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美国挥发性有机物监测及减排最佳管理技术:炼油厂案例分析

导读: 炼油厂和石化厂是美国乃至全世界范围内最大的挥发性有机物(VOC)排放源。多年来,美国联邦环保署(USEPA)为这两个工业部门涵盖的各种排放源制订了详细的法规和标准,以治理其产生的VOC排放。

近日,三角国际研究院发布《美国挥发性有机物监测及减排最佳管理技术:炼油厂案例分析》报告,公众号对报告主要内容进行了摘要和综述,并在此分享与大家。

挥发性有机物与炼油厂概述

炼油厂和石化厂是美国乃至全世界范围内最大的挥发性有机物(VOC)排放源。多年来,美国联邦环保署(USEPA)为这两个工业部门涵盖的各种排放源制订了详细的法规和标准,以治理其产生的VOC排放。最近,美国联邦环保署又更新了炼油厂部分排放源的VOC大气排放标准。本次报告将重点讨论美国大气排放标准中原有和新增的VOC污染防治技术要求。美国炼油厂VOC排放标准中提出的这些标准和监测要求也同时适用于石化厂和有机化学品制造商的各类VOC排放源。

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美国联邦环保署对VOC的定义是:

“挥发性有机物(VOC)指的是除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物或碳酸盐及碳酸铵之外的,参与大气光化学反应的含碳化合物。”

工艺排气    

排放源描述:美国联邦环保署为部分排放源制订了单独的排放标准,因此这些排放源不受上述工艺排气标准的约束。这些排放源包括:泄压装置排气、设备泄漏、催化裂化装置催化剂再生排气、催化重整装置再生排气、硫磺厂排气、包括汽提塔在内的污染防治设备排气、延迟焦化装置脱焦作业、储存装置和废水处理装置排气等。

原标准的VOC污染防治要求:根据原标准的有关要求,工艺排气必须导入火炬或其它大气污染防治设备。火炬和大气污染防治设备必须将废气中有机有害大气污染物的重量降低98%以上,或将其浓度降低至20ppmv(干基)以下,基准氧含量为3%。

新增监测和污染防治技术要求:新增的监测和污染防治技术要求则对设备启动、关闭、故障、维护或检验期间产生的排放作出了具体规定。在这些时段产生的大气排放被称为维护排气。在将维护排气释放到大气之前,厂区运营方必须最大限度地去除其中夹杂的液体,将工艺设备降压,并将排气导入污染防治设备(满足上述98%减排或20ppmv干基浓度要求)、燃料气系统或工艺过程进行处理,直到其满足以下任意一项条件:

接收维护排气的装置内蒸汽的爆炸下限低于10%;或者如果蒸汽的爆炸下限无法测量,则装置内压力应等于或低于5psig;或者接收维护排气的装置内含有72磅以下的VOC

火炬        

排放源描述:火炬指的是不具有密封燃烧室,借助不受控制的环境空气燃烧气体的燃烧装置。火炬可以分为四个主要类别:空气助燃火炬、蒸汽助燃火炬、压力助燃火炬和非助燃火炬。美国联邦环保署新增的大气污染排放要求主要涉及了空气助燃、蒸汽助燃和非助燃三个类别。

几乎所有的炼油厂、石化厂或有机化学品制造商都通过至少一部火炬对设备启动、关闭或故障期间产生的废气进行控制。一般来说,每座炼油厂或石化厂通常设有3至4部火炬。除了紧急情况下的废气处理,火炬也经常用于多种VOC排放源的污染防治。当火炬气燃烧不充分时,VOC便会释放到大气中。如果火炬的不正常运行导致其燃烧效率降低,则可能产生大量的VOC排放。

原标准的VOC污染防治要求:

根据原标准的有关要求,火炬须:

是蒸汽助燃、空气助燃或非助燃火炬

在废气可能导入的全时段保持运行

按照不产生可见排放的标准进行设计,且在运行过程中不出现可见排放。每连续2小时内可出现总时长不超过5分钟的例外在运行时始终保持引燃火焰。引燃火焰须借助热电偶或类似的设备进行监控根据火炬的类别和直径,借助最低热含量或最大火炬头速度参数阐释其初始合规状况。

新增监测和污染防治技术要求:在对原标准的有关要求及其执行结果进行审阅后,美国联邦环保署认为,应当以保证火炬满足有害大气污染物减排效率并在设备启动、关闭和故障期间将大气排放控制在最低水平为目标,制订新的配套要求,并使企业在可行的情况下尽量减少火炬的常规使用。

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首先,新的大气排放标准(记载在美国联邦法规40 CFR Part 60,Subpart Ja下)要求火炬所有者或运营方制定并提交一份书面的火炬管理计划,阐述如何在排放源处或通过安装火炬气回收系统,以及在正常运行期间及规划的设备启动和关闭期间尽量减少火炬的使用。在落实火炬使用最少化评估过程确定的各项措施之后,火炬所有者或运营方应当为每部火炬建立一项流率基线,并在任何24小时火炬参数超过基线50万标准立方英尺(或14160标准立方米)事件发生的45天内执行一项根源分析。

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根据相关研究调查的结果和外部专家评议小组的参考意见,美国联邦环保署认为火炬的绩效主要受以下三个主要因素影响:(1)工艺排气向火炬的流动;(2)向火炬添加的助燃剂(空气或蒸汽)的量;以及(3)工艺排气和助燃剂混合物在燃烧区域的燃烧性,并确定和评估了影响混合物燃烧性的三个潜在性质:净热值、爆炸下限和可燃烧成分的总浓度。美国联邦环保署认为,使用人工净热值为1212 Btu/scf(基于对氢气和气态烃类燃料爆炸下限的比较)计算的燃烧区域混合物的净热值能够带来最佳的火炬绩效。

设备泄露    

排放源描述:设备泄漏指的是从泵、压缩机密封、工艺阀门、泄压装置、开口阀门和管线、法兰和其它连接器、搅拌机和仪表系统等工艺设备释放工艺流体或蒸汽的现象。设备泄漏主要发生在相互连接的设备部件之间或密封部件处。

原标准的VOC污染防治要求:受原标准约束的设备泄漏主要是含有或接触VOC重量超过5%的流体(液体或气体)的设备产生的泄漏;设备泄漏调查应至少每季度执行一次,除非企业满足特定的条件并可执行“跳跃式监测”(每半年一次);新建和现存排放源均应根据实际情况在开口阀门和管线上安装保护帽、插塞或法兰盲板;在设备泄漏确定之后,企业必须在15天内对其进行修复。第一次修复尝试必须在5天内完成。

新增监测和污染防治技术要求:

在对原标准进行审阅的过程中,美国联邦环保署曾考虑下修泵和阀门设备泄漏的定义,即将新建和现存排放源的泵泄漏定义降低至500ppm或2000ppm,并将阀门的泄漏定义降低至500ppm。

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美国联邦环保署也考虑对原标准中手持式探测仪使用的有关规定进行更新,将光学气体成像等遥感技术列为一种替代方法。企业在通过替代方法执行泄漏探测时,可使用遥感技术装置或系统对厂区内的设备进行扫描。常见的遥感技术主要包括:红外波长光学气体成像、差异吸收光探测和测距(DIAL)和红外掩日通量(SOF)等。

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美国联邦环保署更新了有机化学品制造商和炼油厂VOC设备泄漏的排放标准。根据炼油厂以往的法规执行情况,根据EPA方法21组织的监测经常执行得过快,没能有效地监测各个设备组件。

储罐        

排放源描述:储罐用于储存液体和气体工艺给料或工艺产品。大部分储罐的设计是在标准大气压或接近标准大气压的环境中运行(即常压储罐);高压储罐则特别用于储存压缩气体和液化气体等物质。常压储罐通常采用纵向圆柱体结构,并建有固定或可浮动的罐顶。一些小型的常压储罐可能采用横向圆柱体结构。高压储罐一般采用球状或横向圆柱体结构。

储罐的VOC排放主要是由罐内液体的加注和排空,以及由温度和气压导致的蒸发损失导致的。不当关闭的开口、储罐配件和其它污染防治设备也会产生一部分排放。另外,储罐在关闭或维护时需要排空内部储存的液体或气体,因此也会产生VOC排放。

原标准的VOC污染防治要求:

内浮顶储罐:原标准要求内浮顶储罐的浮顶必须随时停留在液体表面,除了在储罐第一次加注之前或因检验和维护进行排空而必须使用支撑等情况下。储罐必须在罐壁和浮顶边缘安装闭合装置。闭合装置包括液态镶嵌式密封、金属鞋式密封或这两种密封上下排列。

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