泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)在煤化工烯烴分離裝置的應(yīng)用

鄭臨奧，趙東風(fēng)，盧 磊，孫 慧

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東青島 2665802.中國石油大學(xué)(華東)環(huán)境與安全技術(shù)中心，山東青島 266580)

泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)在煤化工烯烴分離裝置的應(yīng)用

鄭臨奧1，趙東風(fēng)1，盧 磊1，孫 慧2

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東青島2665802.中國石油大學(xué)(華東)環(huán)境與安全技術(shù)中心，山東青島266580)

介紹了煤化工行業(yè)泄漏檢測(cè)與修復(fù)的流程及揮發(fā)性有機(jī)物泄漏量計(jì)算方法，并對(duì)烯烴分離裝置開展檢測(cè)。共檢測(cè)各類型密封點(diǎn)11 131個(gè)，其中泄漏點(diǎn)451個(gè)，泄漏量158.44 t/a。完成不停工修復(fù)后，泄漏率由4.05%降至1.22%，泄漏量削減87.12%，降至28.97 t/a。

泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù) 揮發(fā)性有機(jī)物 烯烴分離裝置 煤化工

揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds, 簡(jiǎn)稱VOCs)是參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)物[1]。煤化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中，設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)易泄漏VOCs，一方面造成原料和產(chǎn)品的損失；另一方面，VOCs是大氣中PM2.5和地表O3的主要貢獻(xiàn)源[2,3]，且大部分VOCs屬于有毒有害物質(zhì)，對(duì)人體健康有直接影響[4]。

泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)(Leak Detection and Repair, 簡(jiǎn)稱LDAR)是使用固定或移動(dòng)式檢測(cè)儀器，定量檢測(cè)設(shè)備閥門、法蘭、連接件等組件VOCs泄漏量，并在限定時(shí)間內(nèi)修復(fù)泄漏密封點(diǎn)，從而控制物料泄漏，減少環(huán)境污染。根據(jù)《石化行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治方案》要求，現(xiàn)已在石油化工領(lǐng)域全力推行泄漏檢測(cè)與修復(fù)，企業(yè)應(yīng)用LDAR技術(shù)后VOCs減排明顯[5,6]，泄漏率降至0.03%～0.35%，但國內(nèi)對(duì)煤化工行業(yè)的LDAR應(yīng)用研究尚未見報(bào)道。因此通過在煤化工烯烴分離裝置上應(yīng)用LDAR技術(shù)，了解煤化工行業(yè)VOCs的泄漏現(xiàn)狀，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)VOCs減排，最終建立政府、企業(yè)和社會(huì)共贏的局面。

1 LDAR工作流程

LDAR主要工作內(nèi)容分為項(xiàng)目建立、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和泄漏維修三個(gè)步驟[7]。

首先收集裝置的相關(guān)資料，主要包括物料平衡表、PID圖、操作規(guī)程、設(shè)備臺(tái)賬等。結(jié)合資料分析裝置內(nèi)設(shè)備或管線的物料，以其中VOCs組分含量超過10%、接觸涉VOCs物料的累積時(shí)間超過15天為標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)別受控設(shè)備和管線，并根據(jù)物料狀態(tài)(氣體、輕液、重液)用不同顏色在PID圖上進(jìn)行標(biāo)注。根據(jù)PID圖和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研進(jìn)行密封點(diǎn)編碼，并建立裝置密封點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)是受培訓(xùn)人員使用氫火焰離子化檢測(cè)儀(FID)對(duì)已編碼的密封點(diǎn)開展檢測(cè)工作，記錄密封點(diǎn)泄漏量數(shù)值并錄入數(shù)據(jù)庫。定義儀器讀數(shù)超過2 000×10-6(體積分?jǐn)?shù))的密封點(diǎn)為泄漏點(diǎn)，在泄漏點(diǎn)附近懸掛泄漏牌，標(biāo)明泄漏點(diǎn)信息，方便企業(yè)開展修復(fù)工作。

泄漏修復(fù)是企業(yè)根據(jù)密封點(diǎn)數(shù)據(jù)庫對(duì)泄漏點(diǎn)開展修復(fù)工作，對(duì)于需延遲修復(fù)的泄漏點(diǎn)應(yīng)說明原因。檢測(cè)人員對(duì)完成修復(fù)的密封點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，記錄最終檢測(cè)值，完善數(shù)據(jù)庫，并計(jì)算裝置整體泄漏量。

2 煤化工裝置泄漏量估算方法

密封點(diǎn)排放速率計(jì)算方法主要包括實(shí)測(cè)法、相關(guān)方程法、篩選范圍法和平均排放系數(shù)法[8]。常用實(shí)測(cè)法為包袋法和大體積采樣法，通過收集泄漏組件的排放物質(zhì)可精確定量每種物質(zhì)的排放速率。實(shí)測(cè)法最為精確，但消耗大量人力、物力和時(shí)間，因此不適合應(yīng)用在具有大量密封點(diǎn)的煤化工企業(yè)中。平均排放系數(shù)法規(guī)定了各類密封點(diǎn)的排放系數(shù)，未開展LDAR的企業(yè)可根據(jù)組件排放系數(shù)計(jì)算VOCs排放量，但計(jì)算結(jié)果偏大、準(zhǔn)確度低，故常用于估算。目前，國內(nèi)采用較多的是EPA的相關(guān)方程法和篩選范圍法[9,10]。

相關(guān)方程法規(guī)定了默認(rèn)零值排放速率、限定排放速率和相關(guān)方程。當(dāng)密封點(diǎn)的凈檢測(cè)值(凈檢測(cè)值=檢測(cè)值-環(huán)境本底值，用SV表示)小于1時(shí)，此密封點(diǎn)排放速率為對(duì)應(yīng)設(shè)備類型的默認(rèn)零值排放速率；當(dāng)凈檢測(cè)值超過50 000×10-6，用限定排放速率作為該密封點(diǎn)排放速率。凈檢測(cè)值在兩者之間，采用相關(guān)方程計(jì)算該點(diǎn)排放速率(見表1，其中SV是修正后的凈檢測(cè)值，×10-6；輕液體泵系數(shù)也可用于壓縮機(jī)、泄壓設(shè)備和重液體泵)。

表1 煤化工設(shè)備組件的設(shè)備排放速率 kg/h

根據(jù)密封點(diǎn)排放速率和排放時(shí)間，相乘即可計(jì)算該密封點(diǎn)在該排放時(shí)間段的排放量，整體相加得裝置總泄漏量，即：

(1)

式中：E裝置——裝置的VOCs年排放量，kg/a；

ti——密封點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間段，h/a；

eVOCs,i——密封點(diǎn)的VOCs排放速率，kg/h。

篩選范圍法同樣是基于LDAR程序的核算方法，與相關(guān)方程法不同之處在于將凈檢測(cè)值以10 000×10-6為界劃分，使用不同的排放系數(shù)進(jìn)行計(jì)算(見表2)，常用于估算不可達(dá)法蘭及連接件的泄漏量。

使用篩選范圍法時(shí)，先計(jì)算各類型組件的排放速率，后計(jì)算裝置年排放量，即：

Evoc=FG×NG+FL×NL

(2)

式中：EVOC——特定設(shè)備類型的VOCs排放速率，kg/h；

FG——篩選值≥10 000×10-6的特定設(shè)備類型的排放系數(shù)，kg/h·排放源；

FL——篩選值<10 000×10-6的特定設(shè)備類型的排放系數(shù)，kg/h·排放源；

NG——篩選值≥10 000×10-6的排放源設(shè)備數(shù)量，特定設(shè)備類型；

NL——篩選值<10 000×10-6的排放源設(shè)備數(shù)量，特定設(shè)備類型。

(3)

式中：E裝置——裝置VOCs的年排放量，kg/a；

H——年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h/a；

EVOCs,i——特定設(shè)備類型的VOCs排放速率，kg/h。

表2 煤化工篩選范圍排放系數(shù)(摘自EPA，1995b) kg/h·排放源

對(duì)于嚴(yán)格執(zhí)行LDAR程序的企業(yè)而言，使用篩選范圍法所得計(jì)算結(jié)果偏高，尤其是對(duì)采用LDAR程序后泄漏水平低于10 000×10-6的企業(yè)。因此，本文采用相關(guān)方程法計(jì)算VOCs泄漏量。

3 LDAR在烯烴分離裝置的應(yīng)用

3.1 烯烴分離裝置概況

烯烴分離裝置采用美國CBI-Lummus公司前脫丙烷、后加氫和丙烷洗烯烴分離專利技術(shù)，用于處理甲醇制烯烴裝置生產(chǎn)的烴類混合氣。烯烴分離裝置分為壓縮、二甲醚回收、水洗、堿洗、干燥、乙炔變換、分餾、丙烯冷卻和氧化物回收單元。裝置的設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)30×104t聚合級(jí)乙烯產(chǎn)品和30×104t聚合級(jí)丙烯，副產(chǎn)品碳四、碳五、燃料氣，年生產(chǎn)時(shí)間8 000 h。

3.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

參照《石化企業(yè)泄漏檢測(cè)與修復(fù)工作指南》的要求，使用Phoenix 21便攜式FID檢測(cè)儀在烯烴分離裝置開展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，共檢測(cè)各類密封點(diǎn)數(shù)11 131個(gè)，其中泄漏點(diǎn)數(shù)451個(gè)，泄漏率4.05%。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 密封點(diǎn)分類統(tǒng)計(jì)

使用相關(guān)方程法計(jì)算烯烴分離裝置排放量，將檢測(cè)數(shù)據(jù)代入公式(1)，計(jì)算得烯烴分離裝置VOCs泄漏損失為158.44 t/a。

3.2.1不同密封類型的泄漏率分析

在所有已檢測(cè)密封點(diǎn)中，泵密封和壓縮機(jī)密封未發(fā)現(xiàn)泄漏，其余密封點(diǎn)類型泄漏率：開口管線泄漏最嚴(yán)重，泄漏率達(dá)17.21%，連接件次之，閥門和法蘭泄漏率也在2%以上。

3.2.2不同密封類型的泄漏量分析

不同密封類型的泄漏量分析結(jié)果如下：連接件泄漏量為113 253.94 kg/a，占泄漏總量的71.48%；剩余按照排放量從大到小依次排列為：閥門、法蘭、開口管線、泵、壓縮機(jī)。連接件泄漏點(diǎn)數(shù)最多且檢測(cè)值相對(duì)其他類型偏大，其中有53個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)值超出儀器量程，故對(duì)總泄漏量貢獻(xiàn)最多。

3.2.3不同數(shù)據(jù)區(qū)間的泄漏量分析

從圖1、圖2可以看出，SV≥10 000×10-6的數(shù)據(jù)僅占總數(shù)據(jù)1.8%，但對(duì)總泄漏量的貢獻(xiàn)為92.15%。SV<10 000×10-6的密封點(diǎn)數(shù)量是SV≥10 000×10-6的50多倍，泄漏量約為SV≥10 000×10-6的泄漏量的20%。因此，應(yīng)重點(diǎn)控制SV≥10 000×10-6的密封點(diǎn)，削減其排放量。

圖1 不同數(shù)據(jù)區(qū)間的密封點(diǎn)個(gè)數(shù)

圖2 不同數(shù)據(jù)區(qū)間的泄漏量

3.3 泄漏修復(fù)及效果評(píng)估

維修人員對(duì)451個(gè)泄漏點(diǎn)進(jìn)行不停工維修，主要措施如表4。

表4 不停工維修措施

在泄漏密封點(diǎn)不停工維修后，以SV<2 000×10-6作為合格標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，共修復(fù)泄漏密封點(diǎn)315個(gè)，修復(fù)后泄漏率為1.22%。

將復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)代入公式(1)，重新核算烯烴分離裝置泄漏量為28.97 t/a，VOCs削減率81.72%。各類型密封點(diǎn)削減效果見圖3。其中連接件削減效果最顯著，排放量減少94 715.46 kg/a，閥門、法蘭、開口管線亦有明顯削減，泵和壓縮機(jī)首測(cè)未泄漏，故排放量不變。

圖3 不同密封類型的減排效果

4 結(jié)論

泄漏檢測(cè)與修復(fù)是控制企業(yè)VOCs泄漏的行之有效的方法，現(xiàn)已在石化行業(yè)應(yīng)用并取得良好效果，但關(guān)于煤化工行業(yè)VOCs泄漏現(xiàn)狀的研究尚未起步。本文介紹了泄漏檢測(cè)與修復(fù)在煤化工行業(yè)的實(shí)施流程及泄漏量計(jì)算方法，并應(yīng)用于某企業(yè)烯烴分離裝置，共檢測(cè)各類密封點(diǎn)11 131個(gè)，泄漏率4.05%，泄漏量158.44 t/a。通過開展泄漏點(diǎn)修復(fù)工作，裝置泄漏率降低至1.22%，泄漏量減少至28.97 t/a，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

[1] GB 31571-2015 石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] Birnur Buzcu,Matthew P Fraser. Source identification and apportionment of volatile organic compounds in Houston, TX[J]. Atmospheric Environment, 2006, 40(13): 2385-2400.

[3] Zheng Junyu,Yu Yufan,Mo Ziwei, et al. Industrial sector-based volatile organic compound (VOC) source profiles measured in manufacturing facilities in the Pearl River Delta, China[J]. Science of the Total Environment, 2013, 456: 127-136.

[4] Zhou Jian,You Yan,Bai Zhipeng, et al. Health risk assessment of personal inhalation exposure to volatile organic compounds in Tianjin, China[J]. Science of the Total Environment, 2011, 409(3): 452-459.

[5] 羅楊,陳澍德,陳玉峰,等. LDAR 技術(shù)在蠟油催化裂化裝置的應(yīng)用[J]. 安全、健康和環(huán)境, 2014, 14(11): 33-36.

[6] 陳梓劍，王春花. 泄漏檢測(cè)與維修技術(shù)在芳烴抽提裝置的應(yīng)用研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2015(6): 18.

[7] GB 50050-2007 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] Epperson. Protocol for equipment leak emission estimates[EB/OL]. https://www.epa.gov/ttn/chief/efdocs/equiplks.pdf, 1995-11-01/2016.05.01.

[9] 朱亮,高少華,丁德武,等. LDAR 技術(shù)在化工裝置泄漏損失評(píng)估中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2014 (8): 31-34.

[10] 丁德武,肖安山,張賀,等. 泄漏檢測(cè)與維修技術(shù)在乙烯裂解裝置的應(yīng)用研究[J]. 安全、健康和環(huán)境, 2014, 14(4): 9-13.

TheApplicationofLeakDetectionandRepairTechnologyinLightOlefinSeparationUnitofCoalChemicalIndustries

Zheng Lin′ao1, Zhao Dongfeng1, Lu Lei1,Sun Hui2

(1.China University of Petroleum(East China), Shandong, Qingdao, 266580 2.Environment & Safety Technology Center, China University of Petroleum(East China), Shandong, Qingdao, 266580)

The process of leak detection and repair and the method of quantifying the leakage of volatile organic compounds(VOCs)in coal chemical industries were introduced in this paper. A total of 11 131 different types of seal points were inspected in light olefin separation unit while 451 leakage points were detected.The leakage rate was fell from 4.05% to 1.22% and the annual leakage loss was decreased from 158.44 tons to 28.97 tons, reduced by 87.12%, by taking up on-line maintenance.

leak detection and repair; volatile organic compounds; light olefin separation; coal chemical industry

2016-05-10

鄭臨奧，中國石油大學(xué)(華東)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)在讀研究生，主要從事煤化工VOCs核算工作。