CN110412216B - 一种VOCs浓度的在线测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种VOCs浓度的在线监测方法，具体过程为：测量采样气体温度及压力；加热预处理采样气体；预热后的采样气体进入传感器，在传感器催化剂表面进行催化反应，采集催化反应前后传感器的温度；根据采集的参数进行气体浓度的计算；当所计算的浓度超过设定的阈值时，发出报警信号。该方法过程简洁、操作简单、可靠性强且成本低，以克服现有产品无法直接应用在工业生产领域VOC集中治理装置上的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)浓度的在线测量方法，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域。
背景技术
VOCs是指那些沸点等于或小于250℃的有机化学物质，一般来源于燃料的燃烧、建筑材料(如人造板、泡沫隔热材料)、有机溶剂等。在工业生产过程中大量使用有机溶剂产生的VOCs气体严重危害自然环境，破坏生态平衡，对人类生命健康也有直接影响。因此，厂区内通常需要设置VOCs集中处理装置。VOCs 集中治理装置通常采用焚烧或者催化氧化的方法使VOCs分解，因此，当装置内可燃气体浓度达到爆炸极限时，存在爆燃风险，严重威胁安全生产和操作人员的生命。加装VOCs浓度测量装置，可对爆炸风险进行实时评估，操作人员可参考预警情况对生产条件进行合理调控，保障安全生产。
目前，VOCs浓度测量装置主要是基于光离子化检测器和色谱分析法，需要复杂的预处理设备，不便操作，作为工业过程控制产品使用时不利于现场工人使用。维护周期短，需要频繁测试传感器工作状态，传感器易损，很难在恶劣的生产线上维持长久的寿命。两种检测器成本较高，维护费用更是不菲。
因此，提供一种过程简洁、操作简单、可靠性强且成本低的VOCs气体浓度在线监测方法，成为该领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种VOCs浓度的在线监测方法，该方法过程简洁、操作简单、可靠性强且成本低，以克服现有产品无法直接应用在工业生产领域 VOC集中治理装置上的问题。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种VOCs浓度的在线监测方法，具体过程为：
测量采样气体温度及压力；
加热预处理采样气体；
预热后的采样气体进入传感器，在传感器催化剂表面进行催化反应，采集催化反应前后传感器的温度；
根据采集的参数进行气体浓度的计算；
当所计算的浓度超过设定的阈值时，发出报警信号。
进一步地，本发明所述浓度为根据公式(I)和(II)进行计算：
C＝K×(T2-T1)(I)
K＝K1×P/(1+K2×T)(II) 其中，T1为化合反应前样气温度，T2为化合反应后样气温度，K为温升表征参数； P为取样气压力，T为取样气温度，K1、K2为传感器结构参数。
一种VOCs浓度的在线监测方法，具体过程为：
设置在线监测单元，包括压力传感器、卡套四通、一号热电偶、预热加热器、预热处理器、二号热电偶、卡套三通、传感器加热器、传感器以及三号热电偶；其中，
卡套四通的一个接头作为采样气体的进气口，其余三个接头分别连接一号热电偶、风压传感器高压端及预热处理器的一端，预热处理器外部安装预热加热器；所述预热处理器的另一端连接卡套三通，所述卡套三通的剩余两接头分别连接二号热电偶和传感器，其中所述二号热电偶利用反卡接头从卡套三通的接头插入至预热处理器中，其顶端与预热处理器出口平齐，所述传感器加热器安装于传感器表面；传感器出口连接四通连接器，所述四通连接器其余三个接头中的一个作为尾气排气口，另外两个分别连接分压传感器低压端和三号热电偶，其中三号热电偶通过反卡接头插入至传感器内部催化敏感材料表面；
通过三号热电偶预先测量传感器的温度T1；
通过取样管道将样气引入在线监测单元，通过控制阀门开度调节气体流量，利用压力传感器和一号热电偶监测样气的压力P及温度T；
采用预热加热器预热采样气体至100～400℃，二号热电偶监测采样气体的温度；
样气进入传感器和氧气催化化合反应放出大量的热，测量化合反应后传感器的温度T2；
根据测量的参数，计算样气中VOCs气体的浓度。
尾气排空或返回至集中治理管线中。
进一步地，本发明所述传感器的催化剂以Al2O3作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4％、 0.45％、0.35％；或所述传感器的催化剂以Al2O3作为载体，Pt、Pd、Rh为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3％、 0.7％、0.3％。
有益效果
第一，本发明方法使VOCs气体和氧气在高温下发生催化化合反应，通过监测反应温升计算可燃气体浓度，应用该方法开发浓度监测装置结构简洁，响应速度快、准确度高，安全可靠，测量范围大，特别适合高浓度VOCs浓度测量。
第二，本发明采用过量填充高稳定性气体敏感材料，可使维护周期短，寿命长；所述方法集成样品气体预热步骤、集成压力补偿算法，测量精度不受环境条件变化发生衰减。
第三，本发明不对外排放有害气体，全部尾气可充分分解降温后排空或返回至主管道，不对环境造成不良影响。
第四，本发明适合在VOCs集中治理装置上测量VOCs浓度的方法，该方法不受测量环境内的温度、压力变化影响，能够准确测量高浓度VOCs气体浓度。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明方法的功能结构组成图。
图3为本发明在线监测单元示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本发明实施例提供一种VOCs浓度的在线监测方法，方法流程如图1所示，功能结构组成图如图2所示，监测过程为：测量采样气体温度及压力；加热预处理采样气体；预热后的采样气体进入传感器，在传感器催化剂表面进行催化反应，采集催化反应前后传感器的温度；根据采集的参数进行气体浓度的计算；当所计算的浓度超过设定的阈值时，发出报警信号。
本发明实施例可以设置在线监测单元、计算单元，利用在线监测单元实现 VOCs气体的在线监测，具体监测过程为：在VOCs集中治理装置上风机进出口位置，使待测气体通过自身正压强迫流动至在线监测单元，通过热电偶及压力传感器测量进气温度及压力，以定量计算取样流量；待测气体经过预热器加热至分解温度，进入传感器；传感器中催化剂催化VOCs气体及氧气发生氧化复合反应生成水及二氧化碳并释放热量，监测传感器温升，定量计算待测气体浓度，并在显示屏幕输出。利用监测单元监测过程的详细的步骤如下：
一，通过采样管道在VOCs处理装置风机后主管道采样气体，所述采样管道外部缠绕保温层，连接VOCs监测单元与处理装置，通过处理装置内部压力强迫气体扩散至VOCs监测单元，所述取样管道为不锈钢管，长度5m，直径10mm。
二，采样气体被输送到监测单元后，测量采样管道气体温度及压力，传输至信号计算单元。所述温度及压力采集部件为K型热电偶及压力传感器，具备信号上传功能，上传信号为0～5V。
三，通过计算单元控制监测单元加热预处理采样气体。所述加热器为管道加热器，加热效果通过K型热电偶及PID调节器进行控制；加热出口温度300℃。
四，采样气体进入传感器在催化剂表面进行催化反应发生分解，释放热量加热传感器，通过热电偶监测传感器反应温升，热电偶监测到的反应温度传输至信号计算单元；具体地，所述催化剂为能够使VOCs气体和氧气发生反应的催化剂，但是不限于一种催化剂；例如：第一种催化剂，以Al2O3作为载体，Co、 Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4％、0.45％、0.35％；第二种催化剂，以Al2O3作为载体，Pt、Pd、Rh 为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3％、0.7％、0.3％；所述热电偶为K型热电偶。
五，信号计算单元对采集的采样气体压力、温度及在传感器中的反应温度进行分析并计算VOCs浓度，采用式(I)、(II)进行计算，得到浓度C；所述信号计算中心采用可编程控制器(PLC)，将计算结果传输至操作台显示屏显示测量及计算结果，采用蜂鸣器进行浓度超出报警。
C＝K×(T2-T1)(I)
K＝K1×P/(1+K2×T)(II) 其中，T1为化合反应前样气温度，T2为化合反应后样气温度，K为温升表征参数，其由公式II计算获得；P为取样气压力，T为取样气温度，K1、K2为传感器结构参数，取值分别为1×104、3×103。
六，通过保温管道使尾气排空或返回至VOCs集中处理装置风机前主管道；所述保温管道为不锈钢管。
本发明实施例还较佳的设计监测单元，如图3所示，包括压力传感器1、卡套四通4,12、一号热电偶5、预热加热器6、预热处理器7、二号热电偶8、卡套三通9、传感器加热器10、传感器11以及三号热电偶13；其中，
卡套四通4的一个接头作为采样气体的进气口，其余三个接头分别连接一号热电偶5、压力传感器1高压端及预热处理器7的一端，预热处理器7外部安装预热加热器6；所述预热处理器7的另一端连接卡套三通9，所述卡套三通9 的剩余两接头分别连接二号热电偶8和传感器11，其中所述二号热电偶8利用反卡接头从卡套三通9的接头插入至预热处理器7中，其顶端与预热处理器7 出口平齐，所述传感器加热器10安装于传感器10表面；传感器11出口连接四通连接器12，所述四通连接器12其余三个接头中的一个作为尾气排气口，另外两个分别连接分压传感器1低压端和三号热电偶13，其中三号热电偶13通过反卡接头插入至传感器11内部催化敏感材料表面；
通过三号热电偶13预先测量传感器的温度T1；
通过取样管道将样气引入在线监测单元，通过控制阀门开度调节气体流量，利用压力传感器1和一号热电偶5监测样气的压力P及温度T；
采用预热加热器6预热采样气体至100～400℃；
样气进入传感器和氧气催化化合反应放出大量的热，测量化合反应后传感器的温度T2；
根据测量的参数，按照公式(I)(II)计算样气中VOCs气体的浓度。
尾气排空或返回至集中治理管线中。
本发明实施例所述中风压传感器1的高压端和低压端通过软管2及软管接头与卡套四通的接头连接。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种VOCs浓度的在线监测方法，其特征在于，具体过程为：
测量采样气体温度及压力；
加热预处理采样气体；
预热后的采样气体进入传感器，在传感器催化剂表面进行催化反应，采集催化反应前后传感器的温度；
根据采集的参数进行气体浓度的计算；
当所计算的浓度超过设定的阈值时，发出报警信号；
具体过程为：
所述浓度为根据公式（I）和（II）进行计算：
C=K×(T2-T1) （I）
K= K1×P/(1+K2×T) （II）
其中，T1为化合反应前样气温度，T2为化合反应后样气温度，K为温升表征参数，P为取样气压力，T为取样气温度，K1、K2为传感器结构参数，K1=1×104、K2=3×103；
所述传感器的催化剂以Al2O3作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4%、0.45%、0.35%；或所述传感器的催化剂以Al2O3作为载体，Pt、Pd、Rh为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3%、0.7%、0.3%。
2.根据权利要求1所述VOCs浓度的在线监测方法，其特征在于，具体过程为：通过保温管道使尾气排空或返回至VOCs集中处理装置风机前主管道。
3.一种VOCs浓度的在线监测方法，其特征在于，具体过程为：
设置在线监测单元，包括压力传感器（1）、卡套四通（4,12）、一号热电偶（5）、预热加热器（6）、预热处理器（7）、二号热电偶（8）、卡套三通（9）、传感器加热器（10）、传感器（11）以及三号热电偶（13）；其中，
卡套四通（4）的一个接头作为采样气体的进气口，其余三个接头分别连接一号热电偶（5）、压力传感器（1）高压端及预热处理器（7）的一端，预热处理器（7）外部安装预热加热器（6）；所述预热处理器（7）的另一端连接卡套三通（9），所述卡套三通（9）的剩余两接头分别连接二号热电偶（8）和传感器（11），其中所述二号热电偶（8）利用反卡接头从卡套三通（9）的接头插入至预热处理器（7）中，其顶端与预热处理器（7）出口平齐，所述传感器加热器（10）安装于传感器（11）表面；传感器（11）出口连接四通连接器（12），所述四通连接器（12）其余三个接头中的一个作为尾气排气口，另外两个分别连接压力传感器（1）低压端和三号热电偶（13），其中三号热电偶（13）通过反卡接头插入至传感器（11）内部催化敏感材料表面；
通过三号热电偶（13）预先测量传感器的温度T1；
通过取样管道将样气引入在线监测单元，通过控制阀门开度调节气体流量，利用压力传感器（1）和一号热电偶（5）监测样气的压力P及温度T；
采用预热加热器（6）预热采样气体至100～400℃，二号热电偶（8）监测采样气体的温度；
样气进入传感器（11）和氧气催化化合反应放出大量的热，三号热电偶（13）测量化合反应后传感器的温度T2；
根据测量的参数，计算样气中VOCs气体的浓度；
尾气排空或返回至集中治理管线中；
所述浓度为根据公式（I）和（II）进行计算：
C=K×(T2-T1) （I）
K= K1×P/(1+K2×T) （II）
其中，T1为化合反应前样气温度，T2为化合反应后样气温度，K为温升表征参数，P为取样气压力，T为取样气温度，K1、K2为传感器结构参数，K1=1×104、K2=3×103；
所述传感器的催化剂以Al2O3作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4%、0.45%、0.35%；或所述传感器的催化剂以Al2O3作为载体，Pt、Pd、Rh为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3%、0.7%、0.3%。
4.根据权利要求3所述VOCs浓度的在线监测方法，其特征在于，具体过程为：通过保温管道使尾气排空或返回至VOCs集中处理装置风机前主管道。
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