率等參數無法準確獲取，因此在電氣設計時，房間用電功率應重點考慮，適當放大。

3.7 安全

VOCs檢測與分析實驗室需要用到氫氣和乙炔等易燃易爆氣體，故鋼瓶間在設計時，將可燃氣體鋼瓶和惰性氣體鋼瓶隔開布置，每個鋼瓶采取固定措施，可燃氣體間與建筑物相連處為鋼筋混凝土防爆墻，鋼瓶間地面采用防火花、防靜電材料，并有遮陽防曬措施。色譜分析室、光譜分析室、放置可燃氣的鋼瓶間設置可燃氣體檢測報警儀。

實驗室門均朝外開，便于事故時實驗人員逃生。實驗室衛生間和走廊設有緊急噴淋裝置，靠近化學分析室和前處理室，當發生意外傷害事故時，可進行快速噴淋、沖洗，將傷害程度降至最輕。化學分析室和前處理室水槽邊各配有1臺洗眼器。

3.8 分析儀器及設備配置

VOCs檢測與分析實驗室目前主要承擔化工行業揮發性有機物的檢測，考慮到未來實驗室發展規模，參照GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》中水和大氣分析項目，另外配置環境檢測類儀器，玻璃量器按常規種類配置。分析儀器及設備配置情況見表1。

4 三廢處理

VOCs檢測與分析實驗室在使用過程中不可避免地會產生三廢。在設計實驗室時充分考慮了三廢處理問題，實驗室廢水通過排水管道進入地下一層污水處理站，廢水經過處理達標后再進入市政污水管道。實驗室廢氣通過排風管道送至樓頂，經干式化學過濾器處理合格后，排入大氣。實驗室固體廢物密封集中存放，交給相關單位收集處理。總之，實驗室產生的三廢在向室外排放前，必須進行凈化處理，使之達到國家規定的排污標準。

5 結語

(1) 根據VOCs的性質、種類、來源等，規劃并設計了VOCs檢測與分析實驗室，能滿足石化行業尤其是煤化工行業VOCs檢測的需求，同時涵蓋其他環境類檢測項目。

表1 分析儀器及設備配置情況

(2) VOCs檢測與分析實驗室，通過全面采樣、科學檢測、系統記錄，對煤化工行業VOCs排放量、VOCs物質清單等開展排查，完善VOCs數據臺賬，為未來建立和完善煤化工行業的VOCs管控技術，制定行業VOCs排放標準及相關政策奠定了基礎。