淺談槽式光熱電站廢氣VOCs在線監測系統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

為落實生態環境部《關于加強重點排污單位自動監控建設工作的通知》（環辦環監〔2018〕25號），以及青海省生態環保廳轉發生態環境部辦公廳《關于印發（固定污染源廢氣中非甲烷總烴排放連續監測技術指南（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項目納入自動監控。為提高VOCs污染源自動監測數據質量，充分發揮在線監控系統在環境監管執法中的作用，VOCs在線監測系統的應用對裝置長周期穩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電企業在運行中的參數調整做了有效鋪墊。

1 廢氣的來源

光熱發電企業主要是指利用大規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，然后結合傳統汽輪機發電技術，達到發電的目的。太陽能熱發電電站主要由聚光系統（鏡場）、導熱系統、換熱系統、儲熱系統、蒸汽發生系統和發電系統、冷卻系統組成。

目前導熱系統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電系統中，導熱油是由兩個非常穩定的有機化合物組成，26.5%的聯苯（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 ℃，會發生凝結，當溫度超過400 ℃時，則會由于高溫的作用發生裂解現象，當導熱油裂解時，則會產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生廢氣[1]。

2 廢氣處理系統介紹

為排出導熱油循環系統中的廢氣，導熱油經密閉循環系統進入損耗放空罐，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生的高、低沸物進行分離，并回收合格導熱油。頂部的廢氣經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。

對于揮發性有機物的治理，光熱發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勢：（1）吸附快，微孔發達，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性有機物。

為保證VOCs排放符合國家排放標準，要根據在線數據及時更換吸附罐內的活性炭，確保VOCs數據穩定合格達標。

3 VOCs在線監測系統的構架

3.1 VOCs在線監測系統的組成

在線監測系統儀表（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絡通信接口，能夠接入工業以太網（TCP/IP協議）構成整個在線分析儀表系統（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，方便接線及調節控制溫度。采樣探頭采用高溫加熱采集系統。采用不銹鋼材質，不吸附有機物且不與待測有機物發生任何反應，采樣探頭設有遠程校準功能，可直接接入系統遠程校準氣體。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到分析小屋的分析機柜，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生冷凝，具備穩定、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，在高溫下產生化學電離，電離產生比基流高幾個數量級的離子，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，FID）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 數據采集、處理及數據傳輸系統

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監測，能夠實現環境污染物數據報表處理和數據傳輸，最終達到保護環境的目的。根據國家環保標準，揮發性有機氣體連續監測的數據采集和數據處理軟件，也可實時顯示整套VOCs監測系統的各項污染物參數和整套系統的運行情況，能夠直觀地看出廢氣污染物排放濃度，并且根據有關標準和方法，對數據進行篩選計算和統計，按照環保報表的格式自動生成日報表、月報表及年報表。監測數據進入主控站工控機，通過主控站上的監控軟件進行數據處理，生成能夠實時監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）等數據，并將長期保存。這些數據轉換成小時均值自動存入數據庫，自動進行數據統計，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/實時數據查詢，并能統計/打印報表。

各分析儀器與工控機均采用RS232/485數字信號進行傳輸，分析數據經工控機采集、轉換后通過數采儀接口并通過企業寬帶網絡傳輸至省環保部門監控中心及企業中控室，以便得到有效監控。

3.2 甲烷總烴監測子系統

非甲烷總烴監測子系統由采樣探頭、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系統組成圖

4 VOCs在線監測系統的標定及維護

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

4.1 VOCs在線監測儀的校準

標定校準流程為：查驗→校準→查驗。首先連續查驗，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在線監測儀的檢查和維護

VOCs在線監測系統需要定期檢查與維護，尤其是在一些工業園區內被測氣體或環境空氣存在腐蝕性氣體的場合，更應根據工況，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在線監測數據異常應急處理流程：發現在線監測儀器出現故障或數據顯示異常后，要及時上報并到現場進行處理。判斷數據異常原因，如果是操作、設備運行等原因造成的數據異常，由使用單位組織調整操作，保證數據恢復；如果是在線監測儀器故障，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測儀器測量污染物排放情況，用人工監測數據判定在線監測儀表數據的真實性后，再進一步開展有關故障排查與處理工作，如果在線監測儀器由于需要離線檢修等原因造成在線監測數據無法正常上傳至平臺，應立即聯系環境監測部門到現場進行人工比對，并按規范記錄數據，上報備案[4]。

5 光熱發電企業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電系統中，導熱油的作用是傳儲熱介質，始終在密閉系統中運行，如果導熱油系統無泄漏，且不超過參數運行，導熱油就基本不會氧化裂解，導熱油凈化系統將減少運行時間和次數，產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，防止導熱油各參數不超過系統設定的溫度保護值，是光熱發電企業減少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電企業應用在線監測系統，對運行過程中產生的一定量的含有VOCs的廢氣進行監測，合理調整環保設施的運行參數，以達到排放標準。以有機熱載體為介質的光熱發電企業，是結構簡單、成本較低、連續發電能力強的新能源支柱產業，只要合理應用相應的環保監測系統和有效的導熱油介質運行參數保護手段，以有機熱載體為介質的光熱發電企業是能夠實現國家“雙碳”目標，以及滿足能源、經濟、社會發展需求的。