廣東省高架火炬污染排放管控現(xiàn)狀研究

劉志陽(yáng)，廖程浩，張永波，劉 峰

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

高架火炬是煉化企業(yè)最為重要的安全應(yīng)急設(shè)施，主要用于處理企業(yè)正常工況和非正常工況（包括開(kāi)停工、檢維修、設(shè)備故障等）下裝置無(wú)法回收的工藝廢氣、過(guò)量燃料氣和吹掃廢氣中的可燃性有機(jī)物。一般認(rèn)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(dá)98%。但當(dāng)高架火炬燃燒不充分時(shí)，其燃燒效率和燃燒破壞率就難以達(dá)到98%，此時(shí)，高架火炬燃燒過(guò)程中所排放出的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）就成為煉化企業(yè)主要的大氣污染物之一，可能導(dǎo)致部分區(qū)域發(fā)生大氣污染。為了加強(qiáng)對(duì)高架火炬的管理，生態(tài)環(huán)境部出臺(tái)的相關(guān)規(guī)范中規(guī)定了火炬氣回收、火炬氣點(diǎn)燃及引燃設(shè)施、火炬工作狀態(tài)記錄等管理要求，但對(duì)于影響火炬燃燒效率和燃燒破壞率的關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控卻沒(méi)有具體要求，因此，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)高架火炬的精細(xì)化管控。

本工作以廣東省6家重點(diǎn)煉化企業(yè)的高架火炬為對(duì)象，調(diào)研了各企業(yè)對(duì)高架火炬運(yùn)行期間關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控情況，在此基礎(chǔ)上，分析了目前廣東省高架火炬污染排放管控現(xiàn)狀，提出了高架火炬運(yùn)行管理和關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)等方面的建議。

1 國(guó)內(nèi)有關(guān)高架火炬的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)發(fā)布了一系列關(guān)于高架火炬設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，包括：1995年原化學(xué)工業(yè)部頒布實(shí)施的《火炬系統(tǒng)設(shè)置》（HG/T 20570.12—1995）［1］、2001年中國(guó)石油化工集團(tuán)公司制定的《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH 3009—2001）［2］、2014年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合頒布實(shí)施的《火炬工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 51029—2014）［3］等。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要從高架火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、安裝質(zhì)量等方面進(jìn)行了規(guī)定，沒(méi)有涉及污染物的排放控制。

2015年，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31570—2015）［4］和《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31571—2015）［5］。對(duì)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(tǒng)的氣體和液體；2）在任何時(shí)候，VOCs和惡臭物質(zhì)進(jìn)入火炬都應(yīng)能點(diǎn)燃并充分燃燒；3）應(yīng)該連續(xù)監(jiān)測(cè)、記錄引燃設(shè)施和火炬的工作狀態(tài)，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(tài)環(huán)境部發(fā)布《石油煉制工業(yè)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 1094—2020）［6］提出了火炬排放系統(tǒng)應(yīng)有氣柜和壓縮機(jī)，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(guān)要求。

綜上，目前國(guó)內(nèi)已有的高架火炬相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要集中在火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，對(duì)于影響高架火炬燃燒效率和燃燒破壞率的關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控與運(yùn)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(guān)鍵參數(shù)

2.1 火炬氣凈熱值

火炬氣在高架火炬內(nèi)的燃燒程度與燃燒區(qū)的火焰溫度直接相關(guān)，而燃燒區(qū)的火焰溫度則與火炬氣的凈熱值有關(guān)。美國(guó)得克薩斯州環(huán)境質(zhì)量委員會(huì)（TCEQ）發(fā)布的2010年火炬測(cè)試結(jié)果表明，在火炬氣和助燃?xì)怏w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］?？梢?jiàn)，火炬氣凈熱值是影響火炬燃燒破壞率的重要參數(shù)。美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局（EPA）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：進(jìn)入蒸汽/空氣助燃型火炬筒體內(nèi)的平均氣體凈熱值不小于12.0 MJ/m3，進(jìn)入無(wú)助燃型火炬筒體內(nèi)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(qū)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(fù)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(shù)。TCEQ發(fā)布的2010年火炬測(cè)試結(jié)果表明，若助燃?xì)怏w流量保持不變，在一定范圍內(nèi)，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(qū)的停留時(shí)間有關(guān)，而火炬氣在燃燒區(qū)的停留時(shí)間則與火炬頭出口氣體流速有關(guān)，即火炬頭出口氣體流速只有在一定范圍內(nèi)才能保證火炬氣達(dá)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(qū)的熱值相適應(yīng)［7］。EPA發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定火炬頭出口氣體流速應(yīng)與凈熱值相匹配，且蒸汽助燃與無(wú)助燃型火炬出口流速均不得超過(guò)122 m/s［8］。

2.3 助燃?xì)怏w流量

火炬氣在燃燒過(guò)程中，需要充足的空氣供應(yīng)和充分的混合來(lái)保證完全燃燒，減少黑煙的產(chǎn)生，因此高架火炬通常設(shè)計(jì)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(qū)域注入蒸汽來(lái)提高湍流，加強(qiáng)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(jìn)與火炬氣的混合，提高燃燒效率。因?yàn)橹細(xì)怏w中的蒸汽和氮?dú)饩鶡o(wú)熱值，如果增加的空氣或蒸汽過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致火炬燃燒區(qū)氣體凈熱值下降，進(jìn)而造成火炬氣燃燒效率下降。TCEQ發(fā)布的2010年火炬測(cè)試結(jié)果表明，火炬的燃燒效率和燃燒破壞率與助燃?xì)怏w的流量密切相關(guān)：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?xì)怏w流量的增加而明顯下降［7］。因此，高架火炬要實(shí)現(xiàn)接近完全燃燒（燃燒破壞率不低于98%）的運(yùn)行工況，同時(shí)最大程度地減少黑煙形成，需要精細(xì)控制助燃?xì)怏w的流量。EPA發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：蒸汽或空氣助燃型火炬中，助燃?xì)怏w的添加量應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)，從而使火炬燃燒區(qū)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(tài)

火炬頭火焰燃燒狀態(tài)和長(zhǎng)明燈引燃火焰燃燒情況也是反映高架火炬工作狀態(tài)和運(yùn)行效果的重要指標(biāo)。通過(guò)觀察火炬頭燃燒器燃燒時(shí)火焰的形狀、是否出現(xiàn)黑煙等現(xiàn)象可以判斷火炬氣中的有機(jī)物是否被完全燃燒；通過(guò)觀察長(zhǎng)明燈引燃火焰是否保持常燃來(lái)判斷火炬氣是否可以正常點(diǎn)燃［9］。EPA頒布的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：用含有時(shí)間信息的視頻監(jiān)視器監(jiān)控火炬頭火焰燃燒狀態(tài)，視頻監(jiān)視器應(yīng)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(shí)間；長(zhǎng)明燈引燃火焰保持常燃，可采用熱電偶、光傳感器等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控［8］。美國(guó)灣區(qū)空氣質(zhì)量管理局（BAAQMD）的標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定：視頻監(jiān)視器應(yīng)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(shí)間；長(zhǎng)明燈引燃火焰需持續(xù)燃燒或采用自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，若采用引燃火焰持續(xù)燃燒的方式，則檢測(cè)設(shè)備必須能檢測(cè)到引燃火焰的存在［9］。此外，美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）頒布的標(biāo)準(zhǔn)中也要求引燃火焰保持持續(xù)燃燒，可通過(guò)熱電偶、火焰電離、光傳感器和聲學(xué)系統(tǒng)等方法對(duì)引燃火焰進(jìn)行監(jiān)測(cè)［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(diǎn)煉化企業(yè)共建有高架火炬26座（碳?xì)浠鹁?1座，酸性氣火炬5座）。其中：5家企業(yè)煉油區(qū)內(nèi)的高架碳?xì)浠鹁婢惭b有氣柜，對(duì)進(jìn)入火炬氣管網(wǎng)的可燃?xì)怏w進(jìn)行儲(chǔ)存后增壓輸送至燃料氣管網(wǎng)進(jìn)行回收利用；4家企業(yè)化工區(qū)內(nèi)的高架火炬中僅1家企業(yè)安裝有氣柜。從助燃方式來(lái)看，21座高架碳?xì)浠鹁嬷校?7%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(jiàn)表1。

3.2 廣東省高架火炬關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控情況

表2為廣東省6家重點(diǎn)煉化企業(yè)高架火炬關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控情況。

表2 廣東省6家重點(diǎn)煉化企業(yè)高架火炬關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控情況

由表2可見(jiàn)：所監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)包括火炬氣凈熱值、火炬氣流量、火炬頭溫度、助燃?xì)怏w流量、助燃?xì)怏w流量調(diào)節(jié)方式、火種氣流量、火炬頭和長(zhǎng)明燈引燃火焰狀況，共7項(xiàng)；其中2家企業(yè)對(duì)火炬氣和火種氣流量無(wú)監(jiān)測(cè)；6家企業(yè)均未安裝火炬氣組分連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備或熱值分析儀；僅3家企業(yè)采用人工采樣方式對(duì)火炬氣凈熱值進(jìn)行定期分析；在安裝有火炬氣流量監(jiān)測(cè)的4家企業(yè)中，僅2家企業(yè)所采用的超聲波流量計(jì)的精度和測(cè)量范圍能夠滿足EPA的相關(guān)要求，另外2家企業(yè)所安裝的質(zhì)量流量計(jì)無(wú)法對(duì)小體積流量的火炬氣進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量；盡管有4家企業(yè)對(duì)助燃?xì)怏w流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但助燃?xì)怏w流量的調(diào)節(jié)方式主要通過(guò)人工觀察火焰狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，并以消除黑煙排放為主要目的，這種操作方式可能導(dǎo)致助燃?xì)怏w添加過(guò)量，進(jìn)而影響高架火炬的燃燒效率。

對(duì)企業(yè)1和企業(yè)6在2020～2021年期間的323個(gè)火炬氣凈熱值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：2020年，在正常工況下，企業(yè)1有46%的火炬氣凈熱值數(shù)據(jù)低于EPA標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值12.0 MJ/m3；2020年，在正常工況下，企業(yè)6的全部火炬氣凈熱值數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)低于12.0 MJ/m3。由于上述企業(yè)人工采樣時(shí)間間隔周期長(zhǎng)，而火炬氣排放工況變化較大，在缺乏連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的情況下無(wú)法對(duì)火炬氣組分和凈熱值進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，也無(wú)法根據(jù)火炬氣凈熱值的變化情況及時(shí)補(bǔ)充燃料氣，從而導(dǎo)致高架火炬的燃燒破壞率低于98%。

4 強(qiáng)化高架火炬排放管控的建議

4.1 加強(qiáng)火炬氣的回收利用

調(diào)研結(jié)果表明：廣東省6家重點(diǎn)煉化企業(yè)煉油區(qū)的高架火炬系統(tǒng)普遍配置有氣柜和壓縮機(jī)，1家企業(yè)化工區(qū)高架火炬系統(tǒng)改造后增設(shè)了氣柜和壓縮機(jī)。因此，可以實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w的回收利用。建議企業(yè)對(duì)進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)的火炬氣進(jìn)行回收利用，以減少高架火炬燃燒的次數(shù)，降低污染物的排放。

4.2 加強(qiáng)對(duì)火炬氣凈熱值的監(jiān)測(cè)

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(guān)鍵參數(shù)。調(diào)察結(jié)果顯示：截至2021年，廣東省6家重點(diǎn)煉化企業(yè)均未安裝熱值儀，無(wú)法對(duì)火炬氣凈熱值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。建議各企業(yè)高架火炬系統(tǒng)增設(shè)熱值儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)火炬氣凈熱值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)對(duì)燃料氣進(jìn)行調(diào)整，確?；鹁鏆鈨魺嶂挡坏陀?2.0 MJ/m3，從而保證火炬燃燒破壞率不低于98%。

4.3 加強(qiáng)對(duì)火炬氣、助燃?xì)夂突鸱N氣流量的監(jiān)測(cè)

《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31570—2015）和《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31571—2015）中規(guī)定：要連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄火炬氣流量、火種氣流量等反映引燃設(shè)施和火炬工作狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)［4-5］。因此，建議各企業(yè)通過(guò)加裝流量計(jì)，加強(qiáng)對(duì)火炬氣、助燃?xì)夂突鸱N氣流量的在線監(jiān)測(cè)，確保火炬氣和助燃?xì)獾牧髁勘仍诤侠矸秶鷥?nèi)，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(guān)鍵因素。

4.4 加強(qiáng)對(duì)火焰狀態(tài)的監(jiān)控

火炬火焰的監(jiān)測(cè)對(duì)象主要包括長(zhǎng)明燈引燃火焰和火炬頭燃燒火焰。其中：對(duì)引燃火焰監(jiān)控的目的是為了確保長(zhǎng)明燈被正常點(diǎn)燃，長(zhǎng)明燈保持常燃是火炬可以將火炬氣進(jìn)行充分燃燒的基礎(chǔ)，也是火炬正常燃燒與否的關(guān)鍵因素；對(duì)火炬頭燃燒火焰監(jiān)控的目的是為了通過(guò)燃燒時(shí)火焰的形狀、黑煙等現(xiàn)象來(lái)判斷可燃物是否被完全燃燒［11］。建議各企業(yè)加強(qiáng)對(duì)火焰狀態(tài)的監(jiān)控，安裝熱電偶、紫外線火焰探測(cè)器或紅外線探測(cè)器等設(shè)備，對(duì)長(zhǎng)明燈引燃火焰和火炬頭燃燒火焰狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，安裝視頻設(shè)備對(duì)火炬頭燃燒火焰狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并作好黑煙日排放觀察記錄。

5 結(jié)語(yǔ)

高架火炬作為石化企業(yè)主要的VOCs排放源，建議相關(guān)部門盡快制定高架火炬運(yùn)行監(jiān)管方面的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)火炬氣的回收利用，加強(qiáng)對(duì)火炬氣凈熱值以及火炬氣、助燃?xì)夂突鸱N氣流量等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控長(zhǎng)明燈引燃火焰和火炬頭燃燒火焰的狀態(tài)，進(jìn)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。