淺談槽式光熱電站廢氣VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用及排放指標的控制措施

魏富道，劉萬軍，劉一丁，尹 航

（中廣核太陽能德令哈有限公司，青海 海西 817099）

引言

為落實生態(tài)環(huán)境部《關于加強重點排污單位自動監(jiān)控建設工作的通知》（環(huán)辦環(huán)監(jiān)〔2018〕25號），以及青海省生態(tài)環(huán)保廳轉發(fā)生態(tài)環(huán)境部辦公廳《關于印發(fā)（固定污染源廢氣中非甲烷總烴排放連續(xù)監(jiān)測技術指南（試行））》的通知要求，重點排污單位中的VOCs排放重點源自2020年起應將VOCs項目納入自動監(jiān)控。為提高VOCs污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)質量，充分發(fā)揮在線監(jiān)控系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法中的作用，VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用對裝置長周期穩(wěn)定運行起著決定性作用，也為以有機熱載體為介質的光熱發(fā)電企業(yè)在運行中的參數(shù)調整做了有效鋪墊。

1 廢氣的來源

光熱發(fā)電企業(yè)主要是指利用大規(guī)模陣列鏡面反射太陽熱能，通過換熱裝置及儲熱裝置提供蒸汽，然后結合傳統(tǒng)汽輪機發(fā)電技術，達到發(fā)電的目的。太陽能熱發(fā)電電站主要由聚光系統(tǒng)（鏡場）、導熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成。

目前導熱系統(tǒng)的傳熱介質大多為熔鹽和有機熱載體（目前基本是VP-1的導熱油）。以導熱油作為介質的光熱發(fā)電系統(tǒng)中，導熱油是由兩個非常穩(wěn)定的有機化合物組成，26.5%的聯(lián)苯（C12H10）和73.5%的二苯醚（C12H10O）的共晶混合物。其正常應用的溫度范圍是12～400 ℃，當導熱油溫度低于12 ℃，會發(fā)生凝結，當溫度超過400 ℃時，則會由于高溫的作用發(fā)生裂解現(xiàn)象，當導熱油裂解時，則會產(chǎn)生高沸點和低沸點的雜質。為保證導熱油品質不影響吸熱換熱效率，會對導熱油進行凈化處理，在導熱油凈化過程中產(chǎn)生廢氣[1]。

2 廢氣處理系統(tǒng)介紹

為排出導熱油循環(huán)系統(tǒng)中的廢氣，導熱油經(jīng)密閉循環(huán)系統(tǒng)進入損耗放空罐，損耗放空罐底部的導熱油利用沸點差異性對導熱油運行過程中產(chǎn)生的高、低沸物進行分離，并回收合格導熱油。頂部的廢氣經(jīng)氮氣覆蓋后進入兩組活性炭吸附罐，廢氣通過固定吸附罐內的活性炭層的過流斷面，在一定的停留時間內，由于活性炭與有機廢氣分子間相互引力的作用產(chǎn)生物理吸附（又稱范德華吸附），從而將廢氣中的有機成分吸附在活性炭的空隙表面，從而使廢氣得到凈化，凈化后的潔凈氣體順煙囪排空。

對于揮發(fā)性有機物的治理，光熱發(fā)電普遍采用活性炭吸附法，利用活性炭進行VOCs吸附，主要是活性炭具有以下諸多優(yōu)勢：（1）吸附快，微孔發(fā)達，孔徑分布廣泛，能夠吸附分子大小不同的物質；（2）對苯、氯仿等揮發(fā)性有機物有吸附和回收作用，效果顯著；（3）具有疏水性和非極性的表面特點，對非極性物質具有良好的吸附選擇性；（4）活性炭原料成本低，生產(chǎn)工藝簡單，容易脫附再生，常用于吸附劑，用于處理低濃度、大風量和中等相對分子質量的揮發(fā)性有機物。

為保證VOCs排放符合國家排放標準，要根據(jù)在線數(shù)據(jù)及時更換吸附罐內的活性炭，確保VOCs數(shù)據(jù)穩(wěn)定合格達標。

3 VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的構架

3.1 VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

在線監(jiān)測系統(tǒng)儀表（NMHC-CEMS等）應包括采樣單元、樣品預處理單元、分析儀單元、通信接口單元等。其中在線分析儀表應帶有網(wǎng)絡通信接口，能夠接入工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）構成整個在線分析儀表系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 分析儀表控制機柜

3.1.1 采樣和預處理單元

采樣探頭選用隔爆型采樣探頭，防爆等級IIC-T4，內置溫度控制并附有防爆接線箱，方便接線及調節(jié)控制溫度。采樣探頭采用高溫加熱采集系統(tǒng)。采用不銹鋼材質，不吸附有機物且不與待測有機物發(fā)生任何反應，采樣探頭設有遠程校準功能，可直接接入系統(tǒng)遠程校準氣體。該裝置由取樣管、電加熱過濾腔兩部分組成。過濾腔內安裝陶瓷過濾器，外面安裝電加熱器組成，實現(xiàn)樣氣的取樣和第一級過濾，過濾精度5 μm。樣氣傳輸管線把采樣探頭的樣氣傳輸?shù)椒治鲂∥莸姆治鰴C柜，管線內置兩根6 mm的氣體傳輸管，主體材料為316 L不銹鋼，采用全程伴熱的采樣方式，最高耐溫200 ℃，最低不低于120 ℃，防止氣體中的水分產(chǎn)生冷凝，具備穩(wěn)定、均勻加熱和保溫的功能，該加熱溫度可在機柜的溫控器上查詢。其中一根不銹鋼管作為樣品采集管，而另一根則用于標準氣體的全程校準[2]。

3.1.2 樣氣分析單元

（1）GC-FID分析儀工作原理

當有機化合物進入以氫氣和氧氣燃燒的火焰，在高溫下產(chǎn)生化學電離，電離產(chǎn)生比基流高幾個數(shù)量級的離子，在高壓電場的定向作用下，形成離子流，微弱的離子流（10-12～10-8A）經(jīng)過高阻（106～1011Ω）放大，成為與進入火焰的有機化合物的量成正比的電信號，因此可以根據(jù)信號的大小對有機物進行定量分析。一般采用完全抽取式的采樣方法，將被測氣體從煙道中抽出，通過采樣探頭、樣氣傳輸單元、預處理單元，全程伴熱送至GC-FID檢測單元，從而檢測出氣態(tài)污染物的濃度，并在控制單元的控制下進行反吹、校準、報警等功能。

（2）VOCs分析儀介紹

本系統(tǒng)分析儀是GC-FID分析儀（流程見圖2）。使用氣相色譜方法分析非甲烷總烴，將被分離物成分的濃度變化轉換成電信號，分析各峰的面積，計算各成分的含量。在FID基礎上，樣品通過GC自動進樣器，使用GC-FID可同時測量排氣中總碳烴化合物（Total hydrocarbon，THC）、甲烷（Methane）和非甲烷總烴（Total nonmethane hydrocarbon，TNMHC）的含量。樣品通過無分離效果的空管后進入火焰離子化檢測器（Flameinization detector，F(xiàn)ID）測得總碳氫化合物，同時廢氣中甲烷（Methane）樣品通過會吸附非甲烷總烴化合物（Total nonmethane hyd-rocarbon，TNMHC）的分子篩吸附管后，進入FID檢測器測得，將THC扣除甲烷后即得非甲烷總烴化合物含量，檢測一個樣品所需的時間約為1分鐘[3]。

圖2 GC-FID 基本氣路組成圖

分析儀具有色譜圖文件自動記錄、歷史譜圖查詢功能，且具備根據(jù)譜圖自動校準和多點校準功能。

在非甲烷總烴分析儀配置基礎上，增加一路進樣通道，氣體進入苯系物柱，經(jīng)分析柱分離、氫火焰離子化檢測器（FID）檢測，分別測出苯系物各組分的濃度。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集、處理及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

通過對樣氣中總碳烴、甲烷、非甲烷總烴、苯及苯系物等進行連續(xù)監(jiān)測，能夠實現(xiàn)環(huán)境污染物數(shù)據(jù)報表處理和數(shù)據(jù)傳輸，最終達到保護環(huán)境的目的。根據(jù)國家環(huán)保標準，揮發(fā)性有機氣體連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理軟件，也可實時顯示整套VOCs監(jiān)測系統(tǒng)的各項污染物參數(shù)和整套系統(tǒng)的運行情況，能夠直觀地看出廢氣污染物排放濃度，并且根據(jù)有關標準和方法，對數(shù)據(jù)進行篩選計算和統(tǒng)計，按照環(huán)保報表的格式自動生成日報表、月報表及年報表。監(jiān)測數(shù)據(jù)進入主控站工控機，通過主控站上的監(jiān)控軟件進行數(shù)據(jù)處理，生成能夠實時監(jiān)測的自動化檢測儀表或前端傳感器所測量的總碳烴濃度（mg/m3）、甲烷濃度（mg/m3）、非甲烷總烴濃度（mg/m3）等數(shù)據(jù)，并將長期保存。這些數(shù)據(jù)轉換成小時均值自動存入數(shù)據(jù)庫，自動進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，生成報表。通過主控站軟件可以進行歷史/實時曲線查詢、歷史/實時數(shù)據(jù)查詢，并能統(tǒng)計/打印報表。

各分析儀器與工控機均采用RS232/485數(shù)字信號進行傳輸，分析數(shù)據(jù)經(jīng)工控機采集、轉換后通過數(shù)采儀接口并通過企業(yè)寬帶網(wǎng)絡傳輸至省環(huán)保部門監(jiān)控中心及企業(yè)中控室，以便得到有效監(jiān)控。

3.2 甲烷總烴監(jiān)測子系統(tǒng)

非甲烷總烴監(jiān)測子系統(tǒng)由采樣探頭、樣品預處理單元和分析儀組成。采樣探頭直接安裝在管線上，采樣預處理單元和分析儀安裝在防爆型分析小屋中，盡量減少管線附近的維護量。

3.3 NMHC-CEMS 組成示意圖（圖3）

圖3 VOCs系統(tǒng)組成圖

4 VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的標定及維護

為確保VOCs在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，要按照儀表設備的管理規(guī)定和環(huán)保設施運維要求，定期或不定期地進行表計的標定，下面將簡單介紹VOCs在線監(jiān)測儀定期標定和維護要求。

4.1 VOCs在線監(jiān)測儀的校準

標定校準流程為：查驗→校準→查驗。首先連續(xù)查驗，打開標氣保證設備重復性；然后校準設備斜率、截距；最后再查驗保證準確性。

在采樣界面選擇運行模式為單次標定（也可根據(jù)需要進行多次標定），通入標準氣體后點擊采樣，待采樣結束后點擊譜圖界面，點擊添加譜圖，把標定的譜圖調入，確定好峰的位置參數(shù)后輸入標氣濃度值，最后點擊計算斜率，按照跳出的畫面點擊保存，選擇組分表并確認，完成儀器的標定。

標定完成后，采樣頁面的運行模式選為連續(xù)采樣，點擊采樣按鈕，儀器開始進行周期性自動采樣，并按標定的曲線算出樣氣的濃度值。

4.2 VOCs在線監(jiān)測儀的檢查和維護

VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)需要定期檢查與維護，尤其是在一些工業(yè)園區(qū)內被測氣體或環(huán)境空氣存在腐蝕性氣體的場合，更應根據(jù)工況，提高檢查與維護的頻率。例如，防爆采樣器、隔爆接線盒等隔爆型設備的隔爆結合面等，應定期檢查和清理。

VOCs在線監(jiān)測數(shù)據(jù)異常應急處理流程：發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測儀器出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)顯示異常后，要及時上報并到現(xiàn)場進行處理。判斷數(shù)據(jù)異常原因，如果是操作、設備運行等原因造成的數(shù)據(jù)異常，由使用單位組織調整操作，保證數(shù)據(jù)恢復；如果是在線監(jiān)測儀器故障，則由維修單位對該儀器進行處理、維修。如果不能立即確認故障原因，應首先選擇使用人工監(jiān)測儀器測量污染物排放情況，用人工監(jiān)測數(shù)據(jù)判定在線監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)的真實性后，再進一步開展有關故障排查與處理工作，如果在線監(jiān)測儀器由于需要離線檢修等原因造成在線監(jiān)測數(shù)據(jù)無法正常上傳至平臺，應立即聯(lián)系環(huán)境監(jiān)測部門到現(xiàn)場進行人工比對，并按規(guī)范記錄數(shù)據(jù)，上報備案[4]。

5 光熱發(fā)電企業(yè)VOCs排放的控制和廢氣源頭治理措施

以導熱油作為介質的光熱發(fā)電系統(tǒng)中，導熱油的作用是傳儲熱介質，始終在密閉系統(tǒng)中運行，如果導熱油系統(tǒng)無泄漏，且不超過參數(shù)運行，導熱油就基本不會氧化裂解，導熱油凈化系統(tǒng)將減少運行時間和次數(shù)，產(chǎn)生的廢氣量相對較少。所以控制好運行過程中導熱油的各項參數(shù)，防止導熱油各參數(shù)不超過系統(tǒng)設定的溫度保護值，是光熱發(fā)電企業(yè)減少VOCs排放的最佳措施。

6 結語

本文主要闡述了以有機熱載體為介質的光熱發(fā)電企業(yè)應用在線監(jiān)測系統(tǒng)，對運行過程中產(chǎn)生的一定量的含有VOCs的廢氣進行監(jiān)測，合理調整環(huán)保設施的運行參數(shù)，以達到排放標準。以有機熱載體為介質的光熱發(fā)電企業(yè)，是結構簡單、成本較低、連續(xù)發(fā)電能力強的新能源支柱產(chǎn)業(yè)，只要合理應用相應的環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)和有效的導熱油介質運行參數(shù)保護手段，以有機熱載體為介質的光熱發(fā)電企業(yè)是能夠實現(xiàn)國家“雙碳”目標，以及滿足能源、經(jīng)濟、社會發(fā)展需求的。