石化企业动静密封点源项VOCs管控技术效果评估

孙慧,徐同高,夏志同,徐庆虎,薛媛,柯佳

(1.青岛欧赛斯环境与安全技术有限责任公司,山东 青岛 266555;2.青岛中石大环境与安全技术中心有限公司,山东 青岛 266555;3.中国石油大学(华东) 化学工程学院,山东 青岛 266580)

石化行业为我国VOCs管控的重点行业,存在VOCs种类及源项众多、排放量大且以无组织排放为主的特点[1-3]。根据我国《石化行业VOCs污染源排查指南》的规定,石化企业VOCs排放源项包括:挥发性有机液体储存与装载,设备动静密封点泄漏,循环水场逸散,工艺有组织排放,废水集输、储存及处理过程逸散等13个排放源[4-6]。其中设备动静密封点排放源项涉及石化企业主体生产装置、储运设施、公辅工程等大部分装置及设施,密封点数量从几万到上百万个点,为石化企业主要的排放源项之一,其VOCs无组织泄漏不仅污染环境同时存在较大的安全隐患,为石化企业VOCs减排的重点和难点[7-8]。

以某石化企业的13套主体生产装置、储运系统及公辅设施的动静密封点为研究对象,开展VOCs管控技术效果评估,通过实施泄漏检测与修复技术、定力矩紧固技术和屏蔽泵改造技术的现场应用,对实施过程大量现场数据进行统计,分析不同管控技术下动静密封点源项的VOCs排放量、减排量及减排率等。

1 企业动静密封点源项台账建立

1.1 台账建立

根据企业实际情况,通过资料分析及现场排查相结合的方式,开展装置适用性、设备适用性分析,建立企业受控装置和设备清单,根据密封点类型、介质组成、可达性等,建立包括泵、压缩机、阀门、法兰在内的10大类动静密封点台账[9],台账建立流程见图1。

图1 设备密封点台账建立详细流程图

根据动静密封点台账建立流程图,对该炼厂13套在产生产装置和配套的储运系统和动力系统进行设备分析及密封点现场信息采集,最终建立该炼厂完整的受控动静密封点台账,共计155 000个设备动静密封点VOCs无组织排放源,详见表1。

表1 设备密封点台账信息

1.2 密封点统计分析

由图2可知,从密封点装置分布来看,连续重整、常减压、加氢裂化和催化裂化装置占比较高,分别为17.89%,15.17%,13.51%,11.49%,4套装置密封点总数合计约90 006个,占全厂密封点总数的58.07%。

图2 动静密封点按装置分布情况

动静密封点按类型分布情况见图3。

图3 动静密封点按类型分布情况

由图3可知,从密封点类型分布来看,该企业静密封点数占总点数的99.11%,其中以连接件、法兰和阀门占比较高,分别为50.76%,29.14%和阀门16.91%,这三类密封点的总数为150 057个,占全厂密封点总数的96.81%。

2 泄漏检测与修复技术

泄漏检测与修复技术(Leak Detection and Repair,LDAR)是目前国内外针对动静密封点源项的主要管控技术,该技术核心思想为:采用泄漏检测仪器对动静密封点源项开展周期性的检测工作,对于检测过程中发现的泄漏密封点实施修复直至低于泄漏标准限值[10-11]。

2.1 检测仪器和方法

仪器:采用国标中规定的氢火焰离子化检测仪进行定量检测,仪器型号为TVA2020C。

检测方法:采用《石化行业VOCs泄漏检测与修复工作指南》(环办[2015]104号 附件3)和《工业企业挥发性有机物泄漏检测与修复技术指南》(HJ 1230—2021)[12-13]。

2.2 泄漏量及减排量核算方法

采用《石化行业VOCs污染源排查工作指南》(环办[2015]104号 附件1)中动静密封点泄漏量核算方法,其中可达点用相关方程法进行核算,不可达点用排放系数法进行核算。根据每个检测周期LDAR实施前后的泄漏量核算本轮次LDAR的减排量。

2.3 实施LDAR技术减排效果分析

2.3.1 检测结果及泄漏量分析

由表2可知,对全厂155 000个动静密封点开展泄漏检测,达到标准规定的泄漏浓度总密封点数为1 538个,总泄漏率为0.99%,严重泄漏率为0.31%。其中加氢裂化装置的泄漏点数最大为402个,泄漏率也最高为1.92%,其次为连续重整装置和气体分馏装置,泄漏率分别为1.36%和1.32%。

表2 各装置密封点VOCs检测浓度分布及泄漏率情况

由图4可知,动静密封点源项VOCs排放量为223.5 t/a,其中泄漏密封点的VOCs排放量占79.67%。。不同装置VOCs排放量对比可以看出,加氢裂化装置、储运系统、连续重整装置以及常减压装置的VOCs排放量最高,分别占比25.67%,16.02%,14.36%和9.3%。

图4 不同装置密封点及泄漏密封点VOCs排放量

2.3.2 LDAR技术减排效果分析

本研究共实施4个周期年的LDAR技术,共计实施16轮次动密封点和8轮次静密封点的LDAR工作,对密封点泄漏情况进行现场实测及VOCs减排量核算。LDAR技术实施效果见图5。

图5 LDAR技术实施效果

由图5可知,实施LDAR技术后,VOCs排放量实现了不同程度的降低,在实施第1、2、3、4周期年的LDAR技术后,全厂动静密点VOCs排放量分别为109.86,82.23,56.68,35.42 t/a,减排量分别为113.64,27.63,25.55和21.26 t/a,减排率分别为50.85%,25.15%,31.07%和37.51%。同时随着泄漏密封点被不断修复,其排放量逐年减小。因此,企业首次开展LDAR技术减排效果显著,随着LDAR开展轮次的增加,VOCs减排量逐年减小,导致后期减排效果变差。

由图6可知,对比分析不同密封点类型的修复效果发现,泵、阀门、法兰、连接件、开口管线5大类密封点的泄漏修复率均超过45%,其中以连接件和开口管线的泄漏修复率最高。而对于法兰和泵的泄漏修复率最低减排率也较低,这表明采用常规的修复手段无法达到理想的修复效果。

图6 不同密封点类型LDAR实施效果

3 定力矩紧固技术

定力矩紧固技术是通过计算出每对螺栓在预紧状态以及操作状态下安全运行的压紧力区间,选出合适的螺栓紧固力矩值,安装过程使紧力均匀地作用在法兰密封面上,与传统的人工手动紧固相比,具有提高检修可靠性、减少甚至取消热紧工序、支撑装置更长周期运转的优势[14-16]。与此同时,考虑由于紧力的均匀分布,会提高法兰面的密封性能,从而减少VOCs的泄漏排放。定力矩紧固技术操作示意图见图7。

图7 法兰不同紧固方式示意图

3.1 紧固对象筛选

基于企业各装置VOCs排放量及泄漏情况分布、LDAR实施效果,以泄漏率较高、常规修复手段难以达到预期修复效果为筛选原则,并充分考察现场的可操作性,最终综合筛选加氢裂化装置350个法兰实施定力矩紧固技术,其分布情况如表3所示。

表3 筛选加氢裂化装置法兰分布一览表

3.2 定力矩紧固技术减排效果分析

由图8可知,对加氢裂化装置的法兰及螺栓实施定力矩紧固技术后,法兰密封点检测浓度都实现了不同程度的降低,达到标准规定的泄漏浓度的法兰数量从68个降低至1个,且350个法兰的VOCs排放量从11.36 t/a降低至2.39 t/a,减排率达78.97%。对于不同检测浓度范围,泄漏法兰的实施效果优于非泄漏法兰,其中以浓度在2 000～10 000 μL/L范围内泄漏法兰实现的VOCs减排率最高,为85.14%,其次是严重泄漏法兰(浓度>10 000 μL/L),VOCs减排率为79.84%。

图8 定力矩紧固技术实施前后法兰不同检测浓度及VOCs排放量

4 屏蔽泵改造术

屏蔽泵是一种无密封泵,泵和驱动电机被密封在同一个压力容器内,取消了传统离心泵具有的旋转轴密封装置,因此对于屏蔽泵的VOCs泄漏不再涉及旋转轴产生的转动泄漏,只有静密封泄漏[17-20],从而实现VOCs的减排,屏蔽泵改造示意图见图9。

图9 屏蔽泵改造示意图

4.1 屏蔽泵的筛选

通过对该企业全厂370台机泵实际泄漏检测数据进行分析,筛选VOCs泄漏量较大的9台机泵进行屏蔽泵选型改造。9台机泵实际泄漏检测数据及分布情况见表4。

表4 筛选VOCs排放量较大的机泵分布一览表

4.2 屏蔽泵改造技术减排效果分析

从表5中可知,机泵由不同泵改造为屏蔽泵后,9台机泵的检测值范围降低至0.9～3.4 μL·L-1,VOCs排放量从544.81 kg/a降低至5.20 kg/a,减排量为539.61 kg/a,减排率达99.04%。

表5 机泵改造前后检测值及VOCs排放量

5 结论

1)开展某石化企业13套在产生产装置和配套的储运系统和动力系统密封点台账建立,共完成全厂动静密封点建库总数155 000个;

2)实施4个周期年的LDAR技术,全厂动静密点VOCs减排量分别为113.64,27.63,25.55和21.26 t/a,减排率分别为50.85%,25.15%,31.07%和37.51%;

3)加氢裂化装置350个法兰实施定力矩紧固技术,泄漏法兰数量从68个降低至1个,VOCs排放量从11.36 t/a降低至2.39 t/a,减排率达78.97%;

4)9台泄漏量较大的机泵实施屏蔽泵选型改造技术,9台机泵的检测值范围降低至0.9～3.4 μL·L-1,VOCs减排量为539.61 kg/a,减排率达99.04%;

5)石化企业动静密封点源项数量众多,在实施LDAR技术的基础上,根据动静密封点类型,综合考虑技术经济可行性,可采取定力矩紧固技术和屏蔽泵改造技术达到更好的减排效果,为实现我国在十四五期间炼厂动静密封点源项的深度减排提供借鉴和参考。