石化厂区气体监测方案
发布时间：2015-12-11
随着经济的发展，我国对能源的需求不断扩大，而石油作为最重要的能源，我国加快了对油气资源的开发利用。油气的开采、运输以及加工利用的过程都会对生态造成影响。针对石化企业对大气环境的影响，对石化厂区内气体进行监测，以保证石化企业的正常生产对周边其他厂区、设施、居民区等影响较小。
一、功能需求
石化工业废气的主要来源有：石油化学工业中的炼油厂和石化厂的加热炉和锅炉燃烧排放的燃烧废气；生产装置生产不凝气，驰放气和反映中产生的副产品等过剩气体；轻质油品，挥发性化学药品和溶剂在贮运过程中的挥发、泄漏；废水和废弃物的处理和运输过程中散发的恶臭和有毒气体；以及石化工厂再生产原料和产品运输过程中的挥发和泄漏散发出的废气。
石油炼制行业产生的废气主要有：
（1）氧化沥青尾气：苯并芘；
（2）催化再生废气：SO2，CO，CO2，尘；
（3）燃烧烟气：SO2，NOX，CO，CO2，尘；
（4）含硫废气：SO2，H2S，氨。
石油化工行业产生的废气主要有：
（1）臭气：SO2，硫化醇，酚；
（2）燃烧烟气：SO2，NOX，CO，CO2，尘；
（3）工艺废气：烷烃，烯烃，环烷烃，醇，芳香烃，醚酮，醛，酚，酯，卤代烃，氰化物。
合成纤维行业产生的废气主要有：
（1）含烃废气：总烃；
（2）燃烧烟气：SO2，NOX，CO，CO2，尘；
（3）刺激性废气：甲醇，甲醛，乙醛，除酸，环氧乙烷，已二胺，对本二甲酸，二甲酯。
石油化肥行业产生的废气主要有：
（1）工艺废气：CH4，H2S，氨，SO2，NOX，CO，CO2，尘，尿素。
（2）燃烧烟气：SO2，NOX，CO，CO2，尘。
所有石化行业的污水处理场在脱除污水中的油、COD、氨氮等污染物的同时，产生了严重的恶臭污染，其散发到大气中的污染物主要有：挥发性有机物，H2S，有机硫化物、氨，这些物质嗅觉阈值低，对人体危害大。
石化工业废气排放后，污染物受到空气的稀释和扩散，对周围的环境空气造成了一定的污染，且增加了环境的纳污负担，所以需要定期监测周围环境空气中的污染物浓度。
石化厂区环境空气监测：对石化厂区域内的环境空气进行监测。监测的气体可分成两大类，第一类是根据国家标准需要进行监测的气体，如：SO2，NO2，CO；监测气体1小时平均浓度参照《环境空气质量标准》（GB3095-2012）二级标准要求，超限可进行报警。第二类是石化企业根据生产排放的废气，选择对周边厂区、居民区影响较大的气体或其它较关注的气体（如H2S、烷烃等），可以实时显示气体浓度，气体超限报警限可由企业自行设定。
二、监测方案设计内容
图 1 石化厂区环境空气监测示意图
厂区环境监测示意图如图1所示，假设厂区为2km见方，即厂区为边长2km的正方形（监测范围仅参考），厂房高10m。第一步，泄漏源识别，识别厂区内贮存和生产过程中可能产生易燃易爆、有毒有害气体泄漏的地方。第二步，标注所有监测点，规划气体采样管路。第三步，估算总管路与测量时间。
根据GB50493-2009石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计，若泄露源处于露天或敞开式厂房布置的设备区域内时，当采样点位于泄露源的全年最小频率风向的上风侧时，可燃气体采样点与泄露源的距离在15m内，有毒气体采样点与泄露源的距离在2m内。当采样点位于泄露源的全年最小频率风向的下风侧时，可燃气体采样点与泄露源的距离在5m内，有毒气体采样点与泄露源的距离在1m内。若泄露源处于封闭或者局部通风不良的半敞开厂房内时，每隔15m设置一个采样点，且采样点距其所覆盖范围内的任一泄露点在7.5m内。有毒气体采样点距泄露源在1m内。
根据GB50493-2009，采样点的安装高度由被监测气体的密度决定，采样管路示意图如图2所示。比主管道低的采样口主要采集比空气密度大的气体，且采样口要比泄露源低。比主管道高的采样口主要采集比空气密度小得气体，且采样口高度应高出泄露源0.5~2m。主管道的高度主要由泄露源的大致位置和高度决定。
图2 采样管路示意图
图3 厂区管路覆盖图
假设采样管为内径φ3mm的不锈钢管，1km主管路的体积为7L，除主管路外还有跟采样口连接的辅管路（假设抽气口20×2个，则辅路长20×5=100米，体积小于3L），则采用抽气速率为10L/min的采样泵，抽气时间≤1min。如图 3所示，2km见方的厂区，采用每台光声气体分析仪采用电磁阀切换2段抽气管路（可扩展至3段以上），每段管路长1km，抽气时间1min，则4台光声气体分析仪可以完全覆盖整个厂区的气体监测。
总管路=(1km+0.1km)×2×4=8.8km
光声气体分析仪的测量时间由测量的气体数量决定，平均每一种气体的测量时间为18s，若测量8种气体（实际测量气体为10种，还包括两种抗干扰气体H2O与CO2的测量），则测量时间为（8+2）×18s=3min。
考虑到冬天室外温度较低，避免管路冻裂，则管路外覆保温加热层，当测量到外界温度低于0℃时，对外覆层进行加热，加热器采用电池供电，并由气体分析仪远程控制。由于处于易燃易爆危险区，光声气体分析仪的防爆性能应符合GB3836《爆炸性气体环境用电器设备》的要求。
光声气体分析仪都配置了无线适配器模块，通过WIFI与监控中心进行数据通信，将分析仪给出的气体浓度反馈至监控中心。控制电磁阀对不同管道进行抽气，可以通过电磁阀通道编码识别其监测数据属于哪一个管道。同时对气体分析仪的数据加该气体分析仪的识别码，使传输到监控中心的数据能被识别属于哪一监控区的监测数据。
根据厂区所处的地理位置，风向等，还可利用上风口区域与下风口区域设置气体监测点，分析厂区内气体泄露情况。上风口监测点测量得到的气体浓度可以作为下风口监测点测量得到的气体浓度的分析参考值，若下风口的污染气体浓度比上风口的污染气体浓度高，则企业在生产过程中造成了一定的大气污染；若上风口的污染气体浓度比下风口的污染气体浓度高，则说明该污染气体是由上游企业生产造成的。
三、关键技术及先进性
3.1 石油化工气体检测现状
根据GB50493-2009石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范，烃类可燃气体可选用催化燃烧型或气体检测器，但当使用场所的空气中含有能使催化燃烧型检测元件中的的物质时，需选用抗毒性催化燃烧型探测器。在缺氧或高腐蚀性等场所，宜选用红外气体检测器。而硫化氢、氨气、一氧化碳气体可选用电化学型或半导体型探测器。苯气体可选用半导体型探测器。
催化燃烧式气体探测器属于高温传感器，利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，通过测量载体温度变化确定可燃性气体的浓度。具有成本低、结构简单、受背景气体和周围环境温度影响小、输出电信号大、信号处理和显示方便、易实现自动检测等优点。但其探测元件寿命短、检测参数单一、难以适应多种气体成分和多种环境参数的要求，而且存在一定的安全隐患。
电化学气体检测技术是目前检测有毒有害气体最常见和最成熟的检测技术。电化学气体探测器属于精密型传感器，通过与目标气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。通常采用两电极系统，其工作电极和对电极有一薄层电解液隔，当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流通过外电路流经两个电极，电流大小与气体浓度成正比。主要分为原电池型气体传感器和恒定电位电解池型气体传感器。在此方面国外技术领先，因此此类传感器大都依赖进口。现有的电化学探测器已经可以对几十种的无机类有毒有害气体进行检测。具有体积小、耗电小、线性和重复性较好，测量精度高，成本低，可以测量到气体累积浓度等优点。主要缺点是选择性差，易受干扰，动态范围小，易中毒，消耗型传感器寿命短、非消耗性传感器需要工作在有氧环境中，限制了在某些场合的应用。
半导体型探测器须针对特定被测气体，选用相应气敏元件及分析方法，将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出。气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。其中采用金属氧化敏感材料制作的半导体气敏元件具有灵敏度高、结构简单、坚固耐用等优点。但由于气敏元件一般会与标准元件组成测量电桥电路，其非线性及供电电压大小会对测量精度产生很大影响。此外，在检测时还需考虑现场温度、空气扰动等环境因素，需要采取补偿电路等措施。该方法适合对测量精度要求不高的场所。
3.2 光声光谱气体检测
光声光谱技术属于红外光谱技术，是一种理想的无背景噪声信号技术，具有较高灵敏度和良好选择性。与传统光谱分析方法不同，光声光谱技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式表现出来的那部分能量，即使在弱吸收的情况下，吸收能也可被微音器检测。与其它气体检测方法相比较，光声光谱技术的主要优点是：长期稳定性好、灵敏度高；不中毒，能在缺氧或高腐蚀性等场所正常工作；不消耗气样，如载气、标气；检测时间短，便于现场检测；适于多种气体成分的检测；系统结构简单。
测量原理：光声气体分析仪，采用世界领先的光声光谱技术，以黑体辐射源做光源，用硅MEMS悬臂梁作敏感元件，通过激光干涉仪测悬臂梁传感器的微位移以检测气体吸收产生的声压信号，并通过数字化锁相放大器进行信号解调，可以同时测量二十种以上ppb级痕量气体，非常适用于石化厂区周边环境气体监测，空气质量监测。测量原理图如图 4所示。
图4 测量原理图
图5 光声气体分析仪
技术指标：光声气体分析仪如图5所示，可检测SO2，NO2，CO，H2S，苯，烷烃等绝大部分石化工业废气，其技术指标如下：
测量下限：ppt~ppb；
响应时间：5秒至几分钟可设置；
动态范围：5个数量级；
重复性：测量值的1%；精度：2~5%；
温度稳定性：0°C~45°C内，环境温度的变化不会引起测量结果的漂移；
压力稳定性：0.3atm~1.5atm内，样气的压力变化不会引起测量结果的漂移；
重量：13kg；峰值功耗：30W；
尺寸：48.4cm×13.9cm×44cm。
电源：100~240VAC，50~60Hz。