VOCs治理过程中在线废气浓度检测仪表的选型分析

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摘      要： VOCs治理过程中废气浓度若积累到一定程度容易引发爆炸事故，造成人身伤害和经济损失，因此选择合适的仪表对废气浓度进行在线检测至关重要。对催化燃烧法，红外吸收法和激光二极管法的工作原理及性能指标进行了深入分析比较，并介绍了三种原理的工程应用案例，最后提出VOCs治理过程中在线废气浓度检测仪表的选型建议，以期供选用者参考。

关  键  词：VOCs治理;催化燃烧;红外吸收;激光二极管;选型分析

中图分类号：X 701       文献标识码： A       文章编号： 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

揮发性有机化合物（VOCs）是指常温下饱和蒸气压大于133.32 Pa，常压沸点小于260 ℃的有机化合物。VOCs按其化学结构可以分为烷烃类、芳烃类、烯烃类等^[1，2]。

石油化工生产过程中会产生大量的VOCs，这些具有刺激性气味的VOCs挥发到大气中不仅会给人类的健康带来危害，还会对生态环境造成严重的影响^[3-5]，因此，在VOCs治理过程中设置在线废气浓度检测仪表来检测环境中或管道内的废气浓度，当废气浓度超过一定限值会发出声光报警信号，提醒操作人员做出相应措施以保障生产安全至关重要。

VOCs治理过程中废气浓度的在线检测仪表有多种，在进行仪表选型分析时，需要根据不同的工艺测量条件、测量要求、安全控制、仪表价格及仪表自身技术指标等选择最适合当时工况的在线废气浓度检测仪表。一旦废气在线浓度检测仪表选型不合理会给VOCs治理过程带来严重的影响，甚至造成人员中毒事件和爆炸事故^[6-8]。

1  VOCs在线废气浓度检测仪表选型

目前VOCs治理过程中废气浓度的检测仪表主要有基于催化燃烧原理的可燃气体探测器、基于红外吸收原理的可燃气体探测器以及基于激光二极管原理的激光气体分析仪。本文主要对以上三种检测仪表进行探讨，从原理出发分析其性能指标，通过工程应用案例来例证选型的合理性，以期给选用者提供正确的选型参考。

1.1  VOCs废气浓度检测仪工作原理

1.1.1  催化燃烧原理

催化燃烧原理是利用传感元件接触可燃性气体时产生催化燃烧，传感元件温度随之升高，从而使元件的阻值增大，通过惠斯顿电桥检测电阻的变化来测定气体的浓度^[9]。

采用催化燃烧原理的优点主要有：

（1）当废气成分不确定时依然可以有效检测;

（2）探测器具有自动标定功能;

（3）使用方便;

（4）容易实现对温度的补偿。

催化燃烧原理的缺点主要有：

（1）采用低温催化无焰燃烧时间久了催化涂层会被烧掉，不能实现连续测量;

（2）催化燃烧反应过程需要一定的时间;

（3）样气中含有的硫、硫化氢、卤族元素等会导致催化剂中毒。

1.1.2  红外吸收原理

红外吸收原理是利用一些可燃性气体（碳氢化合物）对特定波长的红外辐射具有较强的吸收能力，通过测量红外能量的减少量从而得到可燃气体的浓度^[10]。

采用红外吸收原理的可燃性气体探测器的优点是价格相对较低、传感器寿命长、线性度好、响应速度快、长期工作稳定可靠、不受硫化氢等毒物干扰等。缺点是只能检测碳氢化合物、CO₂等对红外辐射能有明显吸收能力的气体，样气要求洁净，不能有粉尘及水蒸气等影响光路的成分，标定时通常使用的是50% LEL的甲烷，全量程标定需要与厂家沟通定制标气。

1.1.3  激光二极管吸收原理

激光二极管吸收原理由激光发射模块发出激光束穿过被测气体，光电传感模块中的探测器进行接收，分析控制模块对获得的测量信号进行数据采集和分析后得到被测气体浓度^[11]。通過测量激光强度衰减可以分析获得被测气体的浓度，光强度的衰减与探测光程之间的被测气体含量成正比^[12]。

VOCs项目中通常采用激光二极管吸收原理用于废气进口的氧含量分析而没有用于烃浓度的检测。激光二极管吸收原理的优点是可进行现场分析或取样分析、响应速度快、智能化程度高、维护方便、样气不洁净不会影响仪表本身;缺点是，测量过程中只能检测某一种气体组分如O₂、CO、CH₄等，安装时有管径和长度的最低要求，需要氮气持续吹扫，体积大，价格贵，需要温度压力补偿，不适合小的实验装置等。

1.2  检测仪表性能指标

三种原理主要性能指标对比分析如表1。

表1中列举了催化燃烧原理，红外吸收原理，激光二极管吸收原理的主要性能指标。从测量范围、响应时间、传感器寿命、价格、精确度五项性能指标中能够清晰地看到三种原理自身的优势与劣势，分析其性能指标如图1所示。

图1中形象地将三种原理的性能指标进行表示，可以以此为选型参考依据。

下面将三种原理对检测对象的要求对比分析如表2。

2  在线检测仪表工程应用案例

2.1  催化燃烧原理可燃气体探测器的应用

图2为某厂VOCs治理装置采用催化燃烧原理的可燃气体探测器的结构图。

催化燃烧原理的可燃气体探测器可将可燃气体爆炸下限浓度线性转换成4～20 mA 模拟信号，与可燃气体报警控制器、DCS或PLC设备构成一个检测系统，以实现安全保障的目的。催化燃烧可燃气体探测器可配接一体安装的讯响报警器，在气体浓度超过设定值时，发出声光报警信号。

图3为某厂VOCs治理装置采用催化燃烧原理的可燃气体探测器的实例应用图。

该厂VOCs治理装置处理的废气含多种可燃性气体且各组分含量较低。工艺要求每间隔2～3 h需要检测一次废气浓度。

选型依据：综合考虑废气性质、工艺要求、仪表价格及仪表自身技术指标，该厂选用催化燃烧原理可燃气体探测器检测管道内可燃气体的浓度以保障生产安全。

2.2  红外吸收原理可燃气体探测器的应用

图4为某厂VOCs治理装置采用红外吸收原理可燃气体探测器的结构图。

红外吸收原理的气体探测器将所有电子器件都设置在防爆外壳内，以便能对检测数据进行现场处理。红外吸收原理的气体探测器输出与0%～100% LEL内气体浓度成正比的4～20 mA信号。通过RS-485输出可提供各检测点的位置、报警、出错等信息，便于操作。

图5为某厂VOCs治理装置采用红外吸收原理可燃气体探测器的实例应用效果图。

图5中可以看到该厂VOCs治理装置开车运行初期废气浓度为零，装置运行一段时间后，从图中标记处开始有废气出现。

该厂废气主要成分是碳氢化合物，工艺要求装置运行过程中必须实时检测废气浓度。

选型依据：由于催化燃烧原理不能满足实时检测的要求，激光二极管吸收原理只能检测某一具体组分且价格相对比较昂贵，综合考虑，该厂选用红外吸收原理可燃气体探测器。

2.3  激光二极管吸收原理氧分析仪的应用

图6为某厂VOCs治理装置采用激光二极管吸收原理的氧分析仪结构图。

激光二极管原理氧分析仪利用非接触式传感器，可以在腐蚀性、磨损性、冷凝等多种严酷的工艺中进行测量。激光模块可现场更换，无需标定或调整。

图7为某厂VOCs治理装置采用激光二极管吸收原理的氧分析仪实例应用图。

该厂废气成分中含有少量氧气，工艺要求装置运行过程中要实时监测废气中的氧含量对工艺过程的影响，对检测器的响应速度要求极高。

选型分析：由于激光二极管吸收原理的氧分析仪具有响应速度快、传感器寿命长的优点，比催化燃烧可燃气体探测器，红外吸收可燃气体探测器更符合要求，在整个工艺流程中能够实时监测废气中的氧含量对工艺过程的影响。

3  结论与建议

本文对VOCs治理装置中废气浓度的在线检测仪表进行选型指导分析，概述了催化燃烧原理、红外吸收原理以及激光二极管吸收原理，对三种原理的优缺点进行了深入剖析，并介绍了三种原理的工程应用案例。不同检测原理的在线分析仪表各有优缺点，所适用的测量对象和工况也不相同。对于VOCs治理过程中在线废气浓度检测仪表的选型建议如下：

（1）当VOCs治理装置中废气组分不确定时，应优先选用催化燃烧式可燃气体探测器。

（2）当VOCs治理装置中废气组分主要是碳氢化合物时，应优先选用红外吸收式可燃气体探测器。

（3）当VOCs治理装置中需要监测被测气体的氧浓度对工艺过程造成的影响时应优先选用基于激光二极管吸收原理的氧分析仪。

（4）在实际设计中，需要综合考虑被测气体的组成、工艺条件、安全控制、仪表自身技术指标及仪表价格等进行合理选型。

参考文献：

[1]卢娟丽. VOCs废气来源、危害及处理技术研究[J]. 环境与发 展， 2018， 30 （03）： 97+116.

[2]李慧颖.挥发性有机物（VOCs）回收技术研究[J].石化技 术，2018，25（09）：108.

[3]吕华芳. VOC的成因及治理措施[J]. 环境与发展，2018， 30（09）：45+47.

[4]刘忠生，廖昌建，王宽岭，等. 炼化行业VOCs废气治理典型技术 与工程实例[J]. 炼油技术与工程， 2017.

[5]刘忠生， 王海波， 王新，等. 炼油厂储罐VOCs和恶臭治理新技 术[J]. 炼油技术与工程， 2018， 48（6）.

[6]赵恒，张学军，宋忠贤，马子昂，赵敏，赵井岗.挥发性有机物治理技术 研究进展[J].石油化工，2019，48（03）：318-325.

[7]陆国平.催化燃烧与红外吸收原理可燃气体探测器探讨[J].化工与 医药工程，2014，35（03）：61-64.

[8]Guo-Ning Z ， Zheng-Ping H ， Mei J ， et al. Study on Foreign Regulations and Standards of Stationary Sources VOCs Emission Control [J]. Environmental Science， 2011， 32 （12）： 3501.

[9]苗金明， 趙阿民， 王永宁. 石油化工生产中使用可燃性气体检测 报警仪表若干问题的探讨[J]. 中国安全科学学报， 1996（s1）： 50-54.

[10]陆国平.催化燃烧与红外吸收原理可燃气体探测器探讨[J]. 化工 与医药工程，2014，35（03）：61-64.

[11]曾繁华， 田英民. 激光分析仪在富氧检测中的应用[J]. 自动化与仪器仪表， 2018（1）：160-162.

[12]曾繁华. 激光分析仪谱线自校正技术研究[J]. 仪表技术， 2018 （08）： 48-49.

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