石化企業(yè)動(dòng)靜密封點(diǎn)源項(xiàng)VOCs管控技術(shù)效果評(píng)估

孫慧,徐同高,夏志同,徐慶虎,薛媛,柯佳

(1.青島歐賽斯環(huán)境與安全技術(shù)有限責(zé)任公司,山東 青島 266555;2.青島中石大環(huán)境與安全技術(shù)中心有限公司,山東 青島 266555;3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266580)

石化行業(yè)為我國(guó)VOCs管控的重點(diǎn)行業(yè),存在VOCs種類及源項(xiàng)眾多、排放量大且以無組織排放為主的特點(diǎn)[1-3]。根據(jù)我國(guó)《石化行業(yè)VOCs污染源排查指南》的規(guī)定,石化企業(yè)VOCs排放源項(xiàng)包括:揮發(fā)性有機(jī)液體儲(chǔ)存與裝載,設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)泄漏,循環(huán)水場(chǎng)逸散,工藝有組織排放,廢水集輸、儲(chǔ)存及處理過程逸散等13個(gè)排放源[4-6]。其中設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)排放源項(xiàng)涉及石化企業(yè)主體生產(chǎn)裝置、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施、公輔工程等大部分裝置及設(shè)施,密封點(diǎn)數(shù)量從幾萬到上百萬個(gè)點(diǎn),為石化企業(yè)主要的排放源項(xiàng)之一,其VOCs無組織泄漏不僅污染環(huán)境同時(shí)存在較大的安全隱患,為石化企業(yè)VOCs減排的重點(diǎn)和難點(diǎn)[7-8]。

以某石化企業(yè)的13套主體生產(chǎn)裝置、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)及公輔設(shè)施的動(dòng)靜密封點(diǎn)為研究對(duì)象,開展VOCs管控技術(shù)效果評(píng)估,通過實(shí)施泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)、定力矩緊固技術(shù)和屏蔽泵改造技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,對(duì)實(shí)施過程大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析不同管控技術(shù)下動(dòng)靜密封點(diǎn)源項(xiàng)的VOCs排放量、減排量及減排率等。

1 企業(yè)動(dòng)靜密封點(diǎn)源項(xiàng)臺(tái)賬建立

1.1 臺(tái)賬建立

根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況,通過資料分析及現(xiàn)場(chǎng)排查相結(jié)合的方式,開展裝置適用性、設(shè)備適用性分析,建立企業(yè)受控裝置和設(shè)備清單,根據(jù)密封點(diǎn)類型、介質(zhì)組成、可達(dá)性等,建立包括泵、壓縮機(jī)、閥門、法蘭在內(nèi)的10大類動(dòng)靜密封點(diǎn)臺(tái)賬[9],臺(tái)賬建立流程見圖1。

圖1 設(shè)備密封點(diǎn)臺(tái)賬建立詳細(xì)流程圖

根據(jù)動(dòng)靜密封點(diǎn)臺(tái)賬建立流程圖,對(duì)該煉廠13套在產(chǎn)生產(chǎn)裝置和配套的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備分析及密封點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息采集,最終建立該煉廠完整的受控動(dòng)靜密封點(diǎn)臺(tái)賬,共計(jì)155 000個(gè)設(shè)備動(dòng)靜密封點(diǎn)VOCs無組織排放源,詳見表1。

表1 設(shè)備密封點(diǎn)臺(tái)賬信息

1.2 密封點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析

由圖2可知,從密封點(diǎn)裝置分布來看,連續(xù)重整、常減壓、加氫裂化和催化裂化裝置占比較高,分別為17.89%,15.17%,13.51%,11.49%,4套裝置密封點(diǎn)總數(shù)合計(jì)約90 006個(gè),占全廠密封點(diǎn)總數(shù)的58.07%。

圖2 動(dòng)靜密封點(diǎn)按裝置分布情況

動(dòng)靜密封點(diǎn)按類型分布情況見圖3。

圖3 動(dòng)靜密封點(diǎn)按類型分布情況

由圖3可知,從密封點(diǎn)類型分布來看,該企業(yè)靜密封點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)的99.11%,其中以連接件、法蘭和閥門占比較高,分別為50.76%,29.14%和閥門16.91%,這三類密封點(diǎn)的總數(shù)為150 057個(gè),占全廠密封點(diǎn)總數(shù)的96.81%。

2 泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)

泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)(Leak Detection and Repair,LDAR)是目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)動(dòng)靜密封點(diǎn)源項(xiàng)的主要管控技術(shù),該技術(shù)核心思想為:采用泄漏檢測(cè)儀器對(duì)動(dòng)靜密封點(diǎn)源項(xiàng)開展周期性的檢測(cè)工作,對(duì)于檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的泄漏密封點(diǎn)實(shí)施修復(fù)直至低于泄漏標(biāo)準(zhǔn)限值[10-11]。

2.1 檢測(cè)儀器和方法

儀器:采用國(guó)標(biāo)中規(guī)定的氫火焰離子化檢測(cè)儀進(jìn)行定量檢測(cè),儀器型號(hào)為TVA2020C。

檢測(cè)方法:采用《石化行業(yè)VOCs泄漏檢測(cè)與修復(fù)工作指南》(環(huán)辦[2015]104號(hào) 附件3)和《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)指南》(HJ 1230—2021)[12-13]。

2.2 泄漏量及減排量核算方法

采用《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》(環(huán)辦[2015]104號(hào) 附件1)中動(dòng)靜密封點(diǎn)泄漏量核算方法,其中可達(dá)點(diǎn)用相關(guān)方程法進(jìn)行核算,不可達(dá)點(diǎn)用排放系數(shù)法進(jìn)行核算。根據(jù)每個(gè)檢測(cè)周期LDAR實(shí)施前后的泄漏量核算本輪次LDAR的減排量。

2.3 實(shí)施LDAR技術(shù)減排效果分析

2.3.1 檢測(cè)結(jié)果及泄漏量分析

由表2可知,對(duì)全廠155 000個(gè)動(dòng)靜密封點(diǎn)開展泄漏檢測(cè),達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏濃度總密封點(diǎn)數(shù)為1 538個(gè),總泄漏率為0.99%,嚴(yán)重泄漏率為0.31%。其中加氫裂化裝置的泄漏點(diǎn)數(shù)最大為402個(gè),泄漏率也最高為1.92%,其次為連續(xù)重整裝置和氣體分餾裝置,泄漏率分別為1.36%和1.32%。

表2 各裝置密封點(diǎn)VOCs檢測(cè)濃度分布及泄漏率情況

由圖4可知,動(dòng)靜密封點(diǎn)源項(xiàng)VOCs排放量為223.5 t/a,其中泄漏密封點(diǎn)的VOCs排放量占79.67%。。不同裝置VOCs排放量對(duì)比可以看出,加氫裂化裝置、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、連續(xù)重整裝置以及常減壓裝置的VOCs排放量最高,分別占比25.67%,16.02%,14.36%和9.3%。

圖4 不同裝置密封點(diǎn)及泄漏密封點(diǎn)VOCs排放量

2.3.2 LDAR技術(shù)減排效果分析

本研究共實(shí)施4個(gè)周期年的LDAR技術(shù),共計(jì)實(shí)施16輪次動(dòng)密封點(diǎn)和8輪次靜密封點(diǎn)的LDAR工作,對(duì)密封點(diǎn)泄漏情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及VOCs減排量核算。LDAR技術(shù)實(shí)施效果見圖5。

圖5 LDAR技術(shù)實(shí)施效果

由圖5可知,實(shí)施LDAR技術(shù)后,VOCs排放量實(shí)現(xiàn)了不同程度的降低,在實(shí)施第1、2、3、4周期年的LDAR技術(shù)后,全廠動(dòng)靜密點(diǎn)VOCs排放量分別為109.86,82.23,56.68,35.42 t/a,減排量分別為113.64,27.63,25.55和21.26 t/a,減排率分別為50.85%,25.15%,31.07%和37.51%。同時(shí)隨著泄漏密封點(diǎn)被不斷修復(fù),其排放量逐年減小。因此,企業(yè)首次開展LDAR技術(shù)減排效果顯著,隨著LDAR開展輪次的增加,VOCs減排量逐年減小,導(dǎo)致后期減排效果變差。

由圖6可知,對(duì)比分析不同密封點(diǎn)類型的修復(fù)效果發(fā)現(xiàn),泵、閥門、法蘭、連接件、開口管線5大類密封點(diǎn)的泄漏修復(fù)率均超過45%,其中以連接件和開口管線的泄漏修復(fù)率最高。而對(duì)于法蘭和泵的泄漏修復(fù)率最低減排率也較低,這表明采用常規(guī)的修復(fù)手段無法達(dá)到理想的修復(fù)效果。

圖6 不同密封點(diǎn)類型LDAR實(shí)施效果

3 定力矩緊固技術(shù)

定力矩緊固技術(shù)是通過計(jì)算出每對(duì)螺栓在預(yù)緊狀態(tài)以及操作狀態(tài)下安全運(yùn)行的壓緊力區(qū)間,選出合適的螺栓緊固力矩值,安裝過程使緊力均勻地作用在法蘭密封面上,與傳統(tǒng)的人工手動(dòng)緊固相比,具有提高檢修可靠性、減少甚至取消熱緊工序、支撐裝置更長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)勢(shì)[14-16]。與此同時(shí),考慮由于緊力的均勻分布,會(huì)提高法蘭面的密封性能,從而減少VOCs的泄漏排放。定力矩緊固技術(shù)操作示意圖見圖7。

圖7 法蘭不同緊固方式示意圖

3.1 緊固對(duì)象篩選

基于企業(yè)各裝置VOCs排放量及泄漏情況分布、LDAR實(shí)施效果,以泄漏率較高、常規(guī)修復(fù)手段難以達(dá)到預(yù)期修復(fù)效果為篩選原則,并充分考察現(xiàn)場(chǎng)的可操作性,最終綜合篩選加氫裂化裝置350個(gè)法蘭實(shí)施定力矩緊固技術(shù),其分布情況如表3所示。

表3 篩選加氫裂化裝置法蘭分布一覽表

3.2 定力矩緊固技術(shù)減排效果分析

由圖8可知,對(duì)加氫裂化裝置的法蘭及螺栓實(shí)施定力矩緊固技術(shù)后,法蘭密封點(diǎn)檢測(cè)濃度都實(shí)現(xiàn)了不同程度的降低,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏濃度的法蘭數(shù)量從68個(gè)降低至1個(gè),且350個(gè)法蘭的VOCs排放量從11.36 t/a降低至2.39 t/a,減排率達(dá)78.97%。對(duì)于不同檢測(cè)濃度范圍,泄漏法蘭的實(shí)施效果優(yōu)于非泄漏法蘭,其中以濃度在2 000～10 000 μL/L范圍內(nèi)泄漏法蘭實(shí)現(xiàn)的VOCs減排率最高,為85.14%,其次是嚴(yán)重泄漏法蘭(濃度>10 000 μL/L),VOCs減排率為79.84%。

圖8 定力矩緊固技術(shù)實(shí)施前后法蘭不同檢測(cè)濃度及VOCs排放量

4 屏蔽泵改造術(shù)

屏蔽泵是一種無密封泵,泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)被密封在同一個(gè)壓力容器內(nèi),取消了傳統(tǒng)離心泵具有的旋轉(zhuǎn)軸密封裝置,因此對(duì)于屏蔽泵的VOCs泄漏不再涉及旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)泄漏,只有靜密封泄漏[17-20],從而實(shí)現(xiàn)VOCs的減排,屏蔽泵改造示意圖見圖9。

圖9 屏蔽泵改造示意圖

4.1 屏蔽泵的篩選

通過對(duì)該企業(yè)全廠370臺(tái)機(jī)泵實(shí)際泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,篩選VOCs泄漏量較大的9臺(tái)機(jī)泵進(jìn)行屏蔽泵選型改造。9臺(tái)機(jī)泵實(shí)際泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù)及分布情況見表4。

表4 篩選VOCs排放量較大的機(jī)泵分布一覽表

4.2 屏蔽泵改造技術(shù)減排效果分析

從表5中可知,機(jī)泵由不同泵改造為屏蔽泵后,9臺(tái)機(jī)泵的檢測(cè)值范圍降低至0.9～3.4 μL·L-1,VOCs排放量從544.81 kg/a降低至5.20 kg/a,減排量為539.61 kg/a,減排率達(dá)99.04%。

表5 機(jī)泵改造前后檢測(cè)值及VOCs排放量

5 結(jié)論

1)開展某石化企業(yè)13套在產(chǎn)生產(chǎn)裝置和配套的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)密封點(diǎn)臺(tái)賬建立,共完成全廠動(dòng)靜密封點(diǎn)建庫總數(shù)155 000個(gè);

2)實(shí)施4個(gè)周期年的LDAR技術(shù),全廠動(dòng)靜密點(diǎn)VOCs減排量分別為113.64,27.63,25.55和21.26 t/a,減排率分別為50.85%,25.15%,31.07%和37.51%;

3)加氫裂化裝置350個(gè)法蘭實(shí)施定力矩緊固技術(shù),泄漏法蘭數(shù)量從68個(gè)降低至1個(gè),VOCs排放量從11.36 t/a降低至2.39 t/a,減排率達(dá)78.97%;

4)9臺(tái)泄漏量較大的機(jī)泵實(shí)施屏蔽泵選型改造技術(shù),9臺(tái)機(jī)泵的檢測(cè)值范圍降低至0.9～3.4 μL·L-1,VOCs減排量為539.61 kg/a,減排率達(dá)99.04%;

5)石化企業(yè)動(dòng)靜密封點(diǎn)源項(xiàng)數(shù)量眾多,在實(shí)施LDAR技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)動(dòng)靜密封點(diǎn)類型,綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性,可采取定力矩緊固技術(shù)和屏蔽泵改造技術(shù)達(dá)到更好的減排效果,為實(shí)現(xiàn)我國(guó)在十四五期間煉廠動(dòng)靜密封點(diǎn)源項(xiàng)的深度減排提供借鑒和參考。