固定污染源废气挥发性有机物连续监测系统建设方案

一、背景

VOCs 被认为是臭氧、细颗粒物生成的共同前体物。随着经济的发展，由工业生产、居民生活等人为原因排放的VOCs总量在逐年增加，导致光化学烟雾、城市灰霾等复合大气污染问题日益严重。为此国家、省等各级环保部门相继出台了《重点区域大气污染防治“十二五”规划》、《表面涂装(汽车制造业)挥发性有机化合物排放标准》（DB44/816-2010）、《集装箱制造业挥发性有机物排放标准》(DB 44/1837-2016)等规定、标准明确将VOCs 列入大气污染防控的重点项目。

二、技术对比

目前，国内外对挥发性有机物进行监测的技术方法及优缺点比较如下：

 

测量方法	测量对象	优缺点
氢火焰离子化检测器	TCH/TVOC/NMTHC	对碳氢有机物相应十分灵敏，线性范围宽，稳定性强，而且结构简单，维护方便 ，已广泛应用于VOCS总量的监测，烟气中的氧气、水分以及含氮、氧或卤素原子的有机物均会对测试造成干扰和影响。
光离子化检测器（PID)	THC/TVOC	检测器体积小巧、无需辅助气休，常用手现场便携仪器使用：主要用手室内环境监测、应急监测、危险泄露气体预警、污染源追踪中TVOC含量的监测分析，能检测相应的VOCS种类和所使用的紫外灯能量有关，对不同化合物的相应系数也不同，对一些短链烷烃响应极低甚至无法检测到
催化氧化-非分散红外吸收（NDIR)	THC	技术稳定性和灵敏度不高，易受共存干扰物的影响，且在催化氧化过程中往往存在催化剂中毒、转化不完全、转化效率低等问题，因些目前在实际应用中并不多见
气相色谱法（GC)-FID/PID/质谱（MSD）	THC/TVOC/NMTHC/VOCs组分	检测灵敏度高，选择性强，可监测TVOC和VOCS单个组分，可同时分析多个组分：这一在线监测技术在欧美日韓等国已有广泛应用，并在我国部分经济发达城市得到引进，取行了良行的效果，不同之处是样品检测周期相对较长，响应速度相对较慢，另外配置 不同检测器其检测分析的组分、灵敏度、选 择性以及准确度和设备维护量差异较大
傅里叶变换红外光谱法（FTIR）	VOCs组分	检测技术成熟，检测VOCS种类较多，可同时分析多个组分；现场测量检测周期短，响应时间快；但其检测分析的灵敏度一般较色谱技术低，且光学器件维护成本高、维护量大
差分吸收光谱法（DOAS）	VOCs组分（苯系物）	检测技术成熟，可同时分析多个组分：一般现场采取非接触式直接连续测量，无需预处理，保证气体不失真，相应时间很快，可实现测量光路区域内的在线监则；但检测分析的灵敏度一般较色谱技术低，检测VOCS种类有限，目前主要是苯、甲苯等苯系物
离子迁移普法（IMS）	VOCs组分	检测灵敏度高，相比于质谱技术不需要真空系统，仪器结构简单，成本较低可测量浓度低腐蚀性高的气体；但该技术的特异性差，可测VOCS种类有限，干扰化合物较多，目前IMS作为便携式监测仪在应急监测、食品安全监测等领域有所应用
调谐激光吸收光谱法（TDLAS）	CH4等	检测灵敏度高，选 择性强，干扰很小；现场采取非接触式直接连续测量，无需处理，保证气体不失真，相应时间很快，实时性强，可实现测量光路区域内的在线监测；该技术单一光源一般只能完成单一组分测量

 

当前，针对VOCs监测国内仅出台了《固定污染源 挥发性有机物排放连续自动监测系统 光离子化检测器（PID）法技术要求》（DB44/T 1947-2016）、《固定污染源废气非甲烷总烃连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ 1013-2018）。比较之下，采用HJ 1013-2018标准去监测VOCs的方法可以较准确的利用甲烷、非甲烷总烃等数据表示VOCs、苯系物等数据，适合企业进行。

三、建设方案

3.1设备选型

根据《表面涂装(汽车制造业)挥发性有机化合物排放标准》（DB44/816-2010）、《集装箱制造业挥发性有机物排放标准》(DB 44/1837-2016)、《固定污染源废气非甲烷总烃连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ 1013-2018）要求，建成的挥发性有机物在线监测系统应可以连续监测甲烷、非甲烷总烃、苯、甲苯、二甲苯组分含量，并统计排放率、排放总量等。从而对测量到的数据进行有效管理、废气参数（温度、压力、流速、流量）等的测量功能。因此本方案选择华谊环保生产的HY/VOC-3000型挥发性有机物在线监测系统。该系统采用GC-FID联用的方法进行挥发性有机物的测量。系统具有如下特点：

Ø 全热法整体方案设计，适用于高温、高湿、高浓度、高粉尘等苛刻工况条件，从采样到分析全程高温伴热，有效减少样品损失，保证数据的真实可靠；

Ø 采样管路采用PTFE或惰性化金属弱吸附材质，伴热温度120℃（可调），有效减少采样管路对样品吸附造成的损失；

Ø 预处理方法符合美国EPA和国内有机废气测定标准，方法稳定可靠；

Ø 带有自清洁功能样品前处理装置，可有效对样品中的细颗粒物、水汽等杂质组分进行处理，避免对分析系统造成损坏；

Ø 系统自动气密性测试功能，可有效的进行系统气密性检测，保证测试结果的准确可靠；

Ø 采用气相色谱（FID）分析方法，符合国际和国内测量标准，除常规监测因子外，可提供特定检测因子应用方法开发；

Ø 拥有多种数据接口，可满足不同用户对监控数据的采集需求；

3.2主要技术参数

 

项目	指标
VOCs	甲烷	（0.1~1000）mg/m3
总烃	（0.05~10000）mg/m3
苯	（0~200）mg/m3
甲苯	（0~200）mg/m3
二甲苯	（0~200）mg/m3
定性重复性	RSD≤1%
定量重复性	RSD≤3%
量程漂移	≤±3%F.S./24h
线性误差	≤±3%F.S.
烟 气 参 数	温度	测量范围	（0~300）℃
测量精度	±0.2%F.S.
压力	测量范围	(-10~10)kPa
测量精度	±0.5%F.S.
流速	测量范围	(0~15)m/s，(0~40)m/s
测量精度	≤0.2%F.S.
数据采集与处理	集线器	8路模拟输入通道，8路数字输入通道， 1路RS485通讯接口
工控机	1路RS485通讯接口，6路RS232通讯接口
Windows 7操作系统
系统软件	HY/VOC-3000固定污染源挥发性有机物在线监测软件
输出	9路模拟量输出通道     1路RS485通讯接口     1路GPRS通讯接口
电源	220V AC/50Hz  1KW（不含伴热带、压缩机）
机柜尺寸	800mm*800mm*2100mm
机柜环境温度范围	(5~40)℃

 

3.3系统简介

HY/VOC-3000型挥发性有机物排放连续监测系统由VOCs在线监测系统、在线预处理系统、在线采样系统、温压流监测系统、氧气湿度监测系统以及数据采集与处理子系统组成。

HY/VOC-3000型系统示意图

如上图所示，VOCs在线监测系统由GC1000型VOCs在线分析仪进行监测，依据不同的监测需求，可以由HY/1000-10型总烃在线分析仪，HY/1000-20型甲烷非甲烷总烃在线分析仪，HY/1000-30型甲烷非甲烷总烃+苯系物在线分析，HY/1000-40型定制化监测分析仪实现。

烟气参数监测子系统包括烟气流速、烟气压力、烟气温度和烟气湿度的测量。烟气流速采用差压变送器测量，通过测量烟气流动中的全压和静压，换算得到烟气的流速。烟气温度采用铂电阻温度传感器测量。烟气湿度采用烟气水分仪进行测量。

数据采集与处理子系统由集线箱、HY/VOC-3000固定污染源挥发性有机物在线监测软件、企业DCS接口模块等构成。集线箱安装在户外的平台上，平台上的所有设备均由集线箱进行供电，同时集线箱接收所有设备的信号输出，通过内部的处理单元转换为工业现场经常使用的RS485与仪表间机柜内的工作站进行通信。HY/VOC-3000固定污染源挥发性有机物在线监测软件汇总所有的气体浓度信息和工作状态信息，具有生成报表、存储数据、查询历史记录、与环保部门联网通信等功能。

以下介绍HY/VOC-3000型系统仪表柜的前后面板，分别如下图所示。

HY/VOC-3000型系统仪表柜前面板

各部分所实现的功能如下：

l 工控机：进行HY/VOC-3000固定污染源挥发性有机物在线监测软件的操作，汇总所有的气体浓度信息和工作状态信息，具有生成报表、存储数据、查询历史记录、与环保部门联网通信等功能；

l VOCs在线分析仪：采用气相色谱方法进行挥发性有机物样品的在线分析检测；

l 氢气发生器：为色谱仪器仪提供干燥纯净的氢气；

l 零气发生器：为色谱仪提供干燥纯净的零级空气；

l 预处理控制面板：预处理控制面板上设有温度控制器、报警灯、运行/维护开关、反吹按钮等，用于对系统的监控和手动操作；

l 电控挡板：电控挡板后面为控制电磁阀、电控器件及相关管路，必要时打开进行维护；

HY/VOC-3000型系统仪表柜后面板

各部分所实现的功能如下：

l 采样预处理系统：由高温过滤器、高温气动阀、样气连接、标气连接湿度传感器模块等组成，实现气体的采样、反吹、标定等过程，采样预处理模块与VOCs分析仪无缝连接，整个样品传输过程，无冷点存在；

l VOCs在线分析仪：采用气相色谱方法进行挥发性有机物样品的在线分析检测；

l 氢气发生器：为色谱仪器仪提供干燥纯净的氢气；

l 零气发生器：为色谱仪提供干燥纯净的零级空气； 

l 气路控制系统：由过滤减压阀、电磁阀和气路组成，主要实现采样、反吹、标定等气路    

的控制；

l 气体出入口：HY/VOC-3000型系统各种气源的进出口，包括仪表风入口、标气入口、零气入口和排空气出口 。

3.3.1 VOCs在线监测系统

VOCS在线监测系统采用气相色谱技术进行样品中甲烷、总烃和苯系物样品的分析检测，在系统采样泵的作用下，样品进入到高精度定量环中进行定体积取样，并将样品平衡至大气压。通过阀切换，在载气的作用下，采集到的样品分别送入到各自的色谱柱中进行分离分析，被分离后的样品依次进入到氢火焰离子化检测器（FID）中进行检测，通过集成软件自动计算，自动得到各组分的色谱定性定量分析数据，

3.3.1.1采样预处理系统

HY/VOC-3000型系统的采样预处理系统由高温过滤器、高温气动阀、样气连接、标气连接、湿度传感器模块等组成，实现气体的采样、反吹、标定等过程，采样预处理模块与VOCs分析仪无缝连接，整个样品传输过程，无冷点存在；

HY/VOC-3000型系统预处理的流程如图2.2所示。

烟气经过高温采样探头和伴热管到达采样预处理系统，预处理系统内部高温加热，温度可调。温度与伴热管线温度、VOCs在线分析仪阀箱温度保持一致，保证样品经采样探头，伴热管线，进入到分析仪器内部时，无水汽及样品的冷凝。温度可以通过前面板上的温控器进行调节。

预处理系统内部集成高温过滤器，防止样品中的残留颗粒物进入到分析仪器，影响分析仪器的器件使用寿命。

高温气动阀主要用于系统反吹以及仪表标定时气路的控制，防止标定时，气体进入到伴热管线中，从而影响标定的准确性；

湿度传感器用于实时监测采集的样气的湿度，信号经集线器传输至HY/VOC-3000固定污染源挥发性有机物在线监测软件中进行读取和记录。

图2.2 HY/VOC-3000型系统采样流程

3.3.1.2 HY/1000型VOCs在线分析仪

HY-1000型VOCs在线分析仪，采用气相色谱-氢火焰离子化检测技术进行样品中各类VOCs样品在线分析检测。仪器采用高精密定量环进行样品的准确定量采集；通过阀切换，实现样品的采集及进样分析；样品经色谱柱分离后依次进入到FID中进行定量分析检测。

HY-1000型VOCs在线分析仪主要由气路控制模块、威廉希尔官方网站 控制模块、采样模块、分离模块、检测模块、数据显示模块、通讯模块等组成。实现VOCs的测量、显示以及通讯功能。HY-1000型VOCs在线分析仪的内部结构如图2.3所示。

HY-1000型VOCs在线分析仪内部结构示意图

各部分所实现的功能如下：

l 气路控制模块：用于载气、空气、氢气等所需气体的准确流量控制；

l 威廉希尔官方网站 控制模块：用于时序中所需要的阀控制操作，以及数据的采集及处理；

l 采样模块：用于样品的采集；

l 分离模块：用于VOCs样品的分离；

l 检测模块：用于VOCS样品的检测；

l 数据显示模块：用于实时数据的显示，以及仪器的参数设置、校准等人机交互操作；

l 通讯模块：用于检测结果、仪器状态参数的通讯传输。

HY-1000型VOCs在线分析仪具有一键式操作，使用和维护简单方便，易于上手。同时具有氢气保护、温度报警、浓度阈值报警、阀维护时间报警等，方便了解仪器的使用情况和状态，使用维护简单方便。

3.3.2烟气参数监测子系统

HY/VOC-3000型系统烟气参数监测子系统由差压变送器、皮托管、温度变送器、压力变送器、反吹系统等构成，主要测量烟气流速、温度、压力和湿度以及实现探头的反吹。各参数监测原理和指标如下：

3.3.2.1流速测量

Ø 仪    器：流速测量仪

Ø 型    号：TPF-1000

Ø 测量原理：皮托管加差压变送器（皮托管+差压变送器）

Ø 测量范围：（0～15）m/s到（0～40）m/s，可根据实际工况选择测量范围。

Ø 测量精度：≤±0.2%F.S.

Ø 输入电压：24V DC

Ø 输出电流：两线制（4-20）mA

Ø 插入长度：(200-2000)mm，或定制长度。

Ø 其它：表面喷涂特殊防腐材料（聚四氟）；配套安装法兰与螺栓垫片。    

Ø 反吹系统：包括SMC电磁阀、气嘴、三通等

Ø 输入电压：220V AC

流速传感器外观图

3.3.2.2压力测量

Ø 仪    器：压力变送器

Ø 仪器型号：TPF-1000

Ø 测量原理：压力传感器

Ø 测量范围：(-10～10)Kpa，（根据实际工况可选）

Ø 测量精度：±0.5%

Ø 输入电压：24V DC

Ø 输出电流：两线制(4-20)mA

3.3.2.3温度测量

Ø 仪    器：温度变送器

Ø 仪器型号：TPF-1000

Ø 测量原理：温度传感器

Ø 材质：WZP铂电阻。

Ø 测量范围：(0～300)℃（根据实际工况可选）

Ø 测量精度：±0.2%

Ø 输入电压：24V DC

Ø 输出电流：两线制(4-20)mA

Ø 插入长度：(200-2000)mm或定制插入长度。

Ø 其它：温度变送器套管外壳喷涂防腐材料（聚四氟），配套安装底座。

 

 

 

温度传感器外观图

3.3.3数据采集与处理子系统

数据采集与处理子系统由集线箱、上位机、HY/VOC-3000固定污染源挥发性有机物在线监测软件、企业DCS联网单元、数据远传单元等构成。

集线箱安装在户外的平台上，平台上的所有设备均由集线箱进行供电，同时集线箱接收所有设备的输出信号，通过内部的处理单元转换为工业现场经常使用的RS485协议传输到上位机。通过安装在上位机上的HY/VOC-3000固定污染源挥发性有机物在线监测软件监控查询所有测量信息和仪表工作状态信息。上位机软件可以同时生成国家环保部门要求的数据通过数据远传单元（GPRS、Internet等）传送到环保行政主管部门，上位机也可以连接DCS联网单元实现与企业内部的DCS联网。

数据采集与处理子系统示意图

3.4 安装要求

系统的安装分为室内和室外两部分的安装，室内安装包括仪表盘柜的就位、标气瓶的摆放以及固定、系统供电；

室外安装主要是伴热管连接、信号线的连接，平台采样探头、烟气参数探头的安装。各部件安装位置，各部件安装规范见技术要求。为了确保现场设备安装的顺利进行，我们制定了科学的安装施工流程，现场施工安装顺序为：

平台和扶梯、分析仪机房—电缆桥架—开启安装法兰孔—法兰安装或焊接—安装各部件—连接电缆、气管、电伴热管——设备通电调试—第三方检测比对验收—对客户培训—竣工。

平面图

根据企业实际情况，监测房及检测平台布置如上图。其中需新建至少9m2的监测房，用于放置系统主机。排气筒上扩建监测平台，便于安装探头。监测平台至监测房间布设伴热管及电气线路，用于信号传输及样气采集。

3.4.1平台安装要求

1）安装平台要求：

宽度＞1.1m，作防锈处理 ，

栏杆高度＞1.2m ,附合国家安全标准。

承载能力： 500公斤

在保持正常行人间距的情况下，满足四人（100Kg/每人）同时上下扶梯。

2) 开孔位置要求

取样点位于安装平台，系统共需3个监测孔（2个用于在线监测系统、1个用于环保手工比对监测用）。取样点的位置应根据不同的应用需要来选取，它对整个系统的采样测量有直接的影响。

A 环保监测应用：取样点的位置一般选在废气进入排气筒之前砖或钢结构的水平烟道中心线上；也可以安装在排气筒上。

B 环保部门对比测试用：比对监测孔应与取样探头保持0.5米以上的距离。测试口的内径应为100mm，应能够使环保部门的测试正常进行。

注意：选点时应考虑影响测量的因素：如温度、压力、流速的稳流段以及安装维护的安全、方便等等。

3）电缆桥架（如需铺设桥架，桥架费用及铺设买方负责）：

钢制桥架规格为150×75mm（如是线管，线管的内径不小于25mm），从平台到分析房一定要以不小于5°左右的下倾角沿程辅设，允许垂直段，以防积水堵塞采样管线，桥架直角接头边长不能小于0.5m.

3.4.2 分析小屋的要求

a) 尺寸：分析小屋的使用面积不小于9m2，室内净高2500mm～2800mm，放置体积为800mm*800mm*1600mm的机柜。

b) 墙体结构为实心砖砌，内外墙粉刷混泥土和白粉灰，小屋内地面铺设地砖；小屋墙顶实行混泥土现场浇灌平顶，进行防漏和隔热处理；

c) 小屋门需采用镀锌钢板夹层制作，开在宽边2000mm上，向外开启设计，需配置钢化玻璃观察窗（350*350），并配置逃生门锁。

d) 室内环境：CEMS分析柜对环境温度、湿度有一定要求，要求环境温度在20～35℃之间，相对湿度在80%以下，故分析小屋内需安装通风设施和空调（1P）；

e) 电源：220VAC、50Hz,10KW，接地可靠，一般接地电阻要求≤4欧姆。由用户接到分析小屋的电源分线箱内，电源分线箱内配置3个空气开关，规格分别为60A，30A，30A各一个；还有一组220V的电源插座。电源线通过缆沟进入到仪器分析柜的下面，分析柜与墙壁之间的距离不小于500mm。

f) 照明：考虑到CEMS分析柜安装、维护等日常操作，需安装照明，照明开关带三线或二线插座。

g) 在监测房内放置仪器位置的正上方，距离地面高度的2.5m处，为样气管路及电缆管路开孔，开孔尺寸为200*100mm，开孔数量1个；在机柜背面墙壁接近地面底部上开一孔，规格为ф50，作为废水废气排放口。

h) 气液接入、排放：在指定位置预留样气入口或冷凝液排放口。监测房中配备自来水及洗手盘，便于维修、检测人员使用。

i) 反吹气源：提供0.4～0.7MPa，洁净无油压缩空气，露点0℃，流量240L/min的反吹气源（压缩空气）并确保反吹气源长期不间断的提供，以保证设备的正常运行，气源管末端应安装G1/2”内螺纹球阀。

审核编辑 黄昊宇