鄭臨奧，趙東風，盧 磊，孫 慧

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

泄漏檢測與修復技術在煤化工烯烴分離裝置的應用

鄭臨奧1，趙東風1，盧 磊1，孫 慧2

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

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

泄漏檢測與修復技術 揮發(fā)性有機物 烯烴分離裝置 煤化工

揮發(fā)性有機化合物(Volatile Organic Compounds, 簡稱VOCs)是參與大氣光化學反應的有機物[1]。煤化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中，設備動靜密封點易泄漏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的主要貢獻源[2,3]，且大部分VOCs屬于有毒有害物質(zhì)，對人體健康有直接影響[4]。

泄漏檢測與修復技術(Leak Detection and Repair, 簡稱LDAR)是使用固定或移動式檢測儀器，定量檢測設備閥門、法蘭、連接件等組件VOCs泄漏量，并在限定時間內(nèi)修復泄漏密封點，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)性有機物綜合整治方案》要求，現(xiàn)已在石油化工領域全力推行泄漏檢測與修復，企業(yè)應用LDAR技術后VOCs減排明顯[5,6]，泄漏率降至0.03%～0.35%，但國內(nèi)對煤化工行業(yè)的LDAR應用研究尚未見報道。因此通過在煤化工烯烴分離裝置上應用LDAR技術，了解煤化工行業(yè)VOCs的泄漏現(xiàn)狀，有利于企業(yè)實現(xiàn)VOCs減排，最終建立政府、企業(yè)和社會共贏的局面。

1 LDAR工作流程

LDAR主要工作內(nèi)容分為項目建立、現(xiàn)場檢測和泄漏維修三個步驟[7]。

首先收集裝置的相關資料，主要包括物料平衡表、PID圖、操作規(guī)程、設備臺賬等。結(jié)合資料分析裝置內(nèi)設備或管線的物料，以其中VOCs組分含量超過10%、接觸涉VOCs物料的累積時間超過15天為標準，識別受控設備和管線，并根據(jù)物料狀態(tài)(氣體、輕液、重液)用不同顏色在PID圖上進行標注。根據(jù)PID圖和現(xiàn)場調(diào)研進行密封點編碼，并建立裝置密封點數(shù)據(jù)庫。

現(xiàn)場檢測是受培訓人員使用氫火焰離子化檢測儀(FID)對已編碼的密封點開展檢測工作，記錄密封點泄漏量數(shù)值并錄入數(shù)據(jù)庫。定義儀器讀數(shù)超過2 000×10-6(體積分數(shù))的密封點為泄漏點，在泄漏點附近懸掛泄漏牌，標明泄漏點信息，方便企業(yè)開展修復工作。

泄漏修復是企業(yè)根據(jù)密封點數(shù)據(jù)庫對泄漏點開展修復工作，對于需延遲修復的泄漏點應說明原因。檢測人員對完成修復的密封點進行復測，記錄最終檢測值，完善數(shù)據(jù)庫，并計算裝置整體泄漏量。

2 煤化工裝置泄漏量估算方法

密封點排放速率計算方法主要包括實測法、相關方程法、篩選范圍法和平均排放系數(shù)法[8]。常用實測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。實測法最為精確，但消耗大量人力、物力和時間，因此不適合應用在具有大量密封點的煤化工企業(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)計算VOCs排放量，但計算結(jié)果偏大、準確度低，故常用于估算。目前，國內(nèi)采用較多的是EPA的相關方程法和篩選范圍法[9,10]。

相關方程法規(guī)定了默認零值排放速率、限定排放速率和相關方程。當密封點的凈檢測值(凈檢測值=檢測值-環(huán)境本底值，用SV表示)小于1時，此密封點排放速率為對應設備類型的默認零值排放速率；當凈檢測值超過50 000×10-6，用限定排放速率作為該密封點排放速率。凈檢測值在兩者之間，采用相關方程計算該點排放速率(見表1，其中SV是修正后的凈檢測值，×10-6；輕液體泵系數(shù)也可用于壓縮機、泄壓設備和重液體泵)。

表1 煤化工設備組件的設備排放速率 kg/h

根據(jù)密封點排放速率和排放時間，相乘即可計算該密封點在該排放時間段的排放量，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——密封點的運行時間段，h/a；

eVOCs,i——密封點的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，與相關方程法不同之處在于將凈檢測值以10 000×10-6為界劃分，使用不同的排放系數(shù)進行計算(見表2)，常用于估算不可達法蘭及連接件的泄漏量。

使用篩選范圍法時，先計算各類型組件的排放速率，后計算裝置年排放量，即：

Evoc=FG×NG+FL×NL

(2)

式中：EVOC——特定設備類型的VOCs排放速率，kg/h；

FG——篩選值≥10 000×10-6的特定設備類型的排放系數(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的排放源設備數(shù)量，特定設備類型；

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

(3)

式中：E裝置——裝置VOCs的年排放量，kg/a；

H——年運行小時數(shù)，h/a；

EVOCs,i——特定設備類型的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

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

3 LDAR在烯烴分離裝置的應用

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，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。裝置的設計能力為年產(chǎn)30×104t聚合級乙烯產(chǎn)品和30×104t聚合級丙烯，副產(chǎn)品碳四、碳五、燃料氣，年生產(chǎn)時間8 000 h。

3.2 檢測結(jié)果與分析

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

表3 密封點分類統(tǒng)計

使用相關方程法計算烯烴分離裝置排放量，將檢測數(shù)據(jù)代入公式(1)，計算得烯烴分離裝置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

在所有已檢測密封點中，泵密封和壓縮機密封未發(fā)現(xiàn)泄漏，其余密封點類型泄漏率：開口管線泄漏最嚴重，泄漏率達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。連接件泄漏點數(shù)最多且檢測值相對其他類型偏大，其中有53個點的檢測值超出儀器量程，故對總泄漏量貢獻最多。

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%，但對總泄漏量的貢獻為92.15%。SV<10 000×10-6的密封點數(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，應重點控制SV≥10 000×10-6的密封點，削減其排放量。

圖1 不同數(shù)據(jù)區(qū)間的密封點個數(shù)

圖2 不同數(shù)據(jù)區(qū)間的泄漏量

3.3 泄漏修復及效果評估

維修人員對451個泄漏點進行不停工維修，主要措施如表4。

表4 不停工維修措施

在泄漏密封點不停工維修后，以SV<2 000×10-6作為合格標準，對泄漏點進行復測，共修復泄漏密封點315個，修復后泄漏率為1.22%。

將復測數(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，泵和壓縮機首測未泄漏，故排放量不變。

圖3 不同密封類型的減排效果

4 結(jié)論

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

[1] GB 31571-2015 石油化學工業(yè)污染物排放標準[S].

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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(華東)環(huán)境科學與工程專業(yè)在讀研究生，主要從事煤化工VOCs核算工作。