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    石化廠區氣體監測方案
    發布時間:2015-12-11


      隨著經濟的發展,我國對能源的需求不斷擴大,而石油作爲最重要的能源,我國加快了對油氣資源的開發利用。油氣的開采、運輸以及加工利用的過程都會對生態造成影響。針對石化企業對大氣環境的影響,對石化廠區內氣體進行監測,以保證石化企業的正常生産對周邊其他廠區、設施、居民區等影響較小。


    一、功能需求


      石化工業廢氣的主要來源有:石油化學工業中的煉油廠和石化廠的加熱爐和鍋爐燃燒排放的燃燒廢氣;生産裝置生産不凝氣,馳放氣和反映中産生的副産品等過剩氣體;輕質油品,揮發性化學藥品和溶劑在貯運過程中的揮發、泄漏;廢水和廢棄物的處理和運輸過程中散發的惡臭和有毒氣體;以及石化工廠再生産原料和産品運輸過程中的揮發和泄漏散發出的廢氣。


      石油煉制行業産生的廢氣主要有:

      (1)氧化瀝青尾氣:苯並芘;

      (2)催化再生廢氣:SO2,CO,CO2,塵;

      (3)燃燒煙氣:SO2,NOX,CO,CO2,塵;

      (4)含硫廢氣:SO2,H2S,氨。


      石油化工行業産生的廢氣主要有:

      (1)臭氣:SO2,硫化醇,酚;

      (2)燃燒煙氣:SO2,NOX,CO,CO2,塵;

      (3)工藝廢氣:烷烴,烯烴,環烷烴,醇,芳香烴,醚酮,醛,酚,酯,鹵代烴,氰化物。


      合成纖維行業産生的廢氣主要有:

      (1)含烴廢氣:總烴;

      (2)燃燒煙氣:SO2,NOX,CO,CO2,塵;

      (3)刺激性廢氣:甲醇,甲醛,乙醛,除酸,環氧乙烷,已二胺,對本二甲酸,二甲酯。


      石油化肥行業産生的廢氣主要有:

      (1)工藝廢氣:CH4,H2S,氨,SO2,NOX,CO,CO2,塵,尿素。

      (2)燃燒煙氣:SO2,NOX,CO,CO2,塵。


      所有石化行業的汙水處理場在脫除汙水中的油、COD、氨氮等汙染物的同時,産生了嚴重的惡臭汙染,其散發到大氣中的汙染物主要有:揮發性有機物,H2S,有機硫化物、氨,這些物質嗅覺阈值低,對人體危害大。


      石化工業廢氣排放後,汙染物受到空氣的稀釋和擴散,對周圍的環境空氣造成了一定的汙染,且增加了環境的納汙負擔,所以需要定期監測周圍環境空氣中的汙染物濃度。


      石化廠區環境空氣監測:對石化廠區域內的環境空氣進行監測。監測的氣體可分成兩大類,第一類是根據國家標准需要進行監測的氣體,如:SO2,NO2,CO;監測氣體1小時平均濃度參照《環境空氣質量標准》(GB3095-2012)二級標准要求,超限可進行報警。第二類是石化企業根據生産排放的廢氣,選擇對周邊廠區、居民區影響較大的氣體或其它較關注的氣體(如H2S、烷烴等),可以實時顯示氣體濃度,氣體超限報警限可由企業自行設定。


    二、監測方案設計內容


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    圖 1 石化廠區環境空氣監測示意圖


      廠區環境監測示意圖如圖1所示,假設廠區爲2km見方,即廠區爲邊長2km的正方形(監測範圍僅參考),廠房高10m。第一步,泄漏源識別,識別廠區內貯存和生産過程中可能産生易燃易爆、有毒有害氣體泄漏的地方。第二步,標注所有監測點,規劃氣體采樣管路。第三步,估算總管路與測量時間。


      根據GB50493-2009石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計,若泄露源處于露天或敞開式廠房布置的設備區域內時,當采樣點位于泄露源的全年最小頻率風向的上風側時,可燃氣體采樣點與泄露源的距離在15m內,有毒氣體采樣點與泄露源的距離在2m內。當采樣點位于泄露源的全年最小頻率風向的下風側時,可燃氣體采樣點與泄露源的距離在5m內,有毒氣體采樣點與泄露源的距離在1m內。若泄露源處于封閉或者局部通風不良的半敞開廠房內時,每隔15m設置一個采樣點,且采樣點距其所覆蓋範圍內的任一泄露點在7.5m內。有毒氣體采樣點距泄露源在1m內。


      根據GB50493-2009,采樣點的安裝高度由被監測氣體的密度決定,采樣管路示意圖如圖2所示。比主管道低的采樣口主要采集比空氣密度大的氣體,且采樣口要比泄露源低。比主管道高的采樣口主要采集比空氣密度小得氣體,且采樣口高度應高出泄露源0.5~2m。主管道的高度主要由泄露源的大致位置和高度決定。


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    圖2 采樣管路示意圖


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    圖3 廠區管路覆蓋圖


      假設采樣管爲內徑φ3mm的不鏽鋼管,1km主管路的體積爲7L,除主管路外還有跟采樣口連接的輔管路(假設抽氣口20×2個,則輔路長20×5=100米,體積小于3L),則采用抽氣速率爲10L/min的采樣泵,抽氣時間≤1min。如圖 3所示,2km見方的廠區,采用每台光聲氣體分析儀采用電磁閥切換2段抽氣管路(可擴展至3段以上),每段管路長1km,抽氣時間1min,則4台光聲氣體分析儀可以完全覆蓋整個廠區的氣體監測。


      總管路=(1km+0.1km)×2×4=8.8km


      光聲氣體分析儀的測量時間由測量的氣體數量決定,平均每一種氣體的測量時間爲18s,若測量8種氣體(實際測量氣體爲10種,還包括兩種抗幹擾氣體H2O與CO2的測量),則測量時間爲(8+2)×18s=3min。


      考慮到冬天室外溫度較低,避免管路凍裂,則管路外覆保溫加熱層,當測量到外界溫度低于0℃時,對外覆層進行加熱,加熱器采用電池供電,並由氣體分析儀遠程控制。由于處于易燃易爆危險區,光聲氣體分析儀的防爆性能應符合GB3836《爆炸性氣體環境用電器設備》的要求。


      光聲氣體分析儀都配置了無線適配器模塊,通過WIFI與監控中心進行數據通信,將分析儀給出的氣體濃度反饋至監控中心。控制電磁閥對不同管道進行抽氣,可以通過電磁閥通道編碼識別其監測數據屬于哪一個管道。同時對氣體分析儀的數據加該氣體分析儀的識別碼,使傳輸到監控中心的數據能被識別屬于哪一監控區的監測數據。


      根據廠區所處的地理位置,風向等,還可利用上風口區域與下風口區域設置氣體監測點,分析廠區內氣體泄露情況。上風口監測點測量得到的氣體濃度可以作爲下風口監測點測量得到的氣體濃度的分析參考值,若下風口的汙染氣體濃度比上風口的汙染氣體濃度高,則企業在生産過程中造成了一定的大氣汙染;若上風口的汙染氣體濃度比下風口的汙染氣體濃度高,則說明該汙染氣體是由上遊企業生産造成的。


    三、關鍵技術及先進性


      3.1 石油化工氣體檢測現狀


      根據GB50493-2009石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規範,烴類可燃氣體可選用催化燃燒型或氣體檢測器,但當使用場所的空氣中含有能使催化燃燒型檢測元件中的的物質時,需選用抗毒性催化燃燒型探測器。在缺氧或高腐蝕性等場所,宜選用紅外氣體檢測器。而硫化氫、氨氣、一氧化碳氣體可選用電化學型或半導體型探測器。苯氣體可選用半導體型探測器。


      催化燃燒式氣體探測器屬于高溫傳感器,利用催化燃燒的熱效應原理,由檢測元件和補償元件配對構成測量電橋,在一定溫度條件下,可燃氣體在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發生無焰燃燒,通過測量載體溫度變化確定可燃性氣體的濃度。具有成本低、結構簡單、受背景氣體和周圍環境溫度影響小、輸出電信號大、信號處理和顯示方便、易實現自動檢測等優點。但其探測元件壽命短、檢測參數單一、難以適應多種氣體成分和多種環境參數的要求,而且存在一定的安全隱患。


      電化學氣體檢測技術是目前檢測有毒有害氣體最常見和最成熟的檢測技術。電化學氣體探測器屬于精密型傳感器,通過與目標氣體發生反應並産生與氣體濃度成正比的電信號來工作。通常采用兩電極系統,其工作電極和對電極有一薄層電解液隔,當氣體擴散進入傳感器後,在敏感電極表面進行氧化或還原反應,産生電流通過外電路流經兩個電極,電流大小與氣體濃度成正比。主要分爲原電池型氣體傳感器和恒定電位電解池型氣體傳感器。在此方面國外技術領先,因此此類傳感器大都依賴進口。現有的電化學探測器已經可以對幾十種的無機類有毒有害氣體進行檢測。具有體積小、耗電小、線性和重複性較好,測量精度高,成本低,可以測量到氣體累積濃度等優點。主要缺點是選擇性差,易受幹擾,動態範圍小,易中毒,消耗型傳感器壽命短、非消耗性傳感器需要工作在有氧環境中,限制了在某些場合的應用。


      半導體型探測器須針對特定被測氣體,選用相應氣敏元件及分析方法,將被測氣體濃度轉換爲與其成一定關系的電量輸出。氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結構及制作工藝密切相關。其中采用金屬氧化敏感材料制作的半導體氣敏元件具有靈敏度高、結構簡單、堅固耐用等優點。但由于氣敏元件一般會與標准元件組成測量電橋電路,其非線性及供電電壓大小會對測量精度産生很大影響。此外,在檢測時還需考慮現場溫度、空氣擾動等環境因素,需要采取補償電路等措施。該方法適合對測量精度要求不高的場所。


      3.2 光聲光譜氣體檢測


      光聲光譜技術屬于紅外光譜技術,是一種理想的無背景噪聲信號技術,具有較高靈敏度和良好選擇性。與傳統光譜分析方法不同,光聲光譜技術是監測物體吸收光能後産生的熱能中以聲壓形式表現出來的那部分能量,即使在弱吸收的情況下,吸收能也可被微音器檢測。與其它氣體檢測方法相比較,光聲光譜技術的主要優點是:長期穩定性好、靈敏度高;不中毒,能在缺氧或高腐蝕性等場所正常工作;不消耗氣樣,如載氣、標氣;檢測時間短,便于現場檢測;適于多種氣體成分的檢測;系統結構簡單。


      測量原理:光聲氣體分析儀,采用世界領先的光聲光譜技術,以黑體輻射源做光源,用硅MEMS懸臂梁作敏感元件,通過激光幹涉儀測懸臂梁傳感器的微位移以檢測氣體吸收産生的聲壓信號,並通過數字化鎖相放大器進行信號解調,可以同時測量二十種以上ppb級痕量氣體,非常適用于石化廠區周邊環境氣體監測,空氣質量監測。測量原理圖如圖 4所示。


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    圖4 測量原理圖


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    圖5 光聲氣體分析儀


      技術指標:光聲氣體分析儀如圖5所示,可檢測SO2,NO2,CO,H2S,苯,烷烴等絕大部分石化工業廢氣,其技術指標如下:

      測量下限:ppt~ppb;

      響應時間:5秒至幾分鍾可設置;

      動態範圍:5個數量級;

      重複性:測量值的1%;精度:2~5%;

      溫度穩定性:0°C~45°C內,環境溫度的變化不會引起測量結果的漂移;

      壓力穩定性:0.3atm~1.5atm內,樣氣的壓力變化不會引起測量結果的漂移;

      重量:13kg;峰值功耗:30W;

      尺寸:48.4cm×13.9cm×44cm。

      電源:100~240VAC,50~60Hz。

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