试验与推广： 石化企业挥发性有机污染物泄漏检测与修复技术

     作者：郑晓蒙                                                                  

    挥发性有机化合物( VOCs)作为石化企业生产过程的特征污染物，其主要的排放源来源于无组织排放。由于炼油生产装置不断高速化运行，装置受腐蚀程度严重，其生产设备、管阀件、法兰等部件会发生大量的VOCs泄漏，且泄漏具有很大的偶然性，很难发现其中的泄漏规律。

    石化企业VOCs泄漏产生的后果不容忽视，不仅造成厂区物料损失严重，引起火灾隐患，给企业生产效益和安全运行带来损失，还会恶化周边地区的环境，影响居民身体健康。因此，在石化企业中开展有效的设备及管阀件组件泄漏检测及维修工作，减少企业VOCs的无组织排放，改善区域空气环境污染，对石油炼制和化工企业设备及管阀件密封点管理具有重要的参考价值和科学意义。泄漏检测与修复技术( Leak Detection and Repair，LDAR)就是用固定或者便携式检测仪器，对各装置所有VOCs工况下的工艺设备、仪表设备和管道上的法兰、阀门及各类管配件等的密封面进行专业检测，确保超过一定浓度的泄漏点能被及时发现并修复，最大限度地减少现场VOCs介质的排放，从而达到减少污染物排放和改善周边环境的目的。目前，欧美等发达国家对石化行业生产装置的VOCs介质泄漏与控制减排非常重视，制定了科学的泄漏检测维修技术的法律法规，并建立了VOCs逸散排放的评估标准和方法，开展石化装置的泄漏检测与修复工作已经很多年，在减少泄漏排放和预防泄漏风险等方面成果显著。与国外相比，我国石化装置LDAR技术的实施发展现状总体上滞后于欧美国家，缺乏相应的VOCs无组织排放控制技术标准科学体系，没有形成完善的LDAR技术管理体系，泄漏检测与维修相关技术研究和标准规范的制定还处于起步阶段，从而无法对装置泄漏造成的VOCs排放进行有效的监管。

    1  LDAR技术简介

    LDAR技术主要指定期用专业检测仪器对装置的设备、阀门、法兰、机泵、压缩机等经常出现泄漏的地方进行检测，找出发生泄漏的位置，并安排人员进行维修与更换。根据EPA文件《泄漏检测与修复：最佳技术指南》指出，典型的LDAR工作程序应该包括：泄漏点的定位标识、定义允许的泄漏浓度、监测泄漏组件、修复泄漏组件以及保存并记录，详见图1。

    泄漏点的定位标识是指根据企业需求开展现场调研与资料分析的工作，确定泄漏检测的设备组件，用唯一的标识符(ID)标签标识，并在管道和设备图纸中标记目标组件的ID号，识别出所有需要标识的组件。

    定义允许的泄漏浓度将设备组件的泄漏定义在一个允许范围内的泄漏值，来衡量组件的泄漏状况，一般泄漏阈值单位以umol/mol计，如果管件超过该值，则视为泄漏，需要检修。

    监测泄漏的设备组件是根据美国EPA所推行的“方法21”采用便携式检测器对泄漏组件检测，记录此值作为监测到的泄漏值。

    修复泄漏组件即组织人员对泄漏组件定期进行修复，维修后，对其再次进行仪器检测，确保其维修效果。

    记录数据并报告将所有检测完毕的泄漏组件的数据录入LDAR管理数据系统中，并将工艺过程中泄漏组件的ID标号、检测仪器、检测人员、检测结果、实施修复的时间和修复方案进行归档整理。

    最早的泄漏检测技术采用的是目测、鼻闻、耳听等感官技术手段，然后发展为皂膜检测技术手段，目前我国大部分的石化企业均采取这一技术手段。直到现在进一步发展为便携式检测仪器来检测泄漏部件（如氢火焰离子化检测器、光离子化检测器等）。近年来，随着环保部门的要求不断提高和环境空气质量的恶化，美国又开发出了红外气体相机技术来协助便携式仪器检测，目的是对石化行业生产装置泄漏组件的密封泄漏点能够进行快速、准确、高效的定位，从而能降低使用便携式检测仪器带来的巨额费用，提高VOCs排放的监测效率。

    2  国外LDAR技术现状以及相关法规标准

    2.1  国外LDAR技术现状

    欧美等发达国家在石化企业内开展实施LDAR技术已经很多年，在控制和减排方面取得了非常显著的成果，并积累了大量的丰富经验。现阶段，美国在LDAR技术上研制开发处于世界领先地位，取得了举足轻重的成就，其编制的泄漏检测与修复技术方法标准“方法21”已被列入美国联邦法典，并广泛通用于世界各个国家。早在20世纪50年代，美国的石化企业就存在部分设备管线的泄漏，提出了内部设备组件泄漏将会引发挥发性气体排放。自20世纪80年代初开始，美国规定要求其炼油厂全面推广LDAR工作计划，必须对石化企业全面施行LDAR作业，以控制设备管线组件的泄漏排放，目的就是发现泄漏部件并及时修复。先后颁布了美国炼油厂设备与管阀件泄漏修复标准、新源标准( NSPS)和有害空气污染物的国家排放标准(NE-SHAP)，并进行了多次的修订。此后，LDAR技术被美国许多州和地方政府所采纳，为了让这些地区达到美国大气质量标准要求，一部分州政府甚至制定了比联邦更严格的LDAR标准。

    厂区内运行LDAR技术，需投入大量的时间精力及运行费用，不能满足现代生产管理的要求，给企业带来了极大的经济损失，常规的LDAR技术手段具有一定的局限性，不能发现产生泄漏源的位置，便携式检测仪器定位较困难，需要经过不断的检测和数值对比才能得出结果。因此，在常规LDAR的基础上，需寻找一种经济有效的方法来定位泄漏点，以节约大量监测费用。为此提出了一种新型有效的经济技术手段-Smart LDAR技术，它是一种通过红外光学成像技术快速识别出泄漏源的位置，在较大范围内对设备与管线组件等实现逐一扫描，发现泄漏点并及时修复的技术。相对于传统的检测方法，新兴技术的特点包含远距离非接触测量，主要针对远距离目标，高温、高压设备；可实时检测所有设备组件的VOCs泄漏；检测保温层内的设备泄漏，且不受其他废渣等干扰；工作波长为3~5um，大多数碳氢化合物在此波长下均有较好的吸收峰，能检测烷烃、烯烃、芳烃多种有机物，特别地对丙烷、丙烯、苯等20多种物质响应灵敏。目前发展成较为成熟的红外气体相机，2008年美国EPA发布了用于红外气体相机开展Smart LDAR的AWP规范。表1为常规LDAR与Smart LDAR的比较。

    2.2  国外相关法规和标准

    美国炼油厂的设备与管阀件泄漏控制标准、检测频率以及维修要求主要参考新源标准( NSPS)和有害空气污染物的国家排放标准( NESHAP)。新源标准规定了炼化企业设备密封（如轻液泵、气体／蒸汽及轻液阀、轻液法兰接头等）的泄漏阈值、检测频率及维修要求等，其中，适用于石化企业的新源标准以Subpart GGG和Subpart GGGa为主。美国NESHAP有害空气污染物国家排放标准主要是针对有毒有害污染物，无论是新建源还是现有源都要遵守其规定，和NSPS类似，其中也对装置和设备的管阀件泄漏标准、检测频次和维修时间等作了规定，如NESHAP SubpartH。

    炼化企业开展LDAR工作模式参照美国EPA编制的挥发性有机化合物的泄漏检测方法“EPAMethod21”该方法用于查找设备与管阀件无组织泄漏排放的标准方法，被列入联邦法典，已成为通用的监测标准方法。EPA方法21主要规定了检测仪器的性能指标要求，具体设备与管线组件的检测方法和步骤以及泄漏组件的修复时间等。

    3  国内LDAR技术的发展及相关法规标准

    3.1  国内LDAR技术现状

    我国开展LDAR工作十余年，获得了阶段性的研究成果，该技术已成功应用于我国石化行业。选取重点地区的代表性企业自行展开LDAR，配备国外便携式气体分析仪，组织人员定向培训，增加企业内巡视次数，细化工作程序，完成厂区内炼化装置的监测工作，全面分析密封点信息，制定修复改进措施，初步建立VOCs无组织排放监控体系。此外，经过几年的认识、实践、总结，国内的科研单位及研究学者们也逐渐对LDAR技术展开了认识研究。上海科学研究院的鲁君、李莉等人概括了LDAR工作技术流程，综述了LDAR技术的发展过程和欧美国家的技术实施现状，提出使用LDAR技术应用于我国石化行业的控制排放前景。中国抚顺石油化工研究院的李凌波、忠生等人论述了LDAR控制排放技术，主要包括LDAR的检测方法、工作程序、数据管理质量改迸几个部分；阐述了Smart LDAR发展现状并将其与传统方法作对比；提出了我国设备管件的控制管理策略，即实施LDAR计划，检测并修复泄漏，跟踪并防止泄漏，设计制造低泄漏设备与管阀件防止泄漏。中国石化安全工程研究院的丁德武、高少华等人概述了VOCs泄漏损失量估算方法；根据国内某石化炼油装置泄漏设备管件为实例，应用LDAR技术开展泄漏检测损失评估，估算并分析不同装置及不同密封设备类型的泄漏量，评估其维修效果。总之，目前国内的研究学者对LDAR的研究报道多集中于工作方法环节及国内外的实施经验、泄漏损失与风险评估等。

    3.2  国内的LDAR技术相关法律法规

    我国政府正在计划制定LDAR技术的有关法律法规与技术文件。2012年，国家环境保护部在《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中，将VOCs列入控制指标，要求石化企业全面推行LDAR技术。2013年国务院通过的《大气污染防治行动计划》明确推进VOCs污染治理，在石化等重点行业实施VOCs综合整治，在石化行业开展“泄漏检测与修复”技术改造。于2014年发布了《石化行业挥发性有机物综合整治方案》的通知，要求到2017年，全国石化行业建成VOCs监测监控体系，规定要求全面推行“泄漏检测与修复”工作，建立“泄漏检测与修复”管理制度，建立信息管理平台，全面分析泄漏点信息，通过源头控制减少VOCs泄漏排放。

    同时，上海、广东、江苏、天津等地方环保部门根据各自地区的污染排放现状，也相应出台了企业VOCs污染防治与治理的地区性技术文件，要求在石化企业全面实施LDAR工作。

    广东省环境保护厅于2013年发布了《广东省泄漏检测与维修制度( LDAR)实施技术要求》，技术要求规定了LDAR的检测方法、检测频率，以及LDAR的质量管理系统。

    北京市地方标准DB11/447-2007《炼油与石油化学工业大气污染物排放标准》，是国内首次推出炼油厂开展LDAR技术的标准与规范。其中，引用了国外的设备泄漏监测标准限值，规定了设备管线的VOCs设备管线泄漏最高允许值，天津继北京之后，也出台了首个地方VOCs综合排放标准DB12/524-2014《工业企业挥发性有机物排放控制标准》，其内容也包含了无组织泄漏源的控制排放要求。按照设备与管线组件的类型和建厂日期分别规定了不同的VOCs的排放值。表2为天津地方标准设备管线的VOCs泄漏值。

    为了规范企业内部VOCs的泄漏检测方式，中国石化集团公司于2010年7月制定了《石化装置挥发性有机化合物泄漏检测规范》，此《规范》由2012年5月开始执行，规定了VOCs的泄漏定义为浓度500 x10-6,umol／mol、不同泄漏源检测方法、方案制定等内容。

    4  LDAR技术在中国石化企业的应用

    石油炼制与石油加工行业作为我国工业生产的主导产业，工艺生产过程容易产生大量VOCs污染物．排放量大且排放点分散[20]，其中，由设备与管线组件等造成的无组织排放源占到很大比重，炼油厂炼油装置泄漏排放占炼油厂VOCs排放总量的40qc—60%；阀、泵、泄压阀、压缩机、法兰等，分别约占、VOCs泄漏排放总量的43%、27%、18%、8010、4%。由于传统的石化企业没有LDAR工作的经验．界定LDAR实施范围不清，缺少密封泄漏点的统一有效数据信息，通常仅依靠皂液或普通气体报警器等检测手段来判断泄漏情况。基于这一特点，各地区部门采取试点企业，参照国外的管理方法，配置有毒气体分析仪和红外热像仪等配套仪器对企业泄漏组件监测，甚至在某些重点企业，开始建立了LDAR泄漏点质量管理系，整合VOCs泄漏数据信息。

    中国石化在金陵石化和镇海炼化率先开展了LDAR工作，金陵石化开发的“无泄漏管理系统”、镇海炼化开发的“泄漏检测和修复系统”已经在本企业使用，上海汉洁公司开发的“管维-LDAR数据管理平台”已经成功应用于广州石化。2005年已经开发出1套“基于风险的石化装置密封点泄漏管理”软件，在济南分公司进行应用。截止到目前已经完成燕山、镇海、上海、天津、广州、金陵等多家企业的石油炼化装置LDAR工作，取得了明显的效果。如中国石化金陵分公司自主开发的“无泄漏管理系统”已经投入本企业使用，开展2012年的LDAR泄漏封堵工作，全年整改率达到90. 3%，堵漏率达到81.4%，实施效果显著。广州石化圆满完成了乙烯裂解和蜡油催化2套装置的LDAR工作，乙烯裂解装置泄漏率从0.42%下降到0.06%，蜡油催化装置泄漏率从0. 43%下降到0.08%，并已自主开展芳烃等7套装置第二阶段LDAR技术应用推广工作。天津石化运用LDAR检测与修复技术对炼油部3”常减压、2#加氢裂化、2#焦化、新气分装置，化工部BPX和PX装置，烯烃部EO/EG等7套生产装置进行检测，经过3次修复，成功修复378点，修复率为97%，其中首套试点3#常减压装置的检测、修复、复测及核算工作已经全部完成。通过试验性的LDAR运行，成功完成中国石化大部分企业的密封点泄漏检测工作，减少加工损失，VOCs减排效果明显，进而有助于提高企业的经济和环境效益。

    5结论

    设备与管阀组件的泄漏作为石化企业的四大无组织排放源之一，是现阶段我国环境部门需处理解决的问题之一。欧美等发达国家从上世纪末就开始推行炼油厂内设备管件的泄漏治理，研发了LDAR技术并投入使用，实施效果显著。同时，建立健全了配套的LDAR法规和标准体系、检测方法标准、数据质量管理模式来保障工作有效性。

近几年来国家环保部门开始提出设备管阀件的泄漏排放计划，并在未来制定石化企业VOCs泄漏源的法规标准。各地方也相应制定了地区性的VOCs泄漏治理方案，将LDAR技术投入试点企业试行，其泄漏检测工作效果显著。这就为我国今后制定执行标准、LDAR技术检测手段、开发动态实时的数据质量管理系统上提供了可靠的技术保障，同时也有利于改善城市大气质量和降低石化企业周边居民的健康风险。

    6摘要：

    设备与管阀件泄漏是石化企业最主要的挥发性有机化合物( VOCs)无组织排放源。介绍了一种VOCs的减排技术，即设备管线组件的泄漏检测与修复技术( LDAR)，分析了LDAR技术在国内外的技术现状及相关法规标准。在国外实施经验的基础上，我国选取试点企业，在企业内成功开展LDAR工作，这为LDAR技术的普及使用和制定VOCs减排政策提供了依据。