揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體泄漏檢測與修復(fù)技術(shù)

魯 君 ，李 莉，林 立，鄔堅(jiān)平，王紅麗，陳長虹

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體泄漏檢測與修復(fù)技術(shù)

魯 君 ，李 莉，林 立，鄔堅(jiān)平，王紅麗，陳長虹

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

介紹了一種先進(jìn)的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放控制技術(shù)，即設(shè)備管線組件泄漏檢測與修復(fù)(LDAR)技術(shù)，詳細(xì)分析了LDAR技術(shù)在國內(nèi)外的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，并探討了該技術(shù)應(yīng)用于我國石化行業(yè)VOCs排放控制的前景。

泄漏檢測與修復(fù);揮發(fā)性有機(jī)物;石化行業(yè);監(jiān)測

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)作為光化學(xué)反應(yīng)的主要反應(yīng)物，能與NOx反應(yīng)生成強(qiáng)氧化性的中間產(chǎn)物，如過氧乙酰硝酸酯(PAN)、O3等［1－2］，同時(shí) VOCs也是造成城市和區(qū)域光化學(xué)煙霧及灰霾等復(fù)合型污染的重要成分［3］。VOCs具有滲透性強(qiáng)、脂溶性高、沸點(diǎn)低等特點(diǎn)，且大多數(shù)VOCs組分還具有毒理特性［4］，許多 VOCs組分(如苯、四氯乙烯)已被確認(rèn)為潛在的致癌物和有毒有害物質(zhì)。VOCs主要來源于人為和天然，而城市大氣中的VOCs主要來自人為源排放，其中，工業(yè)源是VOCs的主要人為排放源之一，而石化行業(yè)排放又占據(jù)絕對重要地位。

石油煉制和石油化工生產(chǎn)過程無組織排放的主要污染物是有機(jī)物，排放點(diǎn)多且分散，排放的污染物濃度變化較大［5－6］。隨著石油化工裝置的大型化，工廠生產(chǎn)快速發(fā)展，泄漏問題越來越引起人們的重視。泄漏不僅造成物料的損失、環(huán)境的污染，還可能導(dǎo)致巨大的傷亡破壞事故［7－8］。研究表明，石化行業(yè)VOCs排放總量中，管線組件和儲罐的泄漏排放約占76%［9］。目前國內(nèi)設(shè)備泄漏等無組織排放的直接監(jiān)控技術(shù)還沒有較科學(xué)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，從而無法對泄漏造成的VOCs排放實(shí)施有效的監(jiān)控。雖然HJ/T55—2000《大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》［10］中具有無組織排放環(huán)境空氣的監(jiān)測規(guī)范，但由于廠界環(huán)境空氣的監(jiān)測手段在實(shí)際應(yīng)用中受到若干條件限制，導(dǎo)致可操作性和污染控制無法達(dá)到理想的效果。

針對石化企業(yè)的無組織泄漏現(xiàn)狀，國外普遍采取對管線組件可能的泄漏排放點(diǎn)進(jìn)行直接檢測，即通過實(shí)施泄漏檢測修復(fù)(LDAR)技術(shù)控制排放，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在泄漏現(xiàn)象的組件，并進(jìn)行修復(fù)或替換，實(shí)現(xiàn)降低泄漏排放的目標(biāo)。

本文詳細(xì)介紹了LDAR技術(shù)的實(shí)施流程，分析了該技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用狀況及實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，對我國石化行業(yè)進(jìn)行VOCs污染控制具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 LDAR技術(shù)簡介

1.1 設(shè)備檢漏技術(shù)的發(fā)展過程

最早的設(shè)備檢漏技術(shù)是目測耳聽，隨后發(fā)展到使用皂膜檢漏(目前我國的石化企業(yè)仍主要使用該技術(shù))，進(jìn)一步發(fā)展為使用便攜式的檢測器檢漏。近年來，美國又發(fā)展出了利用紅外線光攝像協(xié)助檢漏的技術(shù)。由于環(huán)保管理要求的不斷提高和新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，目前國外發(fā)達(dá)國家最成熟和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是儀器檢漏。美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)編制的揮發(fā)性有機(jī)物泄漏測定方法(方法21)列入美國聯(lián)邦法典，已成為通用的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法，被許多國家和機(jī)構(gòu)所引用。

1.2 LDAR 流程

美國EPA文件《泄漏檢測與修復(fù):最佳技術(shù)指南》指出，較為成熟的LDAR作業(yè)主要分為五個(gè)步驟，包括泄漏點(diǎn)定位、定義泄漏濃度、確定監(jiān)測組件、修復(fù)泄漏組件以及記錄保存。

首先，確定一個(gè)工廠中需要泄漏檢測的設(shè)備。用唯一的標(biāo)識符(ID)標(biāo)簽標(biāo)識每個(gè)法定檢測組件(美國法規(guī)規(guī)定特定設(shè)備組件必須實(shí)施LDAR)，接著在管路和設(shè)備圖紙中標(biāo)記目標(biāo)組件的ID號，并用電子設(shè)備記錄LDAR數(shù)據(jù)，泄漏組件上使用條形碼以便數(shù)字化。定期到現(xiàn)場檢查，以確保工廠在用設(shè)備中各組件與ID號和圖紙標(biāo)簽一一對應(yīng)。

其次，定義泄漏標(biāo)準(zhǔn)(根據(jù)法規(guī)，污染物排放達(dá)到一定程度時(shí)所定義的濃度值)。例如:美國EPA相關(guān)法規(guī)中一般規(guī)定設(shè)備的泄漏標(biāo)準(zhǔn)是5×10－4(體積分?jǐn)?shù)，下同)，如果某設(shè)備檢出濃度超過該值，說明該設(shè)備發(fā)生泄漏，需要維修。工廠一般采用比法規(guī)要求更嚴(yán)格的泄漏標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)存在多重泄漏標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一律采用最嚴(yán)格泄漏標(biāo)準(zhǔn)。

第三，監(jiān)測法定組件的泄漏狀況。用檢測儀器在可能泄漏的設(shè)備表面檢測，如果發(fā)現(xiàn)檢測器讀數(shù)偏大并有上升趨勢，繼續(xù)追蹤其周邊范圍，需將檢測器置于讀數(shù)最高值處并在儀器響應(yīng)時(shí)間內(nèi)至少讀數(shù)兩次，記錄最大值為此處監(jiān)測得到的泄漏值。設(shè)備組件的監(jiān)測周期各不相同，工廠或企業(yè)的監(jiān)測頻次比法規(guī)規(guī)定的頻次更高。

第四，美國新源國家標(biāo)準(zhǔn)(NSPS)規(guī)定:一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備泄漏，必須在5 d內(nèi)進(jìn)行修復(fù)，維修時(shí)間不得超過15 d;可用無泄漏組件或其他技術(shù)修復(fù)，泄漏組件修復(fù)后應(yīng)及時(shí)監(jiān)測，以確保其成功修復(fù)。只有在特定的不可控制的條件下可延遲修復(fù)，但延遲維修必須記錄在案，并注明延遲維修的具體時(shí)間。

最后，記錄數(shù)據(jù)并報(bào)告。保存記錄的數(shù)據(jù)庫應(yīng)包括所有需監(jiān)測的目標(biāo)組件、具有特殊設(shè)計(jì)或豁免監(jiān)測的組件、所有的監(jiān)測和修復(fù)數(shù)據(jù)等。美國法規(guī)規(guī)定，對泄漏檢測修復(fù)的報(bào)告是2次/年，報(bào)告的內(nèi)容包括每月泄漏的泵數(shù)量、閥門數(shù)量、壓縮機(jī)數(shù)量、15 d內(nèi)未修復(fù)的組件數(shù)量，延遲修復(fù)的原因，由于維修而造成的操作單位關(guān)閉的記錄清單，更換組件的詳細(xì)清單等。

1.3 LDAR實(shí)施的效益

實(shí)施泄漏排放控制后，可明顯減少設(shè)備的泄漏排放。由于石油化工企業(yè)設(shè)備的泄漏大多為VOCs和揮發(fā)性有害大氣污染物(VHAPs)，這些物質(zhì)已被確認(rèn)對環(huán)境和人體有不利影響。據(jù)美國EPA對實(shí)施LDAR的企業(yè)進(jìn)行評估的結(jié)果，石油精煉企業(yè)實(shí)施LDAR后設(shè)備泄漏量減少了63%，石化企業(yè)VOCs排放量可降低56%。實(shí)施LDAR項(xiàng)目后可明顯降低排放，產(chǎn)生巨大效益，主要體現(xiàn)在以下方面:

(1)減少產(chǎn)品損失。石化企業(yè)中，許多原料和產(chǎn)品在加工過程中因泄漏逃逸而損失，產(chǎn)品的損失直接意味著經(jīng)濟(jì)損失，因此，減少泄漏排放可減少產(chǎn)品損失，增加企業(yè)收入。

(2)保障工廠職工的安全和健康。許多從精煉廠和化工廠泄漏逃逸的化合物對暴露的操作工人有健康危害，減少設(shè)備泄漏排放可直接有利于減少有害物質(zhì)對人體的傷害。

(3)減少周邊社區(qū)的環(huán)境危害。由于設(shè)備泄漏，工廠員工并不是唯一的受害者，工廠周邊社區(qū)的人群同樣長期受有毒空氣污染物的嚴(yán)重影響。盡管社區(qū)人群的暴露具有間歇性，但是暴露人群可能因長期積累暴露而受到慢性健康影響。

(4)減少排放稅。美國各州和地區(qū)根據(jù)工廠的年總排放量征收一定的排放稅。工廠通過采取有效措施可減少設(shè)備泄漏，進(jìn)而減少工廠需要交付的排放稅。

(5)避免行政處罰。美國EPA確認(rèn)LDAR項(xiàng)目是國家重點(diǎn)VOCs控制措施之一，并出臺相應(yīng)優(yōu)先控制有毒空氣污染的執(zhí)行法規(guī)。因此，工廠有效實(shí)施LDAR項(xiàng)目可減少有毒污染物排放，從而避免受行政處罰。

2 國內(nèi)外實(shí)施LDAR的現(xiàn)狀

2.1 LDAR 的歷史

20世紀(jì)50年代，通過對美國洛杉磯的石化區(qū)實(shí)地全面調(diào)研，提出石化區(qū)存在部分設(shè)備管線泄漏，而且還存在許多潛在泄漏排放的組件，因而指出設(shè)備泄漏累積將成為一個(gè)重要的環(huán)境問題。

20世紀(jì)90年代，美國《清潔空氣法》修正案規(guī)定石化企業(yè)必須實(shí)施泄漏檢測和修復(fù)技術(shù)，以控制泄漏排放。美國EPA于1993年頒布了《設(shè)備泄漏排放估算協(xié)議》，并于1995年對該協(xié)議進(jìn)行了修正。

2006年4月，美國EPA法規(guī)通過了LDAR的升級技術(shù)(Smart－LDAR)。相對于傳統(tǒng)的泄漏檢測方法，Smart－LDAR的主要特點(diǎn)是可以通過遠(yuǎn)距離光學(xué)成像同時(shí)檢查多個(gè)泄漏組件，從而增加監(jiān)測頻次，能更快地找出泄漏組件并實(shí)施修復(fù)。

2.2 國內(nèi)外實(shí)施現(xiàn)狀

國外針對石油化工等涉及VOCs泄漏的行業(yè)相繼采取了LDAR技術(shù)，目前許多國家和地區(qū)(包括加拿大、歐盟等)均以美國的方法21作為LDAR技術(shù)實(shí)施的依據(jù)。方法21由美國EPA提出，是用于保障查找無組織泄漏排放的監(jiān)測方法協(xié)議。

2.2.1 美國

美國石化企業(yè)中，設(shè)備泄漏是最大的VOCs和VHAPs排放源。根據(jù)美國EPA國家執(zhí)行調(diào)查中心的研究，全美國有毒有害物質(zhì)排放清單中，非石化企業(yè)的泄漏排放占22%，石化企業(yè)的泄漏排放占55%。設(shè)備泄漏造成的VOCs排放量遠(yuǎn)超過容器儲存、污水處理、轉(zhuǎn)移操作、通風(fēng)換氣等，而閥門和接口的泄漏占泄漏排放總量的90%以上。

因此，自20世紀(jì)80年代初開始，美國聯(lián)邦法典對新源石化煉油行業(yè)的設(shè)備VOCs泄漏排放提出嚴(yán)格的作業(yè)要求，規(guī)定必須對石化企業(yè)實(shí)施LDAR作業(yè)，進(jìn)行設(shè)備(包括閥門、泵、采樣器、壓縮機(jī)、泄壓設(shè)備及開口管線)檢漏，以控制管線組件的無組織排放。此后，LDAR技術(shù)被美國許多州和地方政府所采納，作為該地區(qū)達(dá)到美國大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)措施之一。1990年美國《清潔空氣法》修正案中將LDAR技術(shù)規(guī)程納入其中，作為最大可行控制技術(shù)(MACT)。美國EPA及企業(yè)一起努力尋求“更清潔、更經(jīng)濟(jì)、更智能”的方法以控制設(shè)備泄漏。在美國2008～2010年度計(jì)劃中，已將LDAR技術(shù)作為重點(diǎn)關(guān)注的三個(gè)國家有毒有害污染物控制措施之一。

LDAR主要參照EPA方法21來確定泄漏組件。美國EPA方法21定義了檢漏儀器的條件(如檢測器、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)系數(shù)等)和檢測技術(shù)，方法21包括用檢漏儀器在可能泄漏管線組件的表面移動，測試VOCs濃度，將檢測的VOCs濃度值與國家或地方限值進(jìn)行比較，以確定是否泄漏、是否需要修復(fù)。

目前，美國共有25個(gè)聯(lián)邦政府標(biāo)準(zhǔn)要求企業(yè)或機(jī)構(gòu)施行LDAR。聯(lián)邦政府關(guān)于LDAR的法規(guī)主要為《控制技術(shù)指導(dǎo)守則》、《新排放標(biāo)準(zhǔn)》、《國家有毒空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。新法規(guī)《合成有機(jī)化工行業(yè)有毒大氣污染物國家排放標(biāo)準(zhǔn)和石化行業(yè)最佳可行控制技術(shù)》中明確提出對碳?xì)浠衔锛庸ば袠I(yè)實(shí)施嚴(yán)格的LDAR技術(shù)，以滿足法規(guī)中的排放要求。其中美國新源國家標(biāo)準(zhǔn)是聯(lián)邦政府對LDAR所指定的最重要的法規(guī)，它可直接應(yīng)用于有機(jī)化工行業(yè)，滿足實(shí)際操作工作的需求，成為多個(gè)州立法規(guī)的模式。許多州立法規(guī)對LDAR規(guī)定比聯(lián)邦政府更為嚴(yán)格，如路易斯安那州、德克薩斯州等。

2.2.2 加拿大

2008年，加拿大環(huán)境署更新了其污染防治計(jì)劃，其中，在加拿大環(huán)境保護(hù)法案的第四章明確提出了關(guān)于空氣污染的防治計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)須將目前最新的科技應(yīng)用于有害化工氣體泄漏的防治工作中，建立并實(shí)施一套完善的泄漏檢測與修復(fù)技術(shù)。

加拿大《設(shè)備泄漏VOCs無組織排放檢測與控制實(shí)施法規(guī)》中要求，含有 VOCs體積分?jǐn)?shù)超過10%的設(shè)備管道需進(jìn)行監(jiān)測，直徑大于或等于1.875 cm的管道需實(shí)施LDAR作業(yè)以監(jiān)測控制泄漏排放。對設(shè)備實(shí)施LDAR的要求為:(1)壓縮機(jī)需每3個(gè)月監(jiān)測1次，其他組件每年監(jiān)測1次;(2)任何組件一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，需立即實(shí)施修復(fù);(3)大氣泄壓閥需24 h內(nèi)修復(fù)。泄漏組件的數(shù)量不得超過監(jiān)測組件的2%。泵/壓縮機(jī)的泄漏率不得高于10%。

2004年初，加拿大石油工廠協(xié)會(CAPP)與加拿大環(huán)境署合作研討逸散性氣體排放的最佳管理方法。清潔空氣戰(zhàn)略聯(lián)盟(CASA)也給出了相關(guān)建議，要求加拿大上游油氣行業(yè)須于2005年12月31日前制定一套針對逸散性排放的最佳管理方法，相關(guān)部門須頒布并實(shí)施LDAR許可證制度，并于2007年由CASA對上游石化行業(yè)進(jìn)行復(fù)查考核。

2.2.3 中國臺灣

中國臺灣環(huán)保局依據(jù)《揮發(fā)性有機(jī)空氣污染管制及排放標(biāo)準(zhǔn)》要求石化企業(yè)須對設(shè)備組件實(shí)施定期LDAR作業(yè)，并呼吁各石化企業(yè)切實(shí)做好設(shè)備組件操作與維護(hù)工作，落實(shí)定期檢測修復(fù)作業(yè)，以有效杜絕VOCs逸散產(chǎn)生，改善臭氧污染問題。

2.2.4 中國北京

我國北京市環(huán)保局已于2007年頒布了控制揮發(fā)性有機(jī)污染物的地方標(biāo)準(zhǔn)，即DB11—447 2007《煉油與石油化學(xué)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［11］和DB11/501 2007《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［12］，其中引用了國外的設(shè)備泄漏監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)限值。表1為北京地方標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備管線的VOCs泄漏限制濃度。

表1 北京地方標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備管線的VOCs泄漏限制濃度

目前國內(nèi)尚無對企業(yè)實(shí)施LDAR的控制效率和相應(yīng)VOCs減排效率的報(bào)道。除北京外，暫無國家或其他地方標(biāo)準(zhǔn)對企業(yè)設(shè)備泄漏提出控制要求。

3 Smart LDAR的應(yīng)用現(xiàn)狀

美國石油協(xié)會研究發(fā)現(xiàn)，90%以上的泄漏排放較易控制，僅有0.13%的管線組件較難控制。研究顯示，由于美國EPA方法21要求對工廠中的每個(gè)管線組件進(jìn)行檢測的費(fèi)用較為昂貴，因此采用經(jīng)濟(jì)有效的方法定位大量泄漏點(diǎn)位，可削減大量監(jiān)測費(fèi)用。這種經(jīng)濟(jì)有效的方法稱為Smart LDAR，它是一種有效尋找大泄漏點(diǎn)并修復(fù)的技術(shù)。經(jīng)過幾年的開發(fā)、摸索和實(shí)踐，該新技術(shù)已經(jīng)具備了檢測泄漏的快速經(jīng)濟(jì)有效的優(yōu)越性。當(dāng)管線組件的泄漏量超過一定值時(shí)，操作者可清晰看到泄漏圖像［13］。目前美國和加拿大正積極引入該技術(shù)，并摸索經(jīng)濟(jì)有效地開展LDAR技術(shù)實(shí)施和管理的方法。

4 結(jié)論與展望

石油化工行業(yè)無組織VOCs泄漏控制技術(shù)——LDAR已在多國得到法律法規(guī)的認(rèn)可和支持，如美國和我國臺灣等地法規(guī)要求石化行業(yè)設(shè)備必須實(shí)施LDAR作業(yè)。在近年來科技的發(fā)展下，利用光學(xué)成像技術(shù)能更加經(jīng)濟(jì)、快速地尋找設(shè)備泄漏點(diǎn)，較快地實(shí)施修復(fù)技術(shù)，這一技術(shù)經(jīng)濟(jì)、有效地控制了化學(xué)工藝過程設(shè)備的泄漏排放。

國內(nèi)石油化工的產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)能力已躍居世界前列，但是針對石化行業(yè)VOCs泄漏源多且分散的現(xiàn)狀，仍具有較大的控制空間。學(xué)習(xí)、引用國外先進(jìn)技術(shù)，推廣使用LDAR泄漏控制技術(shù)，對減少工業(yè)源VOCs的泄漏排放具有重要的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也有利于改善城市大氣質(zhì)量和降低石化企業(yè)周邊居民的健康風(fēng)險(xiǎn)。

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Leakage Detection and Reparation Technology for Gas Containing Volatile Organic Compounds

Lu Jun，Li Li，Lin Li，Wu Jianping，Wang Hongli，Chen Changhong
(Shanghai Academy of Environmental Sciences，Shanghai 200233，China)

The leakage detection and reparation(LDAR)technology of facility，pipe-line and module，an advanced VOCs emussion control technology，is introduced.The application effects of LDAR technology at home and abroad are analyzed in detail.And its application for VOCs control in petrochemical industry in China is prospected.

leakage detection and reparation;volatile organic compound;petrochemical industry;monitoring

TE991.1

A

1006－1878(2011)04－0323－04

2011－01－18;

2011－03－15。

魯君(1984—)，女，浙江省寧波市人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂?。電?021－64085119，電郵 lujun@saes.sh.cn。

(編輯 張艷霞)