廣東省高架火炬污染排放管控現狀研究

劉志陽，廖程浩，張永波，劉 峰

（1. 廣東省環境科學研究院，廣東 廣州 510045；2. 上海漢潔環境工程有限公司，上海 200443）

高架火炬是煉化企業最為重要的安全應急設施，主要用于處理企業正常工況和非正常工況（包括開停工、檢維修、設備故障等）下裝置無法回收的工藝廢氣、過量燃料氣和吹掃廢氣中的可燃性有機物。一般認為，高架火炬在充分燃燒的條件下，其燃燒效率和燃燒破壞率均可達98%。但當高架火炬燃燒不充分時，其燃燒效率和燃燒破壞率就難以達到98%，此時，高架火炬燃燒過程中所排放出的揮發性有機物（VOCs）就成為煉化企業主要的大氣污染物之一，可能導致部分區域發生大氣污染。為了加強對高架火炬的管理，生態環境部出臺的相關規范中規定了火炬氣回收、火炬氣點燃及引燃設施、火炬工作狀態記錄等管理要求，但對于影響火炬燃燒效率和燃燒破壞率的關鍵參數的監測監控卻沒有具體要求，因此，難以實現對高架火炬的精細化管控。

本工作以廣東省6家重點煉化企業的高架火炬為對象，調研了各企業對高架火炬運行期間關鍵參數的監測監控情況，在此基礎上，分析了目前廣東省高架火炬污染排放管控現狀，提出了高架火炬運行管理和關鍵參數監測等方面的建議。

1 國內有關高架火炬的相關標準和規范

20世紀90年代以來，我國陸續發布了一系列關于高架火炬設計的標準和規范，包括：1995年原化學工業部頒布實施的《火炬系統設置》（HG/T 20570.12—1995）［1］、2001年中國石油化工集團公司制定的《石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范》（SH 3009—2001）［2］、2014年住房和城鄉建設部與國家質量監督檢驗檢疫總局聯合頒布實施的《火炬工程施工及驗收規范》（GB 51029—2014）［3］等。這些標準和規范主要從高架火炬系統的設計要求、安裝質量等方面進行了規定，沒有涉及污染物的排放控制。

2015年，環境保護部發布《石油煉制工業污染物排放標準》（GB 31570—2015）［4］和《石油化學工業污染物排放標準》（GB 31571—2015）［5］。對高架火炬污染物排放管控提出如下要求：1）采取措施回收排入火炬系統的氣體和液體；2）在任何時候，VOCs和惡臭物質進入火炬都應能點燃并充分燃燒；3）應該連續監測、記錄引燃設施和火炬的工作狀態，如火炬氣流量、火炬頭溫度、火種氣流量、火種溫度等，并保存記錄1 a以上。2020年，生態環境部發布《石油煉制工業廢氣治理工程技術規范》（HJ 1094—2020）［6］提出了火炬排放系統應有氣柜和壓縮機，火炬氣分液罐凝液、氣柜凝液回收處理，控制火炬煙氣排放等相關要求。

綜上，目前國內已有的高架火炬相關標準和規范主要集中在火炬系統設計層面，對于影響高架火炬燃燒效率和燃燒破壞率的關鍵參數的監測監控與運行管理，尚未有明確要求。

2 影響高架火炬燃燒效率和燃燒破壞率的關鍵參數

2.1 火炬氣凈熱值

火炬氣在高架火炬內的燃燒程度與燃燒區的火焰溫度直接相關，而燃燒區的火焰溫度則與火炬氣的凈熱值有關。美國得克薩斯州環境質量委員會（TCEQ）發布的2010年火炬測試結果表明，在火炬氣和助燃氣體流量保持不變的前提下，火炬的燃燒破壞率隨火炬氣凈熱值的增加而增大［7］。可見，火炬氣凈熱值是影響火炬燃燒破壞率的重要參數。美國國家環境保護局（EPA）發布的標準中規定：進入蒸汽/空氣助燃型火炬筒體內的平均氣體凈熱值不小于12.0 MJ/m3，進入無助燃型火炬筒體內的平均氣體凈熱值不小于8.0 MJ/m3；蒸汽助燃型火炬燃燒區平均氣體凈熱值不小于10.8 MJ/m3，空氣助燃型火炬頭出口截面處熱負荷不小于250 kJ/m2［8］。

2.2 火炬氣流量和火炬頭出口氣體流速

火炬氣流量是影響高架火炬燃燒效率和燃燒破壞率的另一重要參數。TCEQ發布的2010年火炬測試結果表明，若助燃氣體流量保持不變，在一定范圍內，高架火炬的燃燒效率和燃燒破壞率均隨火炬氣流量的增加而增大［7］。此外，火炬氣的燃燒程度與其在燃燒區的停留時間有關，而火炬氣在燃燒區的停留時間則與火炬頭出口氣體流速有關，即火炬頭出口氣體流速只有在一定范圍內才能保證火炬氣達到良好的燃燒效果。因此，火炬氣除了要滿足凈熱值的限值要求外，還必須保證火炬頭出口氣體流速與燃燒區的熱值相適應［7］。EPA發布的標準中規定火炬頭出口氣體流速應與凈熱值相匹配，且蒸汽助燃與無助燃型火炬出口流速均不得超過122 m/s［8］。

2.3 助燃氣體流量

火炬氣在燃燒過程中，需要充足的空氣供應和充分的混合來保證完全燃燒，減少黑煙的產生，因此高架火炬通常設計有空氣助燃或蒸汽助燃裝置。蒸汽助燃型火炬是在高架火炬燃燒區域注入蒸汽來提高湍流，加強火炬氣與空氣的混合程度，提高燃燒效率；空氣助燃型高架火炬使用帶壓空氣助燃并促進與火炬氣的混合，提高燃燒效率。因為助燃氣體中的蒸汽和氮氣均無熱值，如果增加的空氣或蒸汽過多，會導致火炬燃燒區氣體凈熱值下降，進而造成火炬氣燃燒效率下降。TCEQ發布的2010年火炬測試結果表明，火炬的燃燒效率和燃燒破壞率與助燃氣體的流量密切相關：在火炬氣流量一定的情況下，火炬的燃燒效率和燃燒破壞率隨著助燃氣體流量的增加而明顯下降［7］。因此，高架火炬要實現接近完全燃燒（燃燒破壞率不低于98%）的運行工況，同時最大程度地減少黑煙形成，需要精細控制助燃氣體的流量。EPA發布的標準中規定：蒸汽或空氣助燃型火炬中，助燃氣體的添加量應控制在合適的范圍內，從而使火炬燃燒區或火炬頭出口截面處凈熱值滿足限值要求［8］。

2.4 火焰狀態

火炬頭火焰燃燒狀態和長明燈引燃火焰燃燒情況也是反映高架火炬工作狀態和運行效果的重要指標。通過觀察火炬頭燃燒器燃燒時火焰的形狀、是否出現黑煙等現象可以判斷火炬氣中的有機物是否被完全燃燒；通過觀察長明燈引燃火焰是否保持常燃來判斷火炬氣是否可以正常點燃［9］。EPA頒布的標準中規定：用含有時間信息的視頻監視器監控火炬頭火焰燃燒狀態，視頻監視器應以每15秒不少于一幀的頻次拍攝燃燒火焰畫面，并完整記錄畫面拍攝的日期和時間；長明燈引燃火焰保持常燃，可采用熱電偶、光傳感器等設備進行監控［8］。美國灣區空氣質量管理局（BAAQMD）的標準中則規定：視頻監視器應以每分鐘不少于一幀的頻次拍攝燃燒火焰畫面，并完整記錄畫面拍攝的日期和時間；長明燈引燃火焰需持續燃燒或采用自動點火系統，若采用引燃火焰持續燃燒的方式，則檢測設備必須能檢測到引燃火焰的存在［9］。此外，美國石油協會（API）頒布的標準中也要求引燃火焰保持持續燃燒，可通過熱電偶、火焰電離、光傳感器和聲學系統等方法對引燃火焰進行監測［10］。

3 廣東省高架火炬污染排放管控情況

3.1 廣東省高架火炬的基本情況

截至2021年，廣東省6家重點煉化企業共建有高架火炬26座（碳氫火炬21座，酸性氣火炬5座）。其中：5家企業煉油區內的高架碳氫火炬均安裝有氣柜，對進入火炬氣管網的可燃氣體進行儲存后增壓輸送至燃料氣管網進行回收利用；4家企業化工區內的高架火炬中僅1家企業安裝有氣柜。從助燃方式來看，21座高架碳氫火炬中，67%的火炬采用蒸汽助燃方式，33%的火炬采用空氣助燃方式。具體情況見表1。

3.2 廣東省高架火炬關鍵參數監測監控情況

表2為廣東省6家重點煉化企業高架火炬關鍵參數的監測監控情況。

表2 廣東省6家重點煉化企業高架火炬關鍵參數監測監控情況

由表2可見：所監測和監控的關鍵參數包括火炬氣凈熱值、火炬氣流量、火炬頭溫度、助燃氣體流量、助燃氣體流量調節方式、火種氣流量、火炬頭和長明燈引燃火焰狀況，共7項；其中2家企業對火炬氣和火種氣流量無監測；6家企業均未安裝火炬氣組分連續監測設備或熱值分析儀；僅3家企業采用人工采樣方式對火炬氣凈熱值進行定期分析；在安裝有火炬氣流量監測的4家企業中，僅2家企業所采用的超聲波流量計的精度和測量范圍能夠滿足EPA的相關要求，另外2家企業所安裝的質量流量計無法對小體積流量的火炬氣進行精準測量；盡管有4家企業對助燃氣體流量進行監測，但助燃氣體流量的調節方式主要通過人工觀察火焰狀態進行手動調節，并以消除黑煙排放為主要目的，這種操作方式可能導致助燃氣體添加過量，進而影響高架火炬的燃燒效率。

對企業1和企業6在2020～2021年期間的323個火炬氣凈熱值數據進行分析，結果表明：2020年，在正常工況下，企業1有46%的火炬氣凈熱值數據低于EPA標準所規定的限值12.0 MJ/m3；2020年，在正常工況下，企業6的全部火炬氣凈熱值數據均高于12.0 MJ/m3，但在2021年裝置檢維修期間，有13%的火炬氣凈熱值數據低于12.0 MJ/m3。由于上述企業人工采樣時間間隔周期長，而火炬氣排放工況變化較大，在缺乏連續監測設備的情況下無法對火炬氣組分和凈熱值進行實時分析，也無法根據火炬氣凈熱值的變化情況及時補充燃料氣，從而導致高架火炬的燃燒破壞率低于98%。

4 強化高架火炬排放管控的建議

4.1 加強火炬氣的回收利用

調研結果表明：廣東省6家重點煉化企業煉油區的高架火炬系統普遍配置有氣柜和壓縮機，1家企業化工區高架火炬系統改造后增設了氣柜和壓縮機。因此，可以實現可燃氣體的回收利用。建議企業對進入燃料氣管網的火炬氣進行回收利用，以減少高架火炬燃燒的次數，降低污染物的排放。

4.2 加強對火炬氣凈熱值的監測

由前文可知，火炬氣凈熱值是影響高架火炬燃燒效率和燃燒破壞率的關鍵參數。調察結果顯示：截至2021年，廣東省6家重點煉化企業均未安裝熱值儀，無法對火炬氣凈熱值進行實時監測。建議各企業高架火炬系統增設熱值儀，實現對火炬氣凈熱值的實時監測，并根據監測結果及時對燃料氣進行調整，確保火炬氣凈熱值不低于12.0 MJ/m3，從而保證火炬燃燒破壞率不低于98%。

4.3 加強對火炬氣、助燃氣和火種氣流量的監測

《石油煉制工業污染物排放標準》（GB 31570—2015）和《石油化學工業污染物排放標準》（GB 31571—2015）中規定：要連續監測并記錄火炬氣流量、火種氣流量等反映引燃設施和火炬工作狀態的關鍵參數［4-5］。因此，建議各企業通過加裝流量計，加強對火炬氣、助燃氣和火種氣流量的在線監測，確保火炬氣和助燃氣的流量比在合理范圍內，保證高架火炬燃燒破壞率不低于98%。此外，控制火炬氣流量和火炬頭出口流速，并保證助燃蒸汽或空氣的添加量與火炬氣凈熱值和火炬氣流速相匹配，也是提高高架火炬燃燒效率和燃燒破壞率的關鍵因素。

4.4 加強對火焰狀態的監控

火炬火焰的監測對象主要包括長明燈引燃火焰和火炬頭燃燒火焰。其中：對引燃火焰監控的目的是為了確保長明燈被正常點燃，長明燈保持常燃是火炬可以將火炬氣進行充分燃燒的基礎，也是火炬正常燃燒與否的關鍵因素；對火炬頭燃燒火焰監控的目的是為了通過燃燒時火焰的形狀、黑煙等現象來判斷可燃物是否被完全燃燒［11］。建議各企業加強對火焰狀態的監控，安裝熱電偶、紫外線火焰探測器或紅外線探測器等設備，對長明燈引燃火焰和火炬頭燃燒火焰狀態進行持續監控，安裝視頻設備對火炬頭燃燒火焰狀態進行監控，并作好黑煙日排放觀察記錄。

5 結語

高架火炬作為石化企業主要的VOCs排放源，建議相關部門盡快制定高架火炬運行監管方面的規范和標準，加強對火炬氣的回收利用，加強對火炬氣凈熱值以及火炬氣、助燃氣和火種氣流量等關鍵參數的監測，實時監控長明燈引燃火焰和火炬頭燃燒火焰的狀態，進一步提升高架火炬燃燒效率和燃燒破壞率，減少高架火炬的污染排放。