高架火炬排放管控现状初探与深化监管建议.pdf
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1、2023 年第 39 卷第 3 期石油化工安全环保技术PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY32VOCS治理已成为现阶段我国打赢蓝天保卫战的重要举措,高架火炬作为炼油化工行业VOCS重点排放源之一,主要用于处理企业非正常生产(包括开停工、检维修、设备故障超压、公用工程事故等)过程中装置无法回收与利用的工艺废气。当可燃有机物不能满足充分燃烧条件时,燃烧废气则不同程度地排放 VOCS。美国已于上世纪 80 年代开始关注高架火炬VOCS排放,目前,世界范围内仅有 US EPA 面向火炬 VOCS管控工程出台了系统性的工
2、程法规。US EPA 认为在满足一定操作条件的基础上,高架火炬的燃烧效率可达到 96.5%甚至更高。美国先进技术法规为我国高架火炬 VOCS排放管控与监管提供了依据与可借鉴的思路。1 高架火炬的基本构成与排放火炬系统按照安装位置可分为地面火炬与高架火炬,高架火炬因其处理量大而得以在多数炼化企业中广泛应用。高架火炬系统由分液罐、水封罐、筒体、火炬头、支撑钢结构、控制系统、长明灯及其点火系统等组成。火炬气进入火炬头经长明灯点火放空燃烧,燃烧产生的烟气直排 大气。火炬系统作为炼化厂最后一道废气处理设收稿日期:2022-03-29作者简介:袁伯若,男,2013 年毕业于华东理工大学热能工程专业,工学硕
3、士,主要从事废气治理工程的设 计 与 研 究,工 程 师。电 话:15618481752,E-mail:高架火炬排放管控现状初探与深化监管建议袁伯若1,刘志阳2,刘峰1(1.上海汉洁环境工程有限公司,上海 200443;2.广东省环境科学研究院,广东 广州 510045)摘要:高架火炬是炼油与化工厂生产中广泛应用且不可或缺的重要设施,因其处理量巨大,燃烧效率不高而成为炼化行业 VOCS重大排放源之一,目前我国仍没有成熟的火炬 VOCS排放管控技术与标准。通过研究 US EPA(美国联邦环保局)技术法规与国内近年来的相关标准,结合对广东省高架火炬管控现状的实地调研,提出了符合炼化行业高架火炬 V
4、OCS排放管控的具体工程监管建议与对应的技术发展方向。建议监管包含 5 个方面:1)热值监控;2)流量监控;3)蒸汽自动调节;4)气体回收;5)黑烟观测。关键词:火炬VOCS管控排放管控备,长久以来仅关注设备本身的运行安全性,因火炬高度与燃烧区域温度的限制,我国对设备燃烧处理效率及其排放管控鲜有研究。近年来,VOCS污染物排放受到了世界各地的广泛关注,火炬系统将被视为 VOCS末端治理设备。美国德州环境委员会在 2009 年报1中显示,美国某县城 2006 年火炬年排放 HRVOC 量为本行业年排放量的 50%以上,该报告表明火炬是重大的 VOCS排放源。我国已于 2015 年将火炬排放列为石
5、化行业 VOCS污染源项之一,因此火炬 VOCS排放是亟需关注与监管的问题。2 美国、中国火炬排放管控要求与改造工程概述2.1 美国火炬排放管控要求确保火炬充分、高效燃烧是管控与减排VOCS的根本途径,石化领域中用燃烧效率(CE)来表征燃烧效果的优劣。烃类火炬气燃烧后的产 袁伯若等.高架火炬排放管控现状初探与深化监管建议 332023 年第 39 卷第 3 期物为一氧化碳(CO),二氧化碳(CO2),水(H2O)以及非碳氢化合物(UHC),其中 CO2在产物(CO,CO2,UHC)中质量百分数即为燃烧效率。由于炼化厂高架火炬高度通常在 140 m 以上,火炬头燃烧区温度在 800 以上,对燃烧
6、效率的直接测量与认定不易,因此美国技术法规通过管控燃烧火炬气的流速、热值与反应助燃气等工艺参数来间接认定燃烧效率,即认为只要运行工艺参数满足法规限值要求即认定该火炬燃烧效率达标。US EPA 在法规 40 CFR 60 subpart A2与 40 CFR 63 subpart CC3中发布了石化行业火炬系统管控条款,其中详细规定了确保高架火炬充分燃烧的技术管控参数(见表 1)。目前美国已有众多炼化企业依据 EPA 提出的相关管控规定完成了高架火炬排放管控改造工程。埃克森美孚石油公司花费 3 亿美金对旗下26 个火炬系统进行升级改造,预计每年 VOCS减排 7 061 t4;美国马拉松原油公司
7、投资 5 200 万美元改进 6 座炼油厂的 21 个火炬,火炬气系统安装超声流量计、自动气相色谱仪、热值分析仪和控制系统,实现 VOCS减排 4 700 t/a,并减少48%的蒸汽消耗,同时也发现 VOCS排放为最初预计的 11 倍。2.2 我国火炬排放管控要求目前我国国家层面的火炬相关标准(见表 2)主要关注火炬常规工艺设计,排放管控要点中仅定性的规定火炬的充分燃烧与火焰监测;地方层面标准中上海市的管控规定与国家标准完全一致,南京市管理办法中明确提出管控火炬 VOCS排放是防治大气污染的措施之一,并明确了高架火炬允许的处理工况,指出应将火炬 VOCS排放纳入监管范围。尽管近年来我国相继出台
8、了一系列标准、办法,但管控要点较为宏观,缺乏详细监管规定与定量的管控参数,使得管控工程的落地缺乏有效指导。我国目前尚无成熟的高架火炬VOCS排放管控改造工程。3 广东省高架火炬管控现状初探与工程监管建议3.1 火炬管控基本情况依据第 1 节概述内容以及国内外标准的全面表 1US EPA 火炬管控要点法规名称管控要点汇总40 CFR 63 subpart CC&40 CFR 60 subpart A1)规定在 2019 年 1 月 30 日前完成火炬升级改造任务;2)燃烧效率 96.5%;3)蒸汽助燃火炬头出口气体热值 270 Btu/scf,筒体气体热值 300 Btu/scf;空气助燃火炬头
9、出口截面热负荷 22 Btu/ft2;4)火炬头出口流速应与热值相匹配且不超过 122 m/s;5)蒸汽添加量应与火炬气流速、热值相匹配;6)无烟燃烧能力以上的排放应制定火炬管理计划;7)人工观测黑烟并记录表 2近年来国家与地方层面火炬相关规范汇总序号规范名称发布时间管控要点1石油化工可燃性气体排放系统 设计规范(SH 30092013)20131)进入火炬系统的气体热值不应低于 7 880 kJ/Nm3;2)长明灯应设置温度监测仪表;3)正常产生条件下来的排放可燃性气体宜回收利用2石油炼制工业污染物排放标准(GB 315702015)石油化学工业污染物排放标准(GB 315712015)20
10、151)采取措施回收排入火炬系统的气体和液体;2)在任何时候,挥发性有机物和恶臭物质进入火炬都应能点燃并充分发燃烧;3)应该连续监测、记录引燃设施和火炬的工作状态,如火炬气流量、火炬头温度、火种气流量、火种温度等,并保存记录 1 年以上3石油炼制废气治理工程技术规范(HJ 10942020)20201)火炬及相关管网、水封、气柜等设计应符合 SH 3009;2)正常工况下,可经过有机胺吸收脱硫是火炬气 H2S 浓度 30 mg/m3,控制火炬烟气 SO2排放浓度;3)通过火炬监控记录、氮气置换、控烟等措施,保障火炬正常工作、燃烧完全4关于加快解决当前挥发性有机物治理突出问题的通知20211)高
11、架火炬纳入重点监管范围;2)鼓励有条件的企业安装热值检测仪、非甲烷总烃在线监测设备,相关历史数据至少保存 1 年以上;3)火炬排放废气热值达不到要求时应及时补充助燃气5南京市高架火炬环境管理办法(宁环规 C2019 1 号)20191)高架火炬不得作为日常大气污染处理设施;2)高架火炬纳入环评范围并明确火炬气成分;3)配套助燃气系统确保火炬可靠燃烧;4)废气应充分燃烧石油化工安全环保技术342023 年第 39 卷第 3 期比较汇总得出:高架火炬的热值、流量、气体回收、火焰监测是排放管控的基本要点。为了进一步探究高架火炬的管控现状,选择对广东省 6 大主要炼化企业进行现状调研,从调研统计中(表
12、3)可见:6 家炼化企业高架火炬共计 21 座,所有高架火炬均未安装热值监控设备,仅 2 家企业基于排放管控目的安装了超声波流量计,6 家企业均不同程度地设置了火炬气回收设施用于收集正常生产中的放空气,所有企业火炬均设置了长明灯热电偶与 CCTV 火焰监控系统。蒸汽添加量与无烟燃烧能力5-6是 US EPA法规中规定的另外 2 个重要参数,无烟燃烧通过火炬头本身结构特性与添加蒸汽实现,且火炬头无烟燃烧能力是划分火炬违规排放的分水岭,也是火炬黑烟倾向表征参数之一。无烟燃烧能力以下的排放只要与法规要求不符即视为违规排放,无烟燃烧能力以上的排放若与法规要求不符则先经事故原因分析再视情况定夺。调研结果
13、可见:6 家炼化企业均采用中心蒸汽式或顶部-中心蒸汽式火炬头,该类火炬头因本身结构形式的原因无烟燃烧能力与设计能力的比值通常不超过 20%。蒸汽控制均采用依据人工经验的手动控制,在小流量排放时易造成蒸汽添加过量而“淬冷”火炬头火焰,造成低效率燃烧从而大量排放VOCS。3.2 排放火炬气热值水平热值是确保火炬燃烧效率最重要的参数之一,US EPA 中规定蒸汽助燃型高架火炬进入筒体的气体热值必须高于 300 Btu/scf,才能确保充分燃烧。调研工作对广东省 2 家企业热值定期采样结果进行了分析。表 3广东省 6 大主要炼化企业火炬管控现状企业高架火炬位号热值仪火炬气采样流量计回收措施无烟燃烧能力
14、与设计能力比,%火炬头形式蒸汽 添加方式黑烟 观测记录泄放量算法企业 1火炬 1无定期采样超声波流量计2 t/h 以下火炬气回收至焚烧炉燃烧10顶部 蒸汽式人工手动无SH 3009 规范中的静态叠加火炬 210企业 2炼油火炬 1无定期采样质量 流量计气柜能力约 7 t/h1520中心 蒸汽式人工手动无SH 3009 规范中的静态叠加炼油火炬 2炼油火炬 3企业 3火炬 1无无无气柜能力约 5 t/h1520中心 蒸汽式人工手动无SH 3009 规范中的静态叠加火炬 2火炬 3企业 4炼油临氢 高压火炬无无无无1520顶部-中心 蒸汽式人工手动无SH 3009 规范中的静态叠加炼油火炬气柜能力
15、约 4.2 t/h化工火炬 1无化工火炬 2POX 火炬企业 5炼油区-火炬 1无定期采样超声波流量计气柜能力约 1.4 t/h15中心 蒸汽式人工手动无SH 3009 规范中的静态叠加炼油区-火炬 2气柜能力约 2.8 t/h炼油区-火炬 3气柜能力约 1.4 t/h炼油区-火炬 4气柜能力约 2.8 t/h化工区-A 火炬无无无化工区-B 火炬化工区-D 火炬企业 6低压瓦斯火炬无无质量 流量计气柜能力约 0.7 t/h1520中心 蒸汽式人工手动无SH 3009 规范中的静态叠加 袁伯若等.高架火炬排放管控现状初探与深化监管建议 352023 年第 39 卷第 3 期企业 1 为乙烯裂解
16、厂,拥有的 2 座高架火炬均采用蒸汽助燃型火炬头,对 2020 年全年采集的 100 个火炬气样本热值数据(见图 1)进行分析。结果显示:企业 1 火炬气平均热值 359 Btu/scf,其中 44 个采样点热值低于 300 Btu/scf,低热值样企业 2 为炼油厂,拥有的 3 座高架火炬均采用蒸汽助燃型火炬头。生产过程中 177 个采样点气体热值均高于 300 Btu/scf。2021 年 10-11月期间,企业 2 进行全厂装置大修,大修期间46 个总管火炬气采样点热值(见图 2)平均值为 495 Btu/scf,其中有 6 个采样点热值低于 300 Btu/scf,低热值样品气中氮气的
17、体积分数范围为64.58%72.78%。图 2广东省企业 2 大修期间热值采样数据品气中氮气的体积分数为 79.31%91.13%,火炬气流量计测得流量为 0.241.72 t/h,该期间蒸汽通过人工添加。火炬燃烧效率认定按 80%,火炬排放为连续排放,企业 2020 年度火炬 VOCS排放估算量为 965.83 t。通过对广东省 2 家典型炼化企业排放火炬气热值的分析得出:企业均存在低热值排放工况,在此期间的火炬燃烧效率无法达到预期值 96.5%,进而造成 VOCS大量排放。3.3 监管建议根据广东省炼化企业的实地调研情况,综合考虑 US EPA 技术法规1,3、企业主执行能力与环保部门管理
18、水平,提出炼化行业烃类蒸汽型高架火炬排放深化监管建议如下:1)安装热值监控设备,要求进入筒体内的气体热值应大于 12 003 kJ/Nm3,低于该值应进行热值调整。2)安装火炬气流量计,要求火炬头出口流速与热值相匹配,流速值不超过按式(1)计算值,且应 122 m/s。(1)式中:Vmax 标准状态火炬头出口截面处流速允许值,Nm/sNHVvg 火炬气热值,MJ/Nm3。3)要求蒸汽添加量应依据火炬气热值与流量自动调节,且要求火炬头出口截面处气体热值应大于 10 803 kJ/Nm3。4)正常生产条件下排放的可燃性气体应回图 1广东省企业 1 年度热值采样数据石油化工安全环保技术362023
19、年第 39 卷第 3 期收利用,减少碳排放。5)要求执行黑烟观测行为:当火炬气进入火炬头燃烧时,企业应每天至少执行 1 次黑烟排放观测并做好观测记录,每次观测应先持续 5 min,若 5 min 内黑烟持续 1 min,应将观测时间延长至 2 h。观测记录保存期限不少于 1 年。通过上述条款可有效监管高架火炬的排放及其燃烧效率。按照监管建议,当放空火炬气热值不足时,企业需添加一定量甚至大量燃料气进行掺烧,由于燃料气价格昂贵且燃烧后增加碳排放,该条监管建议势必使企业谨慎地选择使用高架火炬处理废气,并倒逼企业寻找废气处理的其他途径从而大幅削减火炬气排放。4 技术发展建议依据调研结果与 3 节中的监
20、管建议,针对炼化企业高架火炬 VOCS排放监管与管控的技术发展提出如下建议。4.1 技术规范环保是依靠政策与规范驱动的行业,目前我国各层面的火炬管控规范仍不成熟,管控的具体参数不明确,且管控条款分散未形成专项管控体系。因此,制定可落地、可执行的高架火炬专项工程技术规范是管控火炬燃烧效率与 VOCS排放的先决条件。4.2 火炬头火炬头是一类巨型燃气燃烧器,更是高架火炬系统中最重要的设备。调研发现广东省炼化企业普遍采用的蒸汽助燃型火炬头(见图 3)由于采用弯曲管道输送蒸汽-空气混合物,管道阻力损失较大,火炬头射流引射空气能力较弱,无烟燃烧能力小于设计能力的 20%,发烟与不完全燃烧倾向明显。火炬头
21、技术发展的核心问题是提高无烟燃烧能力,从而实现更大范围内的充分燃烧,降低VOCS排放的可能性。国外先进火炬头无烟燃烧能力可达设计能力的 40%以上。近 10 年来计算流体力学(CFD)广泛用于探究各类流体流动,传热、反应等问题,国外普遍采用 CFD 技术开发火炬头。因此,应充分利用现代化计算仿真技术辅助开发新型火炬头。图 3国内典型蒸汽助燃型火炬头示意1.长明灯;2.顶部蒸汽喷管;3.稳定圈;4,5.中心蒸汽管;6.蒸汽喷嘴;7.消音器4.3 关键仪器热值仪与流量计是实现火炬燃烧效率管控的核心仪器设备。由于火炬排放工况复杂,烃类成分多变等特点,因此,热值仪应具有测量范围大(0100 MJ/Nm
22、3)、测量结果响应时间短、内构件防腐蚀以及适应炼化厂野外防爆要求等特性。流量计应具有测量流速下限低、量程大的特性,尤其因阀门内部泄漏与调节阀开启等导致的小流量火炬气排放工况,这些小流量工况排放量虽小,但持续时间长甚至形成连续排放,因此需要特别关注。US EPA 法规中明确要求流量计流速量程下限为 0.03 m/s。4.4 燃烧控制器3 节管控技术措施中指出控制燃烧效率的关键点为:调控火炬气热值,自动调节蒸汽添加量。因此,研发多变量协同控制的燃烧控制器可有效协调与控制各变量。5 结 语1)我国火炬排放监管标准不成熟,且缺乏(下转第 49 页)张磊.传感器技术在石油行业 VOCS监测中的应用 49
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