光离子化检测技术在冶金焦化行业的应用

吴海光

煤炭的主要加工方法是高温炼焦,从而提取有用的化学产品,回收可燃气体。在生产过程中,多种有机蒸气对工作人员的健康造成慢性侵害。同时,大量有机和无机挥发物的泄露也会对环境带来严重污染,造成能源和资源的双重浪费。

国家质检总局、国家标准化委员会颁布的国家标准GB 12710-2008《焦化安全规程》将于2009年12月1日开始实施,新规程将取代GB 12710-1991《焦化安全规程》,在焦化气体监控方面新增了7种有机化合物和2种氮、硫氧化物的检测。总体来看,新标准对职业安全与健康、环保提高了要求,特别是对于职业健康,新标准增加了7种致癌物质浓度的限制。在环保方面,新标准对主要大气污染物的氮、硫氧化物浓度有了更严格的限制。本文通过介绍总挥发性有机化合物(TVOC)工作场所限值标准及检测方法、光离子化检测技术(PID)在有机挥发物检测方面的特点,介绍一种冶金焦化行业保护职工健康、避免环境污染的方法。

TVOC限值标准及检测方法

GB 12710-2008《焦化安全规程》对焦化工作场所空气中有毒物质容许浓度的规定如表1所示。

从表1中可以看出,新标准增加了苯逸散物和焦挥发物,它们的主要成分是多种挥发性有机化合物的混合物,即TVOC。

目前,常用的有机挥发物的检测方法主要有电化学传感器、半导体氧化物传感器、红外传感器和最新技术的光离子化传感器(PID)。在以上几类检测技术中,由于挥发性有机化合物(VOC)的理化特性,电化学方法只能检测其中小部分有机化合物,而且其使用寿命也无法满足客户实际使用的要求;半导体氧化物传感器的检测灵敏度较高,但由于其对碳、硫、氮氧化物有较大的响应,而不能用于焦化行业;红外方法的检测稳定性、选择性较好,但无法检测多种气体;煤焦化混合芳烃中含有几十种有机物,他们的化学性质差异较大,而PID检测技术是无损坏的物理检测技术,抛开化学性质的差异,以物理(电离)的方法对多种有机化合物如苯、甲苯、二甲苯、萘、酚、酮等进行准确检测,检测精度可达1×10-9(1ppb)水平,是目前首选的VOC检测技术。

光离子化检测技术原理

光离子化检测器由调制电场、无极紫外光源和电离室组成,中间由可透紫外光的光窗相隔。在电离室内,待测组分的分子吸收紫外光能量发生电离,选用不同能量的紫外灯(9.8eV,10.6eV,11.7eV),可选择性地测定各种有机化合物。有机化合物的分子在紫外光的激发作用下电离成为正负离子,在电场的作用下,在电极间发生迁移产生的电流与气体浓度成正比,高精度检测电路对变化的信号进行运算处理,实时得出现场检测数据。

光离子化检测器对大多数有机物可产生响应信号,不但具有较高的灵敏度,还可简便地对样品进行快速检测处理。在分析如芳烃和烯烃时,其响应灵敏度可比火焰离子化检测器高约30倍。此外,光离子化检测器还具有较宽的线性范围,无极紫外灯、电离室、电极体积小,适合便携式和固定式在线监测。它是一种非破坏性检测器,还可和色谱仪(GCRAE1000)联用,以获取更加精确的信息。它可在常压下进行操作,不需使用氢气、氮气等,简化了附属设备,实现了本质安全;检测范围非常宽,响应时间小于10s,无检测记忆,恢复快。

光离子化检测器(RAEGuard PID),检测量程0～100×10-6(100ppm)对焦化有机蒸汽的校正系数(CF)见下表2。

光离子化检测技术在冶金焦化企业的应用

煤焦油是焦化工业的重要产品之一,其组成极为复杂。常温下煤焦油是一种黑色黏稠液体,主要由多环芳香族化合物组成,高沸点组分较多,热稳定性较好,其中的烷基芳烃最易挥发,以苯为代表的烷基芳烃是污染物检测的重点。低浓度TVOC有毒,会抑制人体造血功能,能致使白细胞、红细胞和血小板的减少而造成多种疾病;高浓度时对皮肤和黏膜有局部刺激作用,吸入或经皮肤吸收可引起中毒,严重者将导致中毒死亡。TVOC也属于典型的致癌物质。

从TVOC的危害可以看出,低浓度影响人员的健康;中等浓度导致人员患慢性疾病;较高浓度还会导致爆炸事故。因此,大范围监测环境TVOC浓度是焦化企业解决安全、健康、环保的重要手段。根据GB 12710-2008《焦化安全规程》的要求,在新建项目和技改项目的实施上,或在原有系统的基础上应增加TVOC检测器——PID。PID技术可以解决新标准规定的9种焦化有机气体的检测,使企业对环境污染的程度从定性的了解向定量的管理转变,这也是一项“HSE”的对企业管理的基本要求。

各国TVOC标准基本在以下范围:

环境:0.1×10-9(0.1ppb)～1×10-6(1ppm)

健康:0.1×10-6(0.1ppm)～100×10-6(100ppm)

爆炸:1000×10-6(1000ppm)～10000×10-6(10000ppm)

冶金焦化行业在仪器的选择上,应根据检测目的决定仪器的量程配置。根据中国冶金企业的特点,0.1×10-6(0.1ppm)～100×10-6(100ppm)量程范围适合大多数企业环境。对于苯灌区等重大危险源的监控应选择在线式(固定式)宽量程的检测仪器,检测量程范围选择1000×10-6(1000ppm)的产品,根据企业的环境情况设置相应的报警点,这个范围既可以兼顾防范人员中毒,又可以检测意外的大量泄漏,避免爆炸事故的发生。

焦化污染及职业危害是冶金企业环境与劳动保护问题的重点,不仅给企业职工健康造成危害,还影响到周边生活区居民的健康,PID检测技术(见图1)将为保障职工的职业健康,建立劳动保护与环境级检测系统防范污染物扩散,发挥它的优势。

编辑韩 颖