泄漏检测与修复技术在煤化工烯烃分离装置的应用

郑临奥，赵东风，卢 磊，孙 慧

(1.中国石油大学(华东)，山东青岛 2665802.中国石油大学(华东)环境与安全技术中心，山东青岛 266580)

泄漏检测与修复技术在煤化工烯烃分离装置的应用

郑临奥1，赵东风1，卢 磊1，孙 慧2

(1.中国石油大学(华东)，山东青岛2665802.中国石油大学(华东)环境与安全技术中心，山东青岛266580)

介绍了煤化工行业泄漏检测与修复的流程及挥发性有机物泄漏量计算方法，并对烯烃分离装置开展检测。共检测各类型密封点11 131个，其中泄漏点451个，泄漏量158.44 t/a。完成不停工修复后，泄漏率由4.05%降至1.22%，泄漏量削减87.12%，降至28.97 t/a。

泄漏检测与修复技术 挥发性有机物 烯烃分离装置 煤化工

挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, 简称VOCs)是参与大气光化学反应的有机物[1]。煤化工企业在生产过程中，设备动静密封点易泄漏VOCs，一方面造成原料和产品的损失；另一方面，VOCs是大气中PM2.5和地表O3的主要贡献源[2,3]，且大部分VOCs属于有毒有害物质，对人体健康有直接影响[4]。

泄漏检测与修复技术(Leak Detection and Repair, 简称LDAR)是使用固定或移动式检测仪器，定量检测设备阀门、法兰、连接件等组件VOCs泄漏量，并在限定时间内修复泄漏密封点，从而控制物料泄漏，减少环境污染。根据《石化行业挥发性有机物综合整治方案》要求，现已在石油化工领域全力推行泄漏检测与修复，企业应用LDAR技术后VOCs减排明显[5,6]，泄漏率降至0.03%～0.35%，但国内对煤化工行业的LDAR应用研究尚未见报道。因此通过在煤化工烯烃分离装置上应用LDAR技术，了解煤化工行业VOCs的泄漏现状，有利于企业实现VOCs减排，最终建立政府、企业和社会共赢的局面。

1 LDAR工作流程

LDAR主要工作内容分为项目建立、现场检测和泄漏维修三个步骤[7]。

首先收集装置的相关资料，主要包括物料平衡表、PID图、操作规程、设备台账等。结合资料分析装置内设备或管线的物料，以其中VOCs组分含量超过10%、接触涉VOCs物料的累积时间超过15天为标准，识别受控设备和管线，并根据物料状态(气体、轻液、重液)用不同颜色在PID图上进行标注。根据PID图和现场调研进行密封点编码，并建立装置密封点数据库。

现场检测是受培训人员使用氢火焰离子化检测仪(FID)对已编码的密封点开展检测工作，记录密封点泄漏量数值并录入数据库。定义仪器读数超过2 000×10-6(体积分数)的密封点为泄漏点，在泄漏点附近悬挂泄漏牌，标明泄漏点信息，方便企业开展修复工作。

泄漏修复是企业根据密封点数据库对泄漏点开展修复工作，对于需延迟修复的泄漏点应说明原因。检测人员对完成修复的密封点进行复测，记录最终检测值，完善数据库，并计算装置整体泄漏量。

2 煤化工装置泄漏量估算方法

密封点排放速率计算方法主要包括实测法、相关方程法、筛选范围法和平均排放系数法[8]。常用实测法为包袋法和大体积采样法，通过收集泄漏组件的排放物质可精确定量每种物质的排放速率。实测法最为精确，但消耗大量人力、物力和时间，因此不适合应用在具有大量密封点的煤化工企业中。平均排放系数法规定了各类密封点的排放系数，未开展LDAR的企业可根据组件排放系数计算VOCs排放量，但计算结果偏大、准确度低，故常用于估算。目前，国内采用较多的是EPA的相关方程法和筛选范围法[9,10]。

相关方程法规定了默认零值排放速率、限定排放速率和相关方程。当密封点的净检测值(净检测值=检测值-环境本底值，用SV表示)小于1时，此密封点排放速率为对应设备类型的默认零值排放速率；当净检测值超过50 000×10-6，用限定排放速率作为该密封点排放速率。净检测值在两者之间，采用相关方程计算该点排放速率(见表1，其中SV是修正后的净检测值，×10-6；轻液体泵系数也可用于压缩机、泄压设备和重液体泵)。

表1 煤化工设备组件的设备排放速率 kg/h

根据密封点排放速率和排放时间，相乘即可计算该密封点在该排放时间段的排放量，整体相加得装置总泄漏量，即：

(1)

式中：E装置——装置的VOCs年排放量，kg/a；

ti——密封点的运行时间段，h/a；

eVOCs,i——密封点的VOCs排放速率，kg/h。

筛选范围法同样是基于LDAR程序的核算方法，与相关方程法不同之处在于将净检测值以10 000×10-6为界划分，使用不同的排放系数进行计算(见表2)，常用于估算不可达法兰及连接件的泄漏量。

使用筛选范围法时，先计算各类型组件的排放速率，后计算装置年排放量，即：

Evoc=FG×NG+FL×NL

(2)

式中：EVOC——特定设备类型的VOCs排放速率，kg/h；

FG——筛选值≥10 000×10-6的特定设备类型的排放系数，kg/h·排放源；

FL——筛选值<10 000×10-6的特定设备类型的排放系数，kg/h·排放源；

NG——筛选值≥10 000×10-6的排放源设备数量，特定设备类型；

NL——筛选值<10 000×10-6的排放源设备数量，特定设备类型。

(3)

式中：E装置——装置VOCs的年排放量，kg/a；

H——年运行小时数，h/a；

EVOCs,i——特定设备类型的VOCs排放速率，kg/h。

表2 煤化工筛选范围排放系数(摘自EPA，1995b) kg/h·排放源

对于严格执行LDAR程序的企业而言，使用筛选范围法所得计算结果偏高，尤其是对采用LDAR程序后泄漏水平低于10 000×10-6的企业。因此，本文采用相关方程法计算VOCs泄漏量。

3 LDAR在烯烃分离装置的应用

3.1 烯烃分离装置概况

烯烃分离装置采用美国CBI-Lummus公司前脱丙烷、后加氢和丙烷洗烯烃分离专利技术，用于处理甲醇制烯烃装置生产的烃类混合气。烯烃分离装置分为压缩、二甲醚回收、水洗、碱洗、干燥、乙炔变换、分馏、丙烯冷却和氧化物回收单元。装置的设计能力为年产30×104t聚合级乙烯产品和30×104t聚合级丙烯，副产品碳四、碳五、燃料气，年生产时间8 000 h。

3.2 检测结果与分析

参照《石化企业泄漏检测与修复工作指南》的要求，使用Phoenix 21便携式FID检测仪在烯烃分离装置开展现场检测，共检测各类密封点数11 131个，其中泄漏点数451个，泄漏率4.05%。数据统计结果如表3所示。

表3 密封点分类统计

使用相关方程法计算烯烃分离装置排放量，将检测数据代入公式(1)，计算得烯烃分离装置VOCs泄漏损失为158.44 t/a。

3.2.1不同密封类型的泄漏率分析

在所有已检测密封点中，泵密封和压缩机密封未发现泄漏，其余密封点类型泄漏率：开口管线泄漏最严重，泄漏率达17.21%，连接件次之，阀门和法兰泄漏率也在2%以上。

3.2.2不同密封类型的泄漏量分析

不同密封类型的泄漏量分析结果如下：连接件泄漏量为113 253.94 kg/a，占泄漏总量的71.48%；剩余按照排放量从大到小依次排列为：阀门、法兰、开口管线、泵、压缩机。连接件泄漏点数最多且检测值相对其他类型偏大，其中有53个点的检测值超出仪器量程，故对总泄漏量贡献最多。

3.2.3不同数据区间的泄漏量分析

从图1、图2可以看出，SV≥10 000×10-6的数据仅占总数据1.8%，但对总泄漏量的贡献为92.15%。SV<10 000×10-6的密封点数量是SV≥10 000×10-6的50多倍，泄漏量约为SV≥10 000×10-6的泄漏量的20%。因此，应重点控制SV≥10 000×10-6的密封点，削减其排放量。

图1 不同数据区间的密封点个数

图2 不同数据区间的泄漏量

3.3 泄漏修复及效果评估

维修人员对451个泄漏点进行不停工维修，主要措施如表4。

表4 不停工维修措施

在泄漏密封点不停工维修后，以SV<2 000×10-6作为合格标准，对泄漏点进行复测，共修复泄漏密封点315个，修复后泄漏率为1.22%。

将复测数据代入公式(1)，重新核算烯烃分离装置泄漏量为28.97 t/a，VOCs削减率81.72%。各类型密封点削减效果见图3。其中连接件削减效果最显著，排放量减少94 715.46 kg/a，阀门、法兰、开口管线亦有明显削减，泵和压缩机首测未泄漏，故排放量不变。

图3 不同密封类型的减排效果

4 结论

泄漏检测与修复是控制企业VOCs泄漏的行之有效的方法，现已在石化行业应用并取得良好效果，但关于煤化工行业VOCs泄漏现状的研究尚未起步。本文介绍了泄漏检测与修复在煤化工行业的实施流程及泄漏量计算方法，并应用于某企业烯烃分离装置，共检测各类密封点11 131个，泄漏率4.05%，泄漏量158.44 t/a。通过开展泄漏点修复工作，装置泄漏率降低至1.22%，泄漏量减少至28.97 t/a，实现了环境效益和经济效益的双赢。

[1] GB 31571-2015 石油化学工业污染物排放标准[S].

[2] Birnur Buzcu,Matthew P Fraser. Source identification and apportionment of volatile organic compounds in Houston, TX[J]. Atmospheric Environment, 2006, 40(13): 2385-2400.

[3] Zheng Junyu,Yu Yufan,Mo Ziwei, et al. Industrial sector-based volatile organic compound (VOC) source profiles measured in manufacturing facilities in the Pearl River Delta, China[J]. Science of the Total Environment, 2013, 456: 127-136.

[4] Zhou Jian,You Yan,Bai Zhipeng, et al. Health risk assessment of personal inhalation exposure to volatile organic compounds in Tianjin, China[J]. Science of the Total Environment, 2011, 409(3): 452-459.

[5] 罗杨,陈澍德,陈玉峰,等. LDAR 技术在蜡油催化裂化装置的应用[J]. 安全、健康和环境, 2014, 14(11): 33-36.

[6] 陈梓剑，王春花. 泄漏检测与维修技术在芳烃抽提装置的应用研究[J]. 环境科学与管理, 2015(6): 18.

[7] GB 50050-2007 工业循环冷却水处理设计规范[S].

[8] Epperson. Protocol for equipment leak emission estimates[EB/OL]. https://www.epa.gov/ttn/chief/efdocs/equiplks.pdf, 1995-11-01/2016.05.01.

[9] 朱亮,高少华,丁德武,等. LDAR 技术在化工装置泄漏损失评估中的应用[J]. 工业安全与环保, 2014 (8): 31-34.

[10] 丁德武,肖安山,张贺,等. 泄漏检测与维修技术在乙烯裂解装置的应用研究[J]. 安全、健康和环境, 2014, 14(4): 9-13.

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

郑临奥，中国石油大学(华东)环境科学与工程专业在读研究生，主要从事煤化工VOCs核算工作。