重污染天氣期間石化企業(yè)減產(chǎn)或限產(chǎn)措施有效性研究

趙東風(fēng) 趙浩楠 廉金龍 李晶 孫慧

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院 山東青島 266580； 2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶石化公司 陜西咸陽(yáng) 712000；3.青島中石大環(huán)境與安全技術(shù)中心有限公司 山東青島 266580)

0 引言

石化行業(yè)作為我國(guó)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，也是大氣污染物的主要貢獻(xiàn)源之一[1-3]。重污染天氣期間，減產(chǎn)或限產(chǎn)為其主要的應(yīng)急響應(yīng)措施，應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別越高，減產(chǎn)或限產(chǎn)力度越大[4]。有專家指出，工業(yè)企業(yè)減產(chǎn)或限產(chǎn)可能造成大氣污染物增排。某市應(yīng)急減排方案要求鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工段限產(chǎn)，朱爍[5]提出，燒結(jié)環(huán)節(jié)開(kāi)停機(jī)前后時(shí)段無(wú)法滿足脫硫設(shè)施運(yùn)行條件，導(dǎo)致脫硫設(shè)施在開(kāi)停機(jī)前后時(shí)段退出運(yùn)行，燒結(jié)環(huán)節(jié)頻繁開(kāi)停機(jī)，不但不能實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，甚至增加了污染物排放。本文選取我國(guó)西北某典型石化企業(yè)(以下簡(jiǎn)稱A企業(yè))，收集A企業(yè)2018年和2019年大氣污染物排放數(shù)據(jù)，對(duì)比分析2018～2019年重污染天氣和正常生產(chǎn)期間SO2，NOX和顆粒物的有組織排放和VOCs無(wú)組織排放量變化，探究石化企業(yè)減產(chǎn)、限產(chǎn)對(duì)大氣污染物排放量的影響。

1 A企業(yè)生產(chǎn)情況

1992年投產(chǎn)至今，A企業(yè)已形成原油加工能力500萬(wàn)t/a的生產(chǎn)規(guī)模。A企業(yè)共有主體生產(chǎn)裝置9套，以及動(dòng)力系統(tǒng)、公用工程、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)等，結(jié)合排污許可和重污染天氣管控要求，僅對(duì)SO2，NOX，顆粒物和VOCs排放量進(jìn)行研究。

2 2018～2019年重污染天氣期間A企業(yè)應(yīng)急響應(yīng)情況

進(jìn)入秋冬季后，A企業(yè)隨即將生產(chǎn)負(fù)荷下調(diào)為設(shè)計(jì)負(fù)荷的95%，重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)期間在此基礎(chǔ)上調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷。2018～2019年，A企業(yè)重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)起止時(shí)間為2018年11月27日～2019年3月28日，減產(chǎn)總時(shí)長(zhǎng)76 d。2018～2019年A企業(yè)重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)調(diào)整如下表1所示。

表1 2018～2019年重污染天氣期間A企業(yè)應(yīng)急響應(yīng)調(diào)整

按照企業(yè)內(nèi)部《重污染天氣操作方案》要求，對(duì)應(yīng)不同重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別，A企業(yè)所采取的減產(chǎn)措施如下：III級(jí)響應(yīng)期間，減產(chǎn)5%，以設(shè)計(jì)負(fù)荷的90%生產(chǎn)；II級(jí)響應(yīng)期間，減產(chǎn)10%，以設(shè)計(jì)負(fù)荷的85%生產(chǎn)；I級(jí)響應(yīng)期間，減產(chǎn)15%，以設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%生產(chǎn)。

3 2018～2019年重污染天氣期間大氣污染物排放數(shù)據(jù)分析

正常生產(chǎn)期間，A企業(yè)基本保持滿負(fù)荷運(yùn)行，僅在部分時(shí)段根據(jù)產(chǎn)品需求對(duì)部分裝置進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整，整體加工量不變。首先對(duì)比不同應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別間污染物排放量，分析污染物排放量是否隨著減產(chǎn)力度的增加而逐漸減小。后任意選取與重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)相同的正常生產(chǎn)時(shí)段，對(duì)比正常生產(chǎn)和重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)期間污染物排放量，深入研究減產(chǎn)對(duì)大氣污染物排放量的影響。

3.1 各應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別間污染物排放量對(duì)比

在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)詳細(xì)且精確，可精確至小時(shí)排放，故根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析各應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別間污染物排放量變化。A企業(yè)共2個(gè)裝置加熱爐排氣筒設(shè)置在線監(jiān)測(cè)，選取催化裂化催化劑再生煙氣排氣筒污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2018～2019年重污染天氣期間，該排氣筒SO2，NOX和顆粒物的排放量如下表2所示。

表2 催化裂化催化劑再生煙氣排氣筒污染物排放量

從上表可以看出，重污染天氣期間，SO2和NOX的日均排放量均為III級(jí)響應(yīng)>II級(jí)響應(yīng)>I級(jí)響應(yīng)，隨著減產(chǎn)力度的增大污染物排放量逐漸減小，與減排預(yù)期相符。顆粒物的日均排放量為III級(jí)響應(yīng)

3.2重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)與正常生產(chǎn)期間污染物排放量對(duì)比

A企業(yè)手工監(jiān)測(cè)排氣筒污染物排放量和VOCs排放量均為月均值，無(wú)法根據(jù)詳細(xì)應(yīng)急響應(yīng)日期區(qū)分污染物排放量，故以月為分析單位。選取2018年4月～2019年6月為數(shù)據(jù)分析區(qū)間，2018年11月～2019年3月為重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)時(shí)期，作圖分析各月污染物排放數(shù)據(jù)。

3.2.1SO2，NOX，顆粒物有組織排放數(shù)據(jù)分析

A企業(yè)共有13個(gè)手工監(jiān)測(cè)排氣筒，每月監(jiān)測(cè)4次，4次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算取平均值即為該月污染物排放量。選取兩個(gè)典型裝置加熱爐排氣筒污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

(1)常壓加熱爐排氣筒。2018年4月至2019年6月期間，根據(jù)常壓加熱爐排氣筒污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，作下圖1。

圖1 常壓加熱爐排氣筒污染物排放量

由圖1可以看出，2018年11月至2019年3月期間，3項(xiàng)污染物排放量變化趨勢(shì)均為先下降后上升，在2019年1月達(dá)到最低值。2019年3月企業(yè)限產(chǎn)力度、限產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)均較大，但3項(xiàng)污染物排放量均未隨之減少，污染物排放量不降反升，與預(yù)期減排目的不符。

分別計(jì)算重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)和正常生產(chǎn)期間污染物月均排放量，如下表3所示，可以看出重污染天氣期間SO2排放量有所下降，降幅達(dá)28%，NOX排放量基本無(wú)變化，顆粒物排放量則增加15%。3項(xiàng)污染物排放量變化差別較大，減產(chǎn)、限產(chǎn)后變化趨勢(shì)不同步，且其中兩項(xiàng)污染物排放量不會(huì)隨著減產(chǎn)限產(chǎn)而降低。

(2)催化原料預(yù)處理裝置瀝青相加熱爐排氣筒。2018年4月至2019年6月期間，根據(jù)催化原料預(yù)處理裝置瀝青相加熱爐排氣筒污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，作下圖2。

由圖2可以看出，2018年11月至2019年3月期間，NOX排放量波動(dòng)較大，SO2排放量處于較低水平。2019年1月和3月企業(yè)減產(chǎn)限產(chǎn)力度較大，1月NOX和顆粒物排放量不降反升，與減排要求不符。

圖2 催化原料預(yù)處理裝置瀝青相加熱爐排氣筒污染物排放量

同時(shí)，觀察上圖發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析區(qū)間內(nèi)，NOX和顆粒物排放量變化趨勢(shì)較一致，與SO2排放量變化趨勢(shì)差別較大，3項(xiàng)污染物排放量變化不同步，A企業(yè)大多數(shù)加熱爐排氣筒污染物排放均存在此情況。可見(jiàn)通過(guò)減產(chǎn)、限產(chǎn)，很難實(shí)現(xiàn)3項(xiàng)污染物的同時(shí)減排，需要根據(jù)污染物種類(lèi)不同采取針對(duì)性減排措施。

分別計(jì)算重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)和正常生產(chǎn)期間污染物月均排放量，如下表4所示，可以看出重污染天氣期間SO2排放量降低17%，NOX和顆粒物排放量分別升高13%和7%，減產(chǎn)雖降低SO2排放量，但同樣帶來(lái)NOX和顆粒物的增排。

表4 減壓加熱爐排氣筒污染物月均排放量對(duì)比

按照上述分析方法，分別計(jì)算全廠13個(gè)手工監(jiān)測(cè)排氣筒在重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)和正常生產(chǎn)期間污染物月均排放量，并對(duì)比重污染天氣期間污染物排放量降幅，如下表5所示。

表5 手工監(jiān)測(cè)排氣筒重污染天氣期間污染物排放量降幅

由上表可以看出，全廠13個(gè)手工監(jiān)測(cè)排氣筒中，僅有5個(gè)排氣筒在重污染天氣減產(chǎn)期間有污染物減排效果，8個(gè)排氣筒存在污染物增排情況。A企業(yè)3項(xiàng)常規(guī)污染物排放量均不穩(wěn)定，變化趨勢(shì)不一致且變化較大，減產(chǎn)、限產(chǎn)會(huì)在一定程度上導(dǎo)致其中1～3項(xiàng)污染物排放量增加。

3.2.2 設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs泄漏數(shù)據(jù)分析

設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)是石化企業(yè)VOCs排放量中占比較大的源項(xiàng)[6]，我國(guó)重污染天氣應(yīng)急管控要求也明確了減少大氣VOCs的排放。本文通過(guò)對(duì)A企業(yè)20個(gè)裝置、區(qū)域設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在以下3種情況。

(1)設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量存在兩個(gè)穩(wěn)定排放階段，兩個(gè)階段排放量相差很大，在2018年12月至2019年1月排放量突降銜接了兩個(gè)階段。催化裂化裝置、罐區(qū)等9套裝置、區(qū)域存在此情況，如下圖3所示。

圖3 催化裂化裝置設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量

由圖3可以看出，2018年12月及以前VOCs排放量較高且排放穩(wěn)定，2019年1月排放量突降，隨后平穩(wěn)排放，排放量較低。2019年3月企業(yè)限產(chǎn)力度較大，但VOCs排放量變化很小，基本不受限產(chǎn)影響，同時(shí)，對(duì)比減產(chǎn)初期和減產(chǎn)開(kāi)始前、減產(chǎn)末期和減產(chǎn)結(jié)束后VOCs排放量，排放量前后波動(dòng)很小，不受減產(chǎn)限產(chǎn)影響。

(2)設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量在大部分時(shí)段平穩(wěn)排放，部分月份排放量異常，多為異常大值。如硫磺回收裝置、60萬(wàn)t/a柴油加氫裝置等6套裝置、區(qū)域存在此情況。如下圖4所示。

由圖4可以看出，硫磺回收裝置設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs在大部分時(shí)段均平穩(wěn)排放，僅在2019年4月～2019年6月有異常大值，但與減產(chǎn)限產(chǎn)無(wú)關(guān)。重污染天氣減產(chǎn)、限產(chǎn)期間，VOCs排放平穩(wěn)，基本不受減產(chǎn)、限產(chǎn)影響。

圖4 硫磺回收裝置設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量

(3)設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量波動(dòng)很大，無(wú)規(guī)律可循，無(wú)法確定減產(chǎn)、限產(chǎn)對(duì)VOCs排放量的影響。常減壓裝置、氣體分餾裝置等5套裝置、區(qū)域存在此情況，如下圖5所示。

圖5 常減壓裝置設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量

由圖5可以看出，常減壓裝置設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量很不穩(wěn)定，無(wú)論在正常生產(chǎn)期間或減產(chǎn)期間排放量均無(wú)規(guī)律。2019年1月和2019年3月企業(yè)減產(chǎn)、限產(chǎn)力度較大。2019年1月VOCs排放量隨著減產(chǎn)力度增大而減小，但2019年3月VOCs排放量隨著減產(chǎn)力度的增大而增加。故難以確定減產(chǎn)、限產(chǎn)對(duì)此類(lèi)裝置設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量是否存在影響及存在哪種影響。

3.2.3 儲(chǔ)罐VOCs排放數(shù)據(jù)分析

所選石化企業(yè)共有83個(gè)儲(chǔ)罐，其中33個(gè)固定頂罐，儲(chǔ)存物料包括汽油、柴油等輕組分，以及蠟油、渣油等重組分；37個(gè)內(nèi)浮頂罐，儲(chǔ)存物料包括汽油、輕石腦油等輕組分，MTBE等有機(jī)化學(xué)品以及重石腦油等重組分，大部分內(nèi)浮頂罐儲(chǔ)存物料為揮發(fā)性較大的輕液，主要原因?yàn)閮?nèi)浮頂罐油品損耗最小，一般為固定頂罐的4%[7]；13個(gè)外浮頂罐，儲(chǔ)存物料包括原油，以及直餾石腦油、汽油、柴油輕組分中間品或產(chǎn)品。A企業(yè)全部?jī)?chǔ)存系統(tǒng)中，僅有一個(gè)儲(chǔ)存苯的外浮頂罐設(shè)置油氣回收設(shè)施回收處理VOCs，該部分VOCs排放量納入工藝有組織排放中，其余儲(chǔ)罐呼吸VOCs排放均直排入大氣中，排放量較大。

A企業(yè)2018年共投用60個(gè)常壓儲(chǔ)罐，2019年共投用64個(gè)常壓儲(chǔ)罐，計(jì)算2018年4月～2019年9月A企業(yè)全部投用儲(chǔ)罐VOCs排放量如下表6所示。

表6 2018年4月～2019年9月全部罐型儲(chǔ)罐VOCs排放量

根據(jù)以上數(shù)據(jù)作圖6。

圖6 全部?jī)?chǔ)罐VOCs排放量

由圖6可以看出，A企業(yè)儲(chǔ)罐VOCs排放量規(guī)律性較強(qiáng)，在2018年7月達(dá)到峰值后逐漸下降，在2019年1月達(dá)到最低值，后逐漸上升并在2019年7月達(dá)到峰值，隨后逐漸下降。在限產(chǎn)力度較大的3月份，VOCs排放量未隨之減少，VOCs排放量變化趨勢(shì)與減產(chǎn)、限產(chǎn)力度變化趨勢(shì)不完全一致。

3.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

(1)減產(chǎn)、限產(chǎn)不一定實(shí)現(xiàn)污染物減排。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，SO2，NOX和顆粒物的排放量變化趨勢(shì)不一致且差別較大，尤其是減產(chǎn)、限產(chǎn)后，3項(xiàng)污染物排放量變化各異，很難實(shí)現(xiàn)同時(shí)增加或同時(shí)減少。重污染天氣期間，常壓加熱爐排氣筒等4個(gè)排氣筒顆粒物排放量上升，加氫裂化脫丁烷塔底重沸爐排氣筒等4個(gè)排氣筒二氧化硫排放量上升，減壓加熱爐排氣筒等5個(gè)排氣筒氮氧化物排放量上升。在13個(gè)排氣筒中有8個(gè)排氣筒存在重污染天氣期間污染物排放量上升的情況，部分排氣筒污染物排放量變化幅度差別很大，最大差別可達(dá)105%，可見(jiàn)在不能保證污染物同步變化的情況下，減產(chǎn)造成污染物增排的可能性更大，減產(chǎn)、限產(chǎn)可能在一定程度上導(dǎo)致其中1～3項(xiàng)污染物的排放量增加。

(2)設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs和儲(chǔ)罐VOCs排放基本不受減產(chǎn)、限產(chǎn)影響。通過(guò)分析20套裝置或區(qū)域設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量數(shù)據(jù)，共發(fā)現(xiàn)3種排放規(guī)律。其中15套裝置、區(qū)域VOCs排放量不受減產(chǎn)、限產(chǎn)影響，重污染天氣期間VOCs排放量基本無(wú)變化；5套裝置、區(qū)域設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOSs排放量波動(dòng)較大，VOCs排放量隨減產(chǎn)、限產(chǎn)力度增大而增加或減少的情況均有出現(xiàn)，難以確定減產(chǎn)、限產(chǎn)對(duì)其存在的影響。綜上，可初步判斷減產(chǎn)、限產(chǎn)對(duì)設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs排放量基本無(wú)影響。

通過(guò)對(duì)A企業(yè)儲(chǔ)罐VOCs排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)全部?jī)?chǔ)罐VOCs排放量變化趨勢(shì)基本一致，VOCs排放量在夏季7月份左右達(dá)到峰值后逐漸降低，在冬季1月份左右達(dá)到最低值后逐漸上升，此變化趨勢(shì)與減產(chǎn)、限產(chǎn)力度的變化趨勢(shì)不符。結(jié)合儲(chǔ)罐VOCs排放量計(jì)算方法，以及溫度對(duì)液體蒸汽壓的影響，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐VOCs排放量變化趨勢(shì)與環(huán)境溫度變化趨勢(shì)一致，故儲(chǔ)罐VOCs排放量變化趨勢(shì)受溫度影響較大，不受減產(chǎn)、限產(chǎn)影響。

綜上，減產(chǎn)、限產(chǎn)不能有效實(shí)現(xiàn)石化企業(yè)大氣污染物的減排。生產(chǎn)負(fù)荷的突然調(diào)整，生產(chǎn)出現(xiàn)波動(dòng)，不僅易導(dǎo)致燃料燃燒不完全不充分，造成污染物排放量突增，加重污染；同時(shí)生產(chǎn)負(fù)荷突變，若裝置相關(guān)設(shè)備調(diào)整不及時(shí)，會(huì)影響裝置安全生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮到石化企業(yè)生產(chǎn)裝置的特殊性，生產(chǎn)負(fù)荷突然降低出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”的情況，不僅可能影響裝置正常生產(chǎn)，導(dǎo)致污染物排放量的突增，甚至?xí)绊懓踩a(chǎn)。同時(shí)，部分企業(yè)大氣污染物治理設(shè)施較先進(jìn)，部分污染物已實(shí)現(xiàn)“超低排放”[8]，減排彈性很小，很難實(shí)現(xiàn)污染物排放量隨著減產(chǎn)力度的增大而減小。重污染天氣期間，石化企業(yè)的減產(chǎn)、限產(chǎn)措施不可取，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)大氣污染物的減排，甚至可能加重空氣污染，同時(shí)影響企業(yè)的安全生產(chǎn)和企業(yè)效益。重污染天氣期間石化企業(yè)減產(chǎn)、限產(chǎn)弊大于利。

建議石化企業(yè)適當(dāng)增加污染物監(jiān)測(cè)頻次，尤其在裝置進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整后，摸清各個(gè)裝置在不同生產(chǎn)條件下污染物排放量，以及各項(xiàng)污染物可實(shí)現(xiàn)的最低排放量。對(duì)于大氣有組織排放的SO2，NOX和顆粒物，可從源頭和末端治理角度出發(fā)采取重污染天氣應(yīng)急減排措施。使用清潔燃料從源頭減少污染物產(chǎn)生；適當(dāng)調(diào)整加熱爐輔助設(shè)施，將爐內(nèi)燃燒條件控制在最適宜情況，避免因燃燒波動(dòng)造成污染物增排；對(duì)于已產(chǎn)生的污染物，可通過(guò)增設(shè)污染治理設(shè)施的方式，使排入大氣的污染物排放量降至最低。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)NOX排放量較高，可通過(guò)優(yōu)化污染治理設(shè)施運(yùn)行條件、采用高效治理技術(shù)、增設(shè)多重治理設(shè)施的方式實(shí)現(xiàn)重污染天氣期間NOX的超低排放；重污染天氣期間增加巡查頻次，排查故障，避免因設(shè)備運(yùn)行異常、零部件損壞等帶來(lái)的污染物增排。

對(duì)于設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOC排放，“泄漏”是造成排放的原因，與減產(chǎn)、限產(chǎn)無(wú)關(guān)。重污染天氣期間，石化企業(yè)應(yīng)增加VOCs泄漏檢測(cè)與修復(fù)(Leak Detection and Repair，LDAR)頻次，通過(guò)LDAR檢測(cè)排查泄漏點(diǎn)位，及時(shí)修復(fù)，保證動(dòng)靜密封點(diǎn)位的密封性，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs的減排甚至不排。對(duì)于儲(chǔ)罐VOCs排放，可從增設(shè)儲(chǔ)罐油氣回收設(shè)施、改進(jìn)儲(chǔ)罐罐漆顏色等改進(jìn)設(shè)備方面，以及減少儲(chǔ)罐倒罐次數(shù)，改用物料直輸方式等調(diào)整生產(chǎn)方面，有效減少儲(chǔ)罐VOCs排放。