石化企業動靜密封點源項VOCs管控技術效果評估

孫慧,徐同高,夏志同,徐慶虎,薛媛,柯佳

(1.青島歐賽斯環境與安全技術有限責任公司,山東 青島 266555;2.青島中石大環境與安全技術中心有限公司,山東 青島 266555;3.中國石油大學(華東) 化學工程學院,山東 青島 266580)

石化行業為我國VOCs管控的重點行業,存在VOCs種類及源項眾多、排放量大且以無組織排放為主的特點[1-3]。根據我國《石化行業VOCs污染源排查指南》的規定,石化企業VOCs排放源項包括:揮發性有機液體儲存與裝載,設備動靜密封點泄漏,循環水場逸散,工藝有組織排放,廢水集輸、儲存及處理過程逸散等13個排放源[4-6]。其中設備動靜密封點排放源項涉及石化企業主體生產裝置、儲運設施、公輔工程等大部分裝置及設施,密封點數量從幾萬到上百萬個點,為石化企業主要的排放源項之一,其VOCs無組織泄漏不僅污染環境同時存在較大的安全隱患,為石化企業VOCs減排的重點和難點[7-8]。

以某石化企業的13套主體生產裝置、儲運系統及公輔設施的動靜密封點為研究對象,開展VOCs管控技術效果評估,通過實施泄漏檢測與修復技術、定力矩緊固技術和屏蔽泵改造技術的現場應用,對實施過程大量現場數據進行統計,分析不同管控技術下動靜密封點源項的VOCs排放量、減排量及減排率等。

1 企業動靜密封點源項臺賬建立

1.1 臺賬建立

根據企業實際情況,通過資料分析及現場排查相結合的方式,開展裝置適用性、設備適用性分析,建立企業受控裝置和設備清單,根據密封點類型、介質組成、可達性等,建立包括泵、壓縮機、閥門、法蘭在內的10大類動靜密封點臺賬[9],臺賬建立流程見圖1。

圖1 設備密封點臺賬建立詳細流程圖

根據動靜密封點臺賬建立流程圖,對該煉廠13套在產生產裝置和配套的儲運系統和動力系統進行設備分析及密封點現場信息采集,最終建立該煉廠完整的受控動靜密封點臺賬,共計155 000個設備動靜密封點VOCs無組織排放源,詳見表1。

表1 設備密封點臺賬信息

1.2 密封點統計分析

由圖2可知,從密封點裝置分布來看,連續重整、常減壓、加氫裂化和催化裂化裝置占比較高,分別為17.89%,15.17%,13.51%,11.49%,4套裝置密封點總數合計約90 006個,占全廠密封點總數的58.07%。

圖2 動靜密封點按裝置分布情況

動靜密封點按類型分布情況見圖3。

圖3 動靜密封點按類型分布情況

由圖3可知,從密封點類型分布來看,該企業靜密封點數占總點數的99.11%,其中以連接件、法蘭和閥門占比較高,分別為50.76%,29.14%和閥門16.91%,這三類密封點的總數為150 057個,占全廠密封點總數的96.81%。

2 泄漏檢測與修復技術

泄漏檢測與修復技術(Leak Detection and Repair,LDAR)是目前國內外針對動靜密封點源項的主要管控技術,該技術核心思想為:采用泄漏檢測儀器對動靜密封點源項開展周期性的檢測工作,對于檢測過程中發現的泄漏密封點實施修復直至低于泄漏標準限值[10-11]。

2.1 檢測儀器和方法

儀器:采用國標中規定的氫火焰離子化檢測儀進行定量檢測,儀器型號為TVA2020C。

檢測方法:采用《石化行業VOCs泄漏檢測與修復工作指南》(環辦[2015]104號 附件3)和《工業企業揮發性有機物泄漏檢測與修復技術指南》(HJ 1230—2021)[12-13]。

2.2 泄漏量及減排量核算方法

采用《石化行業VOCs污染源排查工作指南》(環辦[2015]104號 附件1)中動靜密封點泄漏量核算方法,其中可達點用相關方程法進行核算,不可達點用排放系數法進行核算。根據每個檢測周期LDAR實施前后的泄漏量核算本輪次LDAR的減排量。

2.3 實施LDAR技術減排效果分析

2.3.1 檢測結果及泄漏量分析

由表2可知,對全廠155 000個動靜密封點開展泄漏檢測,達到標準規定的泄漏濃度總密封點數為1 538個,總泄漏率為0.99%,嚴重泄漏率為0.31%。其中加氫裂化裝置的泄漏點數最大為402個,泄漏率也最高為1.92%,其次為連續重整裝置和氣體分餾裝置,泄漏率分別為1.36%和1.32%。

表2 各裝置密封點VOCs檢測濃度分布及泄漏率情況

由圖4可知,動靜密封點源項VOCs排放量為223.5 t/a,其中泄漏密封點的VOCs排放量占79.67%。。不同裝置VOCs排放量對比可以看出,加氫裂化裝置、儲運系統、連續重整裝置以及常減壓裝置的VOCs排放量最高,分別占比25.67%,16.02%,14.36%和9.3%。

圖4 不同裝置密封點及泄漏密封點VOCs排放量

2.3.2 LDAR技術減排效果分析

本研究共實施4個周期年的LDAR技術,共計實施16輪次動密封點和8輪次靜密封點的LDAR工作,對密封點泄漏情況進行現場實測及VOCs減排量核算。LDAR技術實施效果見圖5。

圖5 LDAR技術實施效果

由圖5可知,實施LDAR技術后,VOCs排放量實現了不同程度的降低,在實施第1、2、3、4周期年的LDAR技術后,全廠動靜密點VOCs排放量分別為109.86,82.23,56.68,35.42 t/a,減排量分別為113.64,27.63,25.55和21.26 t/a,減排率分別為50.85%,25.15%,31.07%和37.51%。同時隨著泄漏密封點被不斷修復,其排放量逐年減小。因此,企業首次開展LDAR技術減排效果顯著,隨著LDAR開展輪次的增加,VOCs減排量逐年減小,導致后期減排效果變差。

由圖6可知,對比分析不同密封點類型的修復效果發現,泵、閥門、法蘭、連接件、開口管線5大類密封點的泄漏修復率均超過45%,其中以連接件和開口管線的泄漏修復率最高。而對于法蘭和泵的泄漏修復率最低減排率也較低,這表明采用常規的修復手段無法達到理想的修復效果。

圖6 不同密封點類型LDAR實施效果

3 定力矩緊固技術

定力矩緊固技術是通過計算出每對螺栓在預緊狀態以及操作狀態下安全運行的壓緊力區間,選出合適的螺栓緊固力矩值,安裝過程使緊力均勻地作用在法蘭密封面上,與傳統的人工手動緊固相比,具有提高檢修可靠性、減少甚至取消熱緊工序、支撐裝置更長周期運轉的優勢[14-16]。與此同時,考慮由于緊力的均勻分布,會提高法蘭面的密封性能,從而減少VOCs的泄漏排放。定力矩緊固技術操作示意圖見圖7。

圖7 法蘭不同緊固方式示意圖

3.1 緊固對象篩選

基于企業各裝置VOCs排放量及泄漏情況分布、LDAR實施效果,以泄漏率較高、常規修復手段難以達到預期修復效果為篩選原則,并充分考察現場的可操作性,最終綜合篩選加氫裂化裝置350個法蘭實施定力矩緊固技術,其分布情況如表3所示。

表3 篩選加氫裂化裝置法蘭分布一覽表

3.2 定力矩緊固技術減排效果分析

由圖8可知,對加氫裂化裝置的法蘭及螺栓實施定力矩緊固技術后,法蘭密封點檢測濃度都實現了不同程度的降低,達到標準規定的泄漏濃度的法蘭數量從68個降低至1個,且350個法蘭的VOCs排放量從11.36 t/a降低至2.39 t/a,減排率達78.97%。對于不同檢測濃度范圍,泄漏法蘭的實施效果優于非泄漏法蘭,其中以濃度在2 000～10 000 μL/L范圍內泄漏法蘭實現的VOCs減排率最高,為85.14%,其次是嚴重泄漏法蘭(濃度>10 000 μL/L),VOCs減排率為79.84%。

圖8 定力矩緊固技術實施前后法蘭不同檢測濃度及VOCs排放量

4 屏蔽泵改造術

屏蔽泵是一種無密封泵,泵和驅動電機被密封在同一個壓力容器內,取消了傳統離心泵具有的旋轉軸密封裝置,因此對于屏蔽泵的VOCs泄漏不再涉及旋轉軸產生的轉動泄漏,只有靜密封泄漏[17-20],從而實現VOCs的減排,屏蔽泵改造示意圖見圖9。

圖9 屏蔽泵改造示意圖

4.1 屏蔽泵的篩選

通過對該企業全廠370臺機泵實際泄漏檢測數據進行分析,篩選VOCs泄漏量較大的9臺機泵進行屏蔽泵選型改造。9臺機泵實際泄漏檢測數據及分布情況見表4。

表4 篩選VOCs排放量較大的機泵分布一覽表

4.2 屏蔽泵改造技術減排效果分析

從表5中可知,機泵由不同泵改造為屏蔽泵后,9臺機泵的檢測值范圍降低至0.9～3.4 μL·L-1,VOCs排放量從544.81 kg/a降低至5.20 kg/a,減排量為539.61 kg/a,減排率達99.04%。

表5 機泵改造前后檢測值及VOCs排放量

5 結論

1)開展某石化企業13套在產生產裝置和配套的儲運系統和動力系統密封點臺賬建立,共完成全廠動靜密封點建庫總數155 000個;

2)實施4個周期年的LDAR技術,全廠動靜密點VOCs減排量分別為113.64,27.63,25.55和21.26 t/a,減排率分別為50.85%,25.15%,31.07%和37.51%;

3)加氫裂化裝置350個法蘭實施定力矩緊固技術,泄漏法蘭數量從68個降低至1個,VOCs排放量從11.36 t/a降低至2.39 t/a,減排率達78.97%;

4)9臺泄漏量較大的機泵實施屏蔽泵選型改造技術,9臺機泵的檢測值范圍降低至0.9～3.4 μL·L-1,VOCs減排量為539.61 kg/a,減排率達99.04%;

5)石化企業動靜密封點源項數量眾多,在實施LDAR技術的基礎上,根據動靜密封點類型,綜合考慮技術經濟可行性,可采取定力矩緊固技術和屏蔽泵改造技術達到更好的減排效果,為實現我國在十四五期間煉廠動靜密封點源項的深度減排提供借鑒和參考。