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美國揮發性有機物監測及減排最佳管理技術:煉油廠案例分析

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點擊次數:683 更新時間:2018年08月02日11:17:39 打印此頁 關閉

前沿導讀:

煉油廠和石化廠是美國乃至全世界范圍內最大的揮發性有機物(VOC)排放源。多年來,美國聯邦環保署(USEPA)為這兩個工業部門涵蓋的各種排放源制訂了詳細的法規和標準,以治理其產生的VOC排放。


近日,三角國際研究院發布《美國揮發性有機物監測及減排最佳管理技術:煉油廠案例分析》報告,公眾號對報告主要內容進行了摘要和綜述,并在此分享與大家。

揮發性有機物與煉油廠概述

煉油廠和石化廠是美國乃至全世界范圍內最大的揮發性有機物(VOC)排放源。多年來,美國聯邦環保署(USEPA)為這兩個工業部門涵蓋的各種排放源制訂了詳細的法規和標準,以治理其產生的VOC排放。最近,美國聯邦環保署又更新了煉油廠部分排放源的VOC大氣排放標準。本次報告將重點討論美國大氣排放標準中原有和新增的VOC污染防治技術要求。美國煉油廠VOC排放標準中提出的這些標準和監測要求也同時適用于石化廠和有機化學品制造商的各類VOC排放源。

美國聯邦環保署對VOC的定義是:

“揮發性有機物(VOC)指的是除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物或碳酸鹽及碳酸銨之外的,參與大氣光化學反應的含碳化合物。”

工藝排氣

排放源描述:美國聯邦環保署為部分排放源制訂了單獨的排放標準,因此這些排放源不受上述工藝排氣標準的約束。這些排放源包括:泄壓裝置排氣、設備泄漏、催化裂化裝置催化劑再生排氣、催化重整裝置再生排氣、硫磺廠排氣、包括汽提塔在內的污染防治設備排氣、延遲焦化裝置脫焦作業、儲存裝置和廢水處理裝置排氣等。

原標準的VOC污染防治要求:根據原標準的有關要求,工藝排氣必須導入火炬或其它大氣污染防治設備。火炬和大氣污染防治設備必須將廢氣中有機有害大氣污染物的重量降低98%以上,或將其濃度降低至20ppmv(干基)以下,基準氧含量為3%。

新增監測和污染防治技術要求:新增的監測和污染防治技術要求則對設備啟動、關閉、故障、維護或檢驗期間產生的排放作出了具體規定。在這些時段產生的大氣排放被稱為維護排氣。在將維護排氣釋放到大氣之前,廠區運營方必須最大限度地去除其中夾雜的液體,將工藝設備降壓,并將排氣導入污染防治設備(滿足上述98%減排或20ppmv干基濃度要求)、燃料氣系統或工藝過程進行處理,直到其滿足以下任意一項條件:

接收維護排氣的裝置內蒸汽的爆炸下限低于10%;或者如果蒸汽的爆炸下限無法測量,則裝置內壓力應等于或低于5psig;或者接收維護排氣的裝置內含有72磅以下的VOC

火 炬

排放源描述:火炬指的是不具有密封燃燒室,借助不受控制的環境空氣燃燒氣體的燃燒裝置。火炬可以分為四個主要類別:空氣助燃火炬、蒸汽助燃火炬、壓力助燃火炬和非助燃火炬。美國聯邦環保署新增的大氣污染排放要求主要涉及了空氣助燃、蒸汽助燃和非助燃三個類別。

幾乎所有的煉油廠、石化廠或有機化學品制造商都通過至少一部火炬對設備啟動、關閉或故障期間產生的廢氣進行控制。一般來說,每座煉油廠或石化廠通常設有3至4部火炬。除了緊急情況下的廢氣處理,火炬也經常用于多種VOC排放源的污染防治。當火炬氣燃燒不充分時,VOC便會釋放到大氣中。如果火炬的不正常運行導致其燃燒效率降低,則可能產生大量的VOC排放。

原標準的VOC污染防治要求:

根據原標準的有關要求,火炬須:

是蒸汽助燃、空氣助燃或非助燃火炬

在廢氣可能導入的全時段保持運行

按照不產生可見排放的標準進行設計,且在運行過程中不出現可見排放。每連續2小時內可出現總時長不超過5分鐘的例外在運行時始終保持引燃火焰。引燃火焰須借助熱電偶或類似的設備進行監控根據火炬的類別和直徑,借助最低熱含量或最大火炬頭速度參數闡釋其初始合規狀況。

新增監測和污染防治技術要求:在對原標準的有關要求及其執行結果進行審閱后,美國聯邦環保署認為,應當以保證火炬滿足有害大氣污染物減排效率并在設備啟動、關閉和故障期間將大氣排放控制在最低水平為目標,制訂新的配套要求,并使企業在可行的情況下盡量減少火炬的常規使用。

首先,新的大氣排放標準(記載在美國聯邦法規40 CFR Part 60,Subpart Ja下)要求火炬所有者或運營方制定并提交一份書面的火炬管理計劃,闡述如何在排放源處或通過安裝火炬氣回收系統,以及在正常運行期間及規劃的設備啟動和關閉期間盡量減少火炬的使用。在落實火炬使用最少化評估過程確定的各項措施之后,火炬所有者或運營方應當為每部火炬建立一項流率基線,并在任何24小時火炬參數超過基線50萬標準立方英尺(或14160標準立方米)事件發生的45天內執行一項根源分析。

根據相關研究調查的結果和外部專家評議小組的參考意見,美國聯邦環保署認為火炬的績效主要受以下三個主要因素影響:(1)工藝排氣向火炬的流動;(2)向火炬添加的助燃劑(空氣或蒸汽)的量;以及(3)工藝排氣和助燃劑混合物在燃燒區域的燃燒性,并確定和評估了影響混合物燃燒性的三個潛在性質:凈熱值、爆炸下限和可燃燒成分的總濃度。美國聯邦環保署認為,使用人工凈熱值為1212 Btu/scf(基于對氫氣和氣態烴類燃料爆炸下限的比較)計算的燃燒區域混合物的凈熱值能夠帶來最佳的火炬績效。

設備泄露

排放源描述:設備泄漏指的是從泵、壓縮機密封、工藝閥門、泄壓裝置、開口閥門和管線、法蘭和其它連接器、攪拌機和儀表系統等工藝設備釋放工藝流體或蒸汽的現象。設備泄漏主要發生在相互連接的設備部件之間或密封部件處。

原標準的VOC污染防治要求:受原標準約束的設備泄漏主要是含有或接觸VOC重量超過5%的流體(液體或氣體)的設備產生的泄漏;設備泄漏調查應至少每季度執行一次,除非企業滿足特定的條件并可執行“跳躍式監測”(每半年一次);新建和現存排放源均應根據實際情況在開口閥門和管線上安裝保護帽、插塞或法蘭盲板;在設備泄漏確定之后,企業必須在15天內對其進行修復。第一次修復嘗試必須在5天內完成。

新增監測和污染防治技術要求:

在對原標準進行審閱的過程中,美國聯邦環保署曾考慮下修泵和閥門設備泄漏的定義,即將新建和現存排放源的泵泄漏定義降低至500ppm或2000ppm,并將閥門的泄漏定義降低至500ppm。

美國聯邦環保署也考慮對原標準中手持式探測儀使用的有關規定進行更新,將光學氣體成像等遙感技術列為一種替代方法。企業在通過替代方法執行泄漏探測時,可使用遙感技術裝置或系統對廠區內的設備進行掃描。常見的遙感技術主要包括:紅外波長光學氣體成像、差異吸收光探測和測距(DIAL)和紅外掩日通量(SOF)等。

美國聯邦環保署更新了有機化學品制造商和煉油廠VOC設備泄漏的排放標準。根據煉油廠以往的法規執行情況,根據EPA方法21組織的監測經常執行得過快,沒能有效地監測各個設備組件。

儲 罐

排放源描述:儲罐用于儲存液體和氣體工藝給料或工藝產品。大部分儲罐的設計是在標準大氣壓或接近標準大氣壓的環境中運行(即常壓儲罐);高壓儲罐則特別用于儲存壓縮氣體和液化氣體等物質。常壓儲罐通常采用縱向圓柱體結構,并建有固定或可浮動的罐頂。一些小型的常壓儲罐可能采用橫向圓柱體結構。高壓儲罐一般采用球狀或橫向圓柱體結構。

儲罐的VOC排放主要是由罐內液體的加注和排空,以及由溫度和氣壓導致的蒸發損失導致的。不當關閉的開口、儲罐配件和其它污染防治設備也會產生一部分排放。另外,儲罐在關閉或維護時需要排空內部儲存的液體或氣體,因此也會產生VOC排放。

原標準的VOC污染防治要求:

內浮頂儲罐:原標準要求內浮頂儲罐的浮頂必須隨時停留在液體表面,除了在儲罐第一次加注之前或因檢驗和維護進行排空而必須使用支撐等情況下。儲罐必須在罐壁和浮頂邊緣安裝閉合裝置。閉合裝置包括液態鑲嵌式密封、金屬鞋式密封或這兩種密封上下排列。

外浮頂儲罐:原標準要求外浮頂儲罐的浮頂必須隨時停留在液體表面,除了在儲罐第一次加注之前或因檢驗和維護進行排空而必須使用支撐等情況下。儲罐必須在罐壁和浮頂邊緣之間安裝閉合裝置。閉合裝置應包括兩種上下排列的密封。下方的密封被稱為一級密封,而上方的密封則被稱為二級密封。一級密封必須是金屬鞋式密封或液態鑲嵌式密封。

外浮頂儲罐改造為內浮頂儲罐:外浮頂儲罐改造為內浮頂儲罐時,應遵循內浮頂儲罐適用的有關標準和要求。

一般儲罐的要求:企業應定期對儲罐封閉處、密封和墊圈等結構進行目視檢驗,確保沒有發生泄漏。另外還應定期執行罐內檢驗,以確認儲罐的完整性。


新增監測和污染防治技術要求:

根據分析結果,美國聯邦環保署新增了儲罐配件的大氣污染防治要求。新標準中為浮頂儲罐配件提出的有關要求包括:

儲罐中除自動泄氣孔(真空斷路孔)和邊緣空間孔之外的所有開口的下緣必須位于儲存液體表面以下。除自動泄氣孔(真空斷路孔)、邊緣空間孔、支撐架套筒和甲板泄水孔之外的所有開口須配備密封罩,并在不需要開放時始終保持關閉。每個自動泄氣孔(真空斷路孔)和邊緣空間孔須配備密封蓋、棘爪、片狀閥或其它密封裝置。固定罐頂支撐柱的每個開口可配備柔性織物套密封以代替甲板敷料。每個采樣井或甲板泄水孔可配備縫隙織物密封或能夠覆蓋開口90%以上的相似裝置,以代替甲板敷料。每個無槽導柱或無槽梯的開口應配備刷柱器,并在導柱的頂端安裝密封蓋。每個有槽導柱或有槽梯應配備:(1)刷柱器和浮標,且浮標的密封應高于刷柱器或與其持平;或者(2)刷柱器和套筒;或者(3)撓性附件裝置和密封蓋。這些控制技術也記載在石化廠排放標準中,可最大程度上降低儲罐產生的無組織排放。

廢水系統

排放源描述:廢水系統產生的大氣排放主要來自開放式廢水收集、處理和儲存設備中的VOC揮發。有機物從廢水揮發到大氣中,直到其在液態和氣態之間達到均衡。對VOC揮發速率造成影響的因素主要包括:

廢水表面的空氣流速

設備中廢水的表面積

廢水的溫度

設備中的亂流

廢水在設備中停留的時長

設備中廢水的深度

廢水中有機物的濃度及其物理性質,例如在水中的波動性和擴散系數等

是否存在油膜或生物降解等抑制或減緩揮發的現象

原標準的VOC污染防治要求:

廢水收集系統:原標準要求所有的排水管加裝封皮、水封、塞子或蓋子。排水管產生的廢氣必須導入工藝設備或污染防治設備。集線箱應安裝邊緣密封較緊的封皮。下水管道必須保持覆蓋和密封,節點或密封處不應存在任何可見的縫隙和裂縫。下水管道也應至少每半年檢驗一次,并重點尋找縫隙、裂縫等排放點。在執行標準中規定的各項檢驗時,如果發現了任何問題,必須在5天內進行第一次修復嘗試,并在45天內修復完成。

熱交換系統 

排放源描述:熱交換器是在不使工藝流體與冷卻流體發生直接接觸(例如無接觸熱交換器)的前提下,將工藝流體中所含的熱量傳輸至另一種流體(一般是空氣或水)的設備或設備組。熱交換器的內部管道材料有時可能發生腐蝕或破裂,使得部分工藝流體發生泄漏并混入冷卻水中。這樣一來,VOC便會隨著冷卻水釋放到大氣中。

原標準的VOC污染防治要求:美國聯邦環保署為有機化學品制造和石化行業制訂了熱交換系統大氣污染防治要求。企業應根據相關要求對冷卻水進行采樣,并分析其總烴、總有機碳或特定污染物的含量。總烴或總有機碳的采樣分析并不是探測小規模泄漏的最佳方法,這是由于工業用水中通常總是含有一定量的總烴或總有機碳(即背景濃度)。除此以外,企業還可根據對工藝流體情況的掌握,確定部分特定的污染物進行采樣分析。例如,乙烯廠可特別針對導出熱交換器的水的乙烯濃度進行監控,以此對潛在的泄漏情況進行探測。

新增監測和污染防治技術要求:在對煉油廠熱交換系統大氣污染防治要求的備選方案進行審閱的過程中,美國聯邦環保署確定了一項可用于計算冷卻水中可汽提烴類總濃度的分析方法。這項被稱為汽提法(也被稱為改進版El Paso方法)的分析方法使用一部小型汽提塔模擬冷卻塔。導出熱交換器的冷卻水在發生大氣排放之前被導入汽提塔的頂部,同時空氣被導入汽提塔的底部。由冷卻水中揮發的VOC與汽提空氣發生混合,并通過傳統的火焰離子化探測確定冷卻水中可汽提烴類的總含量。

總體改善 

邊界監測要求:在對VOC排放標準進行審閱的過程中,美國聯邦環保署制訂了工業行業大氣標準中的第一項邊界監測項目。該項目的目的是確保企業有效對其無組織排放展開監測和治理。如下文所述,該項目要求煉油廠對其廠區四周的苯的大氣濃度進行監測,并定期向美國聯邦環保署上報。該項目的行動水平為9μg/m3苯。當廠區四周的苯濃度達到或超過該值時,企業即應立即按照規定執行根源分析并采取必要的改正措施,以降低苯的濃度。

邊界監測設備的布局要求記載在美國聯邦環保署EPA方法325A中。該方法規定,監測儀應根據煉油廠的實際規模,沿著其四周邊界以15-30度夾角分布設置。小型煉油廠的監測儀間距相對較大,而大型煉油廠的監測儀間距則相對較小。

緊急泄漏情況的管理規定:作為原標準審閱工作的一部分,美國聯邦環保署特別對原標準中沒有涉及(也經常排除在排放清單以外)的設備啟動、關閉或故障期間的排放情況進行了評估。除了前面章節中提到的涉及維護排氣和火炬的規定外,美國聯邦環保署還將大氣泄壓裝置確定為可能產生較大潛在排放,且沒有在原標準中得到有效約束的排放源。

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