基于传感网络的转炉冶炼石油废气自动处理装置

徐永洪，蒋佩忱，谭志宏，张勇

（中国石油西南油气田分公司川西北气矿，四川江油 621741）

随着我国石油工业的高速发展，石油废气的排放量也急速增长，对环境产生了严重的危害。石油生产中的废气排放量大、有机物组分与比例差异波动大，且存在大量有毒可燃物，处理难度较大。

基于生物处理的VOC 降解处理装置[1]是目前废气处理研究的主要方向，但主要限于实验室水平的测试，并未转换为规模化工业应用。此外，光催化剂失活仍是一个无法解决的问题。因为光催化剂表面较容易被颗粒物与难熔有机物覆盖，从而导致光催化活性显著下降。

文中建立了一个由BTF 预处理系统与PCO 系统组成的中试规模BTF-PCO 反应器，通过搭载气体与微粒传感网络[2]，对BTF-PCO 反应器的状态进行实时掌控，提高了系统的稳定运行时间与效率。

1 传感网络架构设计

图1 所示为所提出的传感网络[3]结构，其可以实现对石油生产中空气质量的监测，以获取各种空气质量参数数据，包括气体、气溶胶及其他参数（例如温度与湿度）[4-7]。

图1 传感网络结构

1.1 数据采集模块设计

基站或ZigBee 协调器以固定时间间隔从已部署的ZigBee 终端节点接收数据[8]，每个位置均映射到节点的MAC ID[9]。数据采集模块是使用Java 语言构建的，其从串行端口接收数据并解析数据包[10]。文中还开发了一个GUI，用于显示每隔一分钟来自每个位置点的实时数据，如图2 所示[11]。

图2 节点数据实时显示GUI

图2 中的GUI 允许用户以图形的形式查看每个位置的历史数据以及每个参数的最小值、最大值与平均值[12]。中心站可以根据一组预定义的命令通过TCP/IP 与气溶胶监控器对话[13]。图3 所示为气溶胶监测[14]GUI 界面，用户可通过其远程操作机器[15]。

图3 气溶胶监测GUI

1.2 IQI分析计算

除了收集传感器信息外，文中还计算了工业空气质量指数（IQI），用于反映石油废气自动处理系统的反馈信息[16-19]。空气质量指标值分为多个范围，每个范围均分配有一个描述符与一个颜色代码，IQI 可由式（1）得出。

式中，IP为污染p的指数；CP为污染物的浓度；BPHi为大于或等于CP的断点；BPL为小于或等于CP的断点；IHi表示为BPHi对应的IQI值；ILO表示为BPLO对应的IQI值。

2 废气处理装置设计

2.1 BTF-PCO系统设计

文中使用的废气处理装置为集成BTF-PCO 不锈钢系统，如图4 所示。来自转炉冶炼的废气通过安装在反应器末端的排气扇以3 000 m3/h 的速度收集到反应器中。废气首先被引入BTF（向上流动模式），然后被引入光催化反应器（向下流动模式）。BTF 反应器（尺寸为2 000 mm×2 000 mm×4 500 mm）主要包含一个生物过滤床与一个循环供给单元。前一部分由生物膜载体组成，其中包括陶瓷颗粒、空心塑料球与拉西环。具体参数如表1 所示。

图4 废气处理装置

表1 BTF反应器元件参数

生物膜载体的有效体积为6 m3，废气处理装置运行时需要每天在BTF 反应器底部添加脱氯水与1 L营养液，使后一单元中含有无机盐的循环营养液的体积保持在2 m3。首先，通过蠕动泵以13 m3/h 的速度将营养液引入生物滴滤池的顶部，然后通过生物膜载体最终返回至底部。在整个操作过程中，用0.1 M的NaOH 周期性地将循环液的pH 值调节至中性。

2.2 处理流程

BTF-PCO 组合反应器在不同条件下运行了超过3个月，废气流首先被引入BTF，温度保持在约30°C，这有利于微生物的生长。最初过滤材料上未有细菌生长，附着细菌随着启动时间的增加而逐渐增加。在第10、50 与80 天，生物量增加至5.42、15.35、38.46 mg/g 干重。被处理气体在BTF 反应器停留约7.2 s，可以部分去除废气中的VOC，并为PCO 反应器加湿。涂覆TiO2的泡沫镍经过真空UV 灯照射1 h 进行预处理，以去除光催化剂表面的沉积物。

BTF-PCO 反应器运行3 h 后，通过真空Summa罐收集气态样品，对废气进行定性与定量分析。通过流量控制器改变流速，以研究其对VOC 去除效率的影响。在PCO 反应器的末端，经过活性炭处理后，臭氧浓度低于检测值（0.1 ppmV）。

2.3 分析手段

文中以6 种VOC 作为目标污染物评价BTFPCO 反应器的效果。通过Entech 7 100 预浓缩器与GC-MS 结合技术和USEPA TO-15 方法进行定性、定量检测。首先，将来自采样Summa 罐的150 mL 废气浓缩在玻璃珠收集器上，温度保持在-150°C。然后将其分析物在20°C 脱附，并转移至-40°C 的Tenax-TA捕集阱。浓缩后的组分再次在-190°C下解吸，然后聚焦在毛细管柱的冷塔顶上，并将其冷却至-180°C。2.5 min 后，高度聚焦的VOC 以120°C/min 的速度快速解吸，并扫入色谱柱中进行分离。

2.4 BTF-PCO系统评价函数

尽管研究中的目标VOC 未被国际癌症研究机构（IARC）归类为致癌物，但其仍然有毒。根据RE（%）、负载率(LR,gm-3h-1)与EC(gm-3h-1)对反应器的性能进行评估。含烃指数HRI是VOC 的一个评价指标，而总的HRI由i个元素构成，每个元素称作HRIi，其计算公式如式（2）所示。

其中，TLV-TWAi为化合物i的时间加权平均值的阈值极限；Ci是化合物i的浓度。HRI高于1.0 的VOC 被认为是潜在的人类健康隐患。HRI表达形式如式（3）所示。

3 实验结果与分析

传感网络的低响应时间与准确测量等特性，是转炉冶炼石油废气自动处理装置稳健运行的重要保障。因此，设计实验验证传感网络气体监测的响应性能。

3.1 气体检测性能实验

在甲烷泄漏情况下，4 种条件下的传感器响应（2.8 V 电源电压）如图5 所示。曲线1 与曲线2 具有相似的形状，但响应电压幅度不同。相反，曲线3 与曲线4 具有不同的形状，曲线3 具有一个临界点A；而曲线4 具有两个临界点A 与B。这是由于传感器应用了脉冲加热模式，有源传感器被催化剂覆盖，而参考传感器未被覆盖。

图5 传感网络甲烷测量实验

图5 显示，由于Pt-Pd 催化剂层的影响，传感器在2.8 V 加热时，其电阻变化是不同的。显然，用催化剂加热传感器需要消耗更多时间。因此，主动传感器比参考传感器到达待机模式更晚。参考传感器的电阻在时间为0.6 s 左右时稳定，而有源传感器则保持加热。两个传感器在大约1.6 s 内具有稳定的电阻，因此其响应电压不再变化。

3.2 传感网络通信实验

传感网络通信实验的主要目标之一是了解接收信号强度（RSSI）与链路质量（LQI）指标对无线系统物理层的影响等。为此，文中评估了网络协调器与每个传感器节点之间的无线链接。在白天对每个链路 进行100 次RSSI 与LQI 测量（总共200 次测量）。如图6 所示，具有较低RSSI 的链路可能具有较高的LQI。

图6 传感网络通信实验

为了评估在锅炉环境中超过24 h 的部署期间对LQI与RSSI稳定性的环境影响，文中测量了传感器节点之间的两个指标，如图7 所示。在白天（0～250 min与850～1565 min），LQI 水平足够稳定。但晚上（250～850 min），LQI 大幅度下降，RSSI 即使在白天也并不完全稳定，通常约为-80 dBm。在夜间，RSSI 会降低到-90 dBm 左右，这是由于BTF-PCO 设备内部恶劣环境造成的。

图7 全天候LQI和RSSI参数实验

3.3 VOC处理实验

在单一的BTF 反应器中，第15 天生物降解率分别达到64.7%与50.2%，如图8 所示。入口浓度分别为18.00 mg/m3与21.92 mg/m3，这表明生物膜开始形成。随着时间的推移，降解率RE 逐步提高，最后达到70.2%。石油生产中的废气经过6 个BTF 反应器，最终接近废气处理率，达99.2%以上。

图8 BTF反应实验

4 结束语

转炉冶炼中的石油废气中可以在90 天的运行期间内，通过联合BTF-PCO 技术进行有效去除。结果表明，通过结合使用BTF-PCO，VOC 的处理率能达到99.2%以上。文中使用的传感网络也能为自动处理装置提供准确的数据支持。但由实验可知，传感网络的通信质量仍有待提高，这些工作可以通过使用拓扑通信理论优化网络结构、提高硬件设计的可靠程度实现。