贠瑩 戴金玲 王海波 劉偉

摘 ?????要： VOCs治理過(guò)程中廢氣濃度若積累到一定程度容易引發(fā)爆炸事故，造成人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失，因此選擇合適的儀表對(duì)廢氣濃度進(jìn)行在線檢測(cè)至關(guān)重要。對(duì)催化燃燒法，紅外吸收法和激光二極管法的工作原理及性能指標(biāo)進(jìn)行了深入分析比較，并介紹了三種原理的工程應(yīng)用案例，最后提出VOCs治理過(guò)程中在線廢氣濃度檢測(cè)儀表的選型建議，以期供選用者參考。

關(guān) ?鍵 ?詞：VOCs治理;催化燃燒;紅外吸收;激光二極管;選型分析

中圖分類號(hào)：X 701 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）11-2698-04

Analysis on the Selection of Appropriate Instrument?for Online Detection of Exhaust Gas Concentration?in the Process of VOCs Treatment

???YUN Ying， DAI Jin-ling， WANG Hai-bo， LUI Wei

（Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Liaoning Dalian?116045，?China）

Abstract： During?the process of VOCs treatment， the explosion?may happen if the concentration of exhaust gas reaches a critical level， which?can lead to huge economic loss and personal injuries. So it is?crucial?to choose an?appropriate instrument for?online?detection of?the concentration?of exhaust gas.?In this paper， the working principle， performance indexes and application cases of catalytic combustion method， infrared absorption method and laser diode method?were analyzed and compared.?And some advice?on the selection of?instrument for?online?detection of the concentration?of exhaust gas?was put forward.

Key words： VOCs treatment; Catalytic combustion; Infrared absorption; Laser diode; Analysis of selection

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是指常溫下飽和蒸氣壓大于133.32 Pa，常壓沸點(diǎn)小于260 ℃的有機(jī)化合物。VOCs按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為烷烴類、芳烴類、烯烴類等^[1，2]。

石油化工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的VOCs，這些具有刺激性氣味的VOCs揮發(fā)到大氣中不僅會(huì)給人類的健康帶來(lái)危害，還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響^[3-5]，因此，在VOCs治理過(guò)程中設(shè)置在線廢氣濃度檢測(cè)儀表來(lái)檢測(cè)環(huán)境中或管道內(nèi)的廢氣濃度，當(dāng)廢氣濃度超過(guò)一定限值會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員做出相應(yīng)措施以保障生產(chǎn)安全至關(guān)重要。

VOCs治理過(guò)程中廢氣濃度的在線檢測(cè)儀表有多種，在進(jìn)行儀表選型分析時(shí)，需要根據(jù)不同的工藝測(cè)量條件、測(cè)量要求、安全控制、儀表價(jià)格及儀表自身技術(shù)指標(biāo)等選擇最適合當(dāng)時(shí)工況的在線廢氣濃度檢測(cè)儀表。一旦廢氣在線濃度檢測(cè)儀表選型不合理會(huì)給VOCs治理過(guò)程帶來(lái)嚴(yán)重的影響，甚至造成人員中毒事件和爆炸事故^[6-8]。

1 ?VOCs在線廢氣濃度檢測(cè)儀表選型

目前VOCs治理過(guò)程中廢氣濃度的檢測(cè)儀表主要有基于催化燃燒原理的可燃?xì)怏w探測(cè)器、基于紅外吸收原理的可燃?xì)怏w探測(cè)器以及基于激光二極管原理的激光氣體分析儀。本文主要對(duì)以上三種檢測(cè)儀表進(jìn)行探討，從原理出發(fā)分析其性能指標(biāo)，通過(guò)工程應(yīng)用案例來(lái)例證選型的合理性，以期給選用者提供正確的選型參考。

1.1 ?VOCs廢氣濃度檢測(cè)儀工作原理

1.1.1 ?催化燃燒原理

催化燃燒原理是利用傳感元件接觸可燃性氣體時(shí)產(chǎn)生催化燃燒，傳感元件溫度隨之升高，從而使元件的阻值增大，通過(guò)惠斯頓電橋檢測(cè)電阻的變化來(lái)測(cè)定氣體的濃度^[9]。

采用催化燃燒原理的優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）當(dāng)廢氣成分不確定時(shí)依然可以有效檢測(cè);

（2）探測(cè)器具有自動(dòng)標(biāo)定功能;

（3）使用方便;

（4）容易實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。

催化燃燒原理的缺點(diǎn)主要有：

（1）采用低溫催化無(wú)焰燃燒時(shí)間久了催化涂層會(huì)被燒掉，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量;

（2）催化燃燒反應(yīng)過(guò)程需要一定的時(shí)間;

（3）樣氣中含有的硫、硫化氫、鹵族元素等會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒。

1.1.2??紅外吸收原理

紅外吸收原理是利用一些可燃性氣體（碳?xì)浠衔铮?duì)特定波長(zhǎng)的紅外輻射具有較強(qiáng)的吸收能力，通過(guò)測(cè)量紅外能量的減少量從而得到可燃?xì)怏w的濃度^[10]。

采用紅外吸收原理的可燃性氣體探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較低、傳感器壽命長(zhǎng)、線性度好、響應(yīng)速度快、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠、不受硫化氫等毒物干擾等。缺點(diǎn)是只能檢測(cè)碳?xì)浠衔?、CO₂等對(duì)紅外輻射能有明顯吸收能力的氣體，樣氣要求潔凈，不能有粉塵及水蒸氣等影響光路的成分，標(biāo)定時(shí)通常使用的是50%?LEL的甲烷，全量程標(biāo)定需要與廠家溝通定制標(biāo)氣。

1.1.3??激光二極管吸收原理

激光二極管吸收原理由激光發(fā)射模塊發(fā)出激光束穿過(guò)被測(cè)氣體，光電傳感模塊中的探測(cè)器進(jìn)行接收，分析控制模塊對(duì)獲得的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析后得到被測(cè)氣體濃度^[11]。通過(guò)測(cè)量激光強(qiáng)度衰減可以分析獲得被測(cè)氣體的濃度，光強(qiáng)度的衰減與探測(cè)光程之間的被測(cè)氣體含量成正比^[12]。

VOCs項(xiàng)目中通常采用激光二極管吸收原理用于廢氣進(jìn)口的氧含量分析而沒(méi)有用于烴濃度的檢測(cè)。激光二極管吸收原理的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析或取樣分析、響應(yīng)速度快、智能化程度高、維護(hù)方便、樣氣不潔凈不會(huì)影響儀表本身;缺點(diǎn)是，測(cè)量過(guò)程中只能檢測(cè)某一種氣體組分如O₂、CO、CH₄等，安裝時(shí)有管徑和長(zhǎng)度的最低要求，需要氮?dú)獬掷m(xù)吹掃，體積大，價(jià)格貴，需要溫度壓力補(bǔ)償，不適合小的實(shí)驗(yàn)裝置等。

1.2??檢測(cè)儀表性能指標(biāo)

三種原理主要性能指標(biāo)對(duì)比分析如表1。

表1中列舉了催化燃燒原理，紅外吸收原理，激光二極管吸收原理的主要性能指標(biāo)。從測(cè)量范圍、響應(yīng)時(shí)間、傳感器壽命、價(jià)格、精確度五項(xiàng)性能指標(biāo)中能夠清晰地看到三種原理自身的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，分析其性能指標(biāo)如圖1所示。

圖1中形象地將三種原理的性能指標(biāo)進(jìn)行表示，可以以此為選型參考依據(jù)。

下面將三種原理對(duì)檢測(cè)對(duì)象的要求對(duì)比分析如表2。

2??在線檢測(cè)儀表工程應(yīng)用案例

2.1 ?催化燃燒原理可燃?xì)怏w探測(cè)器的應(yīng)用

圖2為某廠VOCs治理裝置采用催化燃燒原理的可燃?xì)怏w探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖。

催化燃燒原理的可燃?xì)怏w探測(cè)器可將可燃?xì)怏w爆炸下限濃度線性轉(zhuǎn)換成4～20?mA 模擬信號(hào)，與可燃?xì)怏w報(bào)警控制器、DCS或PLC設(shè)備構(gòu)成一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)安全保障的目的。催化燃燒可燃?xì)怏w探測(cè)器可配接一體安裝的訊響報(bào)警器，在氣體濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

圖3為某廠VOCs治理裝置采用催化燃燒原理的可燃?xì)怏w探測(cè)器的實(shí)例應(yīng)用圖。

該廠VOCs治理裝置處理的廢氣含多種可燃性氣體且各組分含量較低。工藝要求每間隔2～3?h需要檢測(cè)一次廢氣濃度。

選型依據(jù)：綜合考慮廢氣性質(zhì)、工藝要求、儀表價(jià)格及儀表自身技術(shù)指標(biāo)，該廠選用催化燃燒原理可燃?xì)怏w探測(cè)器檢測(cè)管道內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度以保障生產(chǎn)安全。

2.2??紅外吸收原理可燃?xì)怏w探測(cè)器的應(yīng)用

圖4為某廠VOCs治理裝置采用紅外吸收原理可燃?xì)怏w探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖。

紅外吸收原理的氣體探測(cè)器將所有電子器件都設(shè)置在防爆外殼內(nèi)，以便能對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。紅外吸收原理的氣體探測(cè)器輸出與0%～100%?LEL內(nèi)氣體濃度成正比的4～20 mA信號(hào)。通過(guò)RS-485輸出可提供各檢測(cè)點(diǎn)的位置、報(bào)警、出錯(cuò)等信息，便于操作。

圖5為某廠VOCs治理裝置采用紅外吸收原理可燃?xì)怏w探測(cè)器的實(shí)例應(yīng)用效果圖。

圖5中可以看到該廠VOCs治理裝置開(kāi)車運(yùn)行初期廢氣濃度為零，裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，從圖中標(biāo)記處開(kāi)始有廢氣出現(xiàn)。

該廠廢氣主要成分是碳?xì)浠衔?，工藝要求裝置運(yùn)行過(guò)程中必須實(shí)時(shí)檢測(cè)廢氣濃度。

選型依據(jù)：由于催化燃燒原理不能滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，激光二極管吸收原理只能檢測(cè)某一具體組分且價(jià)格相對(duì)比較昂貴，綜合考慮，該廠選用紅外吸收原理可燃?xì)怏w探測(cè)器。

2.3 ?激光二極管吸收原理氧分析儀的應(yīng)用

圖6為某廠VOCs治理裝置采用激光二極管吸收原理的氧分析儀結(jié)構(gòu)圖。

激光二極管原理氧分析儀利用非接觸式傳感器，可以在腐蝕性、磨損性、冷凝等多種嚴(yán)酷的工藝中進(jìn)行測(cè)量。激光模塊可現(xiàn)場(chǎng)更換，無(wú)需標(biāo)定或調(diào)整。

圖7為某廠VOCs治理裝置采用激光二極管吸收原理的氧分析儀實(shí)例應(yīng)用圖。

該廠廢氣成分中含有少量氧氣，工藝要求裝置運(yùn)行過(guò)程中要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廢氣中的氧含量對(duì)工藝過(guò)程的影響，對(duì)檢測(cè)器的響應(yīng)速度要求極高。

選型分析：由于激光二極管吸收原理的氧分析儀具有響應(yīng)速度快、傳感器壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，比催化燃燒可燃?xì)怏w探測(cè)器，紅外吸收可燃?xì)怏w探測(cè)器更符合要求，在整個(gè)工藝流程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)廢氣中的氧含量對(duì)工藝過(guò)程的影響。

3??結(jié)論與建議

本文對(duì)VOCs治理裝置中廢氣濃度的在線檢測(cè)儀表進(jìn)行選型指導(dǎo)分析，概述了催化燃燒原理、紅外吸收原理以及激光二極管吸收原理，對(duì)三種原理的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入剖析，并介紹了三種原理的工程應(yīng)用案例。不同檢測(cè)原理的在線分析儀表各有優(yōu)缺點(diǎn)，所適用的測(cè)量對(duì)象和工況也不相同。對(duì)于VOCs治理過(guò)程中在線廢氣濃度檢測(cè)儀表的選型建議如下：

（1）當(dāng)VOCs治理裝置中廢氣組分不確定時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用催化燃燒式可燃?xì)怏w探測(cè)器。

（2）當(dāng)VOCs治理裝置中廢氣組分主要是碳?xì)浠衔飼r(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用紅外吸收式可燃?xì)怏w探測(cè)器。

（3）當(dāng)VOCs治理裝置中需要監(jiān)測(cè)被測(cè)氣體的氧濃度對(duì)工藝過(guò)程造成的影響時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用基于激光二極管吸收原理的氧分析儀。

（4）在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮被測(cè)氣體的組成、工藝條件、安全控制、儀表自身技術(shù)指標(biāo)及儀表價(jià)格等進(jìn)行合理選型。

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