石化企業幾種典型裝置LDAR技術及VOCs排放量分析

柯 佳， 孫 慧， 趙東風， 李 石， 孫龍珠， 田曉瑩

(1.中國石油大學(華東) 化學工程學院， 山東 青島 266580； 2.青島歐賽斯環境與安全技術有限責任公司， 山東 青島 266555；3.中國石油大學(華東) 安全環保與節能技術中心， 山東 青島 266580)

近年來全國空氣質量不斷惡化，出現霧霾等污染天氣，嚴重影響了社會居民的日常生活和身心健康[1-3]。多項研究認為，揮發性有機物(VOCs)作為二次氣溶膠(SOA)的重要參與物，導致了大氣污染物(如細顆粒物、臭氧)的生成[4-6]。因此，近年來對VOCs的控制與削減，成為大氣污染防治的重點問題之一。

石油化工行業作為我國國民經濟支柱產業的同時也是VOCs排放大戶[7]。針對VOCs排放量較大的設備動靜密封點泄漏源項，國家出臺了一系列的政策及標準，如《石化行業揮發性有機物綜合整治方案》、《石化企業泄漏檢測與修復工作指南》、《石油煉制工業污染物排放標準》(GB 31570—2015)等，均明確提出要全面推行和實施泄漏檢測與修復(LDAR)技術。實施LDAR技術不僅能顯著降低VOCs的排放量，還能減少產品損失，保障企業的生產效益和安全運行[8-9]。

截止2017年底，石油化工行業已經全面開展VOCs綜合整治工作，實施并完成LDAR技術。筆者以國內4家石化企業的典型裝置為研究對象，通過實施LDAR技術，分析設備動靜密封點分布規律及泄漏密封點修復前后VOCs的排放量，探討LDAR技術對VOCs的減排效果，并提出相應建議，為其他行業開展LDAR技術提供依據。

1 LDAR技術

LDAR技術是指對工業生產全過程物料泄漏進行控制的系統工程。通過固定式或移動式檢測儀器，定量檢測或檢查生產裝置中閥門等易產生VOCs泄漏的密封點，并在一定期限內采取有效措施修復泄漏點，從而控制物料泄漏損失，減少對環境造成的污染[10]。LDAR是一項實踐工作，旨在識別泄漏，并通過修復減少VOCs排放。

2 石油化工企業各裝置概況

不同的石油化工企業，由于原油、生產目的及產品不同，企業裝置種類、數量及規模也存在差異，但大多數石油化工企業的主要煉油加工裝置和產品具有極大的相似性。筆者選取國內A、B、C和D共4家不同石油化工企業的典型一次及二次加工裝置，即常(減)壓蒸餾裝置(不含石腦油加氫、輕烴回收等裝置)、催化裂化裝置和連續重整裝置(不含芳烴抽提和變壓吸附(PSA)裝置)作為研究對象，不同企業的地理位置及裝置加工規模見表1。

表1 不同石油化工企業裝置的基本信息Table 1 Brief information of units in different refineries

3 石油化工企業不同裝置設備動靜密封點分析

3.1 密封點數量統計

不同石油化工企業的常(減)壓蒸餾裝置、催化裂化裝置和連續重整裝置的設備動靜密封點分布情況見表2。

從表2可以看出，不同石化企業及裝置的設備動靜密封點數各不相同，且裝置規模越大，設備動靜密封點總數越多(除A企業的常壓裝置外，該裝置為常壓蒸餾裝置，不含減壓操作)。在9種不同密封點類型中，連接件所占比例最高，約為53%～75%；其次是法蘭、閥門，分別占23%、13%。而其他6種密封點類型的點數較低(之和僅占總密封點數的3%)。該統計結果與美國環保署2007年的統計結果相一致[9]。在該3種裝置中，連續重整裝置的密封點數最多。主要原因是連續重整裝置一般裝有多個空冷器，而空冷器上用于封堵外側板孔的絲堵(即連接件)數量較高，導致連續重整裝置的密封點總數比其他裝置高。

3.2 泄漏密封點數量統計

根據《石油煉制工業污染物排放標準》(GB 31570—2015)和《石化行業VOCs污染源排查工作指南》對泄漏及嚴重泄漏閾值的定義，不同石油化工企業裝置的泄漏密封點分布情況見表3。

表2 不同裝置密封點數量統計Table 2 Statistics of equipment components from different units

表3 不同裝置泄漏密封點數量統計和泄漏率Table 3 Statistics of leaking components and leaking percentage from different units

Leaking percentage=(Number of leaking components/Number of total components)×100%; High leaking percentage=(Number of high leaking components/Number of total components)×100%

從表3中可以看出，不同企業及裝置均有不同程度的泄漏，泄漏率為0.07%～0.96%，嚴重泄漏率為0.01%～0.50%。泄漏點主要分布在閥門、法蘭、開口管線和連接件4類中，其中閥門和法蘭的泄漏率較高(分別占泄漏總數的29%和27%)。開口管線雖然數量不多(約占2.1%)，但其泄漏率極高(約占泄漏點數的23%)，最易發生泄漏。而連接件雖然數量較多(約占63%)，但其泄漏率不高(約占泄漏點數的20%)。

在這3種裝置中，連續重整裝置的泄漏率及嚴重泄漏率最高，主要與裝置的加工工藝有關。連續重整裝置的原料為石腦油，反應產物為高辛烷值汽油、芳烴或異構芳烴及氫氣等。這些物質均屬于有機氣體或揮發性有機液體，蒸氣壓較高，易揮發，導致泄漏率較高。而催化裂化裝置和常(減)壓蒸餾裝置的原料分別為渣油、蠟油和原料油等，屬于重液體，且反應產物(如汽油、柴油等)的蒸氣壓比連續重整裝置的產物的低，難揮發，因此泄漏率較低。

4 石油化工行業設備動靜密封點VOCs排放量核算

4.1 設備動靜密封點VOCs排放量核算方法

石化行業設備動靜密封點源項的VOCs排放量的核算采用相關方程法。該方法是目前使用最為廣泛的方法[10-11]。具體計算過程見式(1)。

(1)

式(1)中，eTOC為密封點的總有機碳(TOC)排放速率，kg/h；SV為修正后凈檢測值，μmol/mol；e0為密封點的默認零值排放速率，kg/h；ep為密封點的限定排放速率，kg/h；ef為密封點的相關方程核算排放速率，kg/h。具體取值見表4[12]。

表4 石油煉制設備組件的設備排放速率[12]Table 4 Equipment leak rate of different refiningequipment components [12]

計算VOCs的排放速率，需明確VOCs在物料流中的質量分數(扣除其他化合物，例如氮氣、水蒸氣)，采用式(2)計算排放速率。若未提供TOC中VOCs的質量分數，則取1進行核算。在本文中均取1進行核算。

(2)

式(2)中，eVOCs為物料流中VOCs排放速率，kg/h；wVOCs為物料流中VOCs的平均質量分數，%；wTOC為物料流中TOC的平均質量分數，%。

根據小時排放速率和工藝設備的年操作小時數，相乘即可計算該密封點在該排放時間段的排放量，計算公式見式(3)。

(3)

式(3)中，E為密封點的VOCs年排放量，t/a；eVOCs,i為密封點的VOCs排放速率，kg/h；H為年操作小時數，h/a，在本文中均取8560 h/a。

4.2 密封點VOCs排放量統計

采用相關方程法對不同石化企業及裝置的VOCs排放量進行核算，結果見表5。

從表5可以看出，泄漏密封點的VOCs排放量平均占總VOCs排放量的78.77%，最高可達96.55%。其中閥門、法蘭及開口管線泄漏密封點的VOCs排放量較大。該結果與美國環保署2007年的統計結果相一致[9]。這表明，不同企業及裝置排放的VOCs主要集中在0.07%～0.96%的泄漏密封點上，尤其是閥門、法蘭及開口管線泄漏密封點。

對于同一企業，連續重整裝置的VOCs排放量最大，且泄漏比例最高。對于同一加工規模的裝置，VOCs排放量最大可相差8倍，表明VOCs排放量與裝置的加工規模關聯性較小。這主要是因為VOCs排放量不僅與密封點的檢測值、密封點數量有關，還與工藝配置、企業管理水平等有關。

4.3 泄漏密封點修復及VOCs減排效果分析

根據LDAR檢測結果，以及“排查指南”對泄漏修復的要求，企業對所有泄漏密封點實施了修復。在修復完成后，對修復后的泄漏密封點進行復測，并核算VOCs排放量。不同企業及裝置的修復情況及修復前后VOCs排放量見表6。

從表6可以看出，按照要求，各裝置大部分的泄漏密封點已完成修復，平均修復率為70%。通過修復泄漏密封點，各企業VOCs排放量均實現了不同程度的降低，VOCs減排率最高達到73.43%，且D企業的修復效果最明顯，VOCs減排率最高。對于符合延遲修復的泄漏密封點，將在裝置下次停工檢修結束前完成修復，VOCs排放量將進一步降低。由此可見，通過實施LDAR技術，VOCs減排效果顯著。

表5 不同裝置VOCs排放量和泄漏比例Table 5 VOCs emissions and leaking percentage from different units

E′—Total VOCs emissions; E—VOCs emissions from leaking components; Leaking percentage=(E/E′)×100%

表6 不同裝置泄漏密封點、修復率及VOCs排放量Table 6 Number of leaking components, leak reparation, and VOCs emissions from different units

Repair rate=(Number of repaired leaking components/Number of leaking components)×100%; VOCs emissions reduction rate=(1-VOCs emissions after leak repair/VOCs emissions before leak repair)×100%

分析企業修復結果時發現，企業僅采用緊固的措施進行修復，導致出現密封點修復后短時間內再次泄漏的情況，需要進行二次修復才能解除泄漏。建議企業采用《石化企業泄漏檢測與修復工作指南》推薦的修復措施和方法或采用無泄漏和無密封的設備部件等措施，及時修復泄漏密封點。

5 結論與建議

選擇國內4家石油化工企業的常(減)壓蒸餾裝置、催化裂化裝置和連續重整裝置為研究對象，分析LDAR技術的實施應用，并采用相關方程法核算VOCs排放量，探討LDAR技術對VOCs減排的效果。

(1)分析結果表明，不同加工規模的裝置，設備動靜密封點數也各不相同，平均泄漏密封點約占0.07%～0.96%。其中以連接件、法蘭和閥門密封點數量最多且泄漏最嚴重。對于VOCs排放量，開口管線、閥門和法蘭密封點的排放量最大。在石化企業中，嚴重泄漏點所占比例小，約為0.01%～0.50%，但其VOCs排放量貢獻大，主要集中在裝置加熱爐區域。建議企業適當加大對裝置加熱爐區的檢測頻次，并優先檢測及修復。

(2)通過開展泄漏修復，VOCs減排率最高能達到73%，極大降低了VOCs的排放量。對比3種典型化工裝置，連續重整裝置是泄漏點數最多、VOCs排放量最大的裝置。建議企業加強對連續重整裝置以及閥門、法蘭和開口管線等幾類密封點的日常管理和維護。并采用無泄漏和無密封的設備部件等修復措施及時、高效地修復泄漏點，減少VOCs的排放。