揮發性有機化合物氣體泄漏檢測與修復技術

魯 君 ，李 莉，林 立，鄔堅平，王紅麗，陳長虹

(上海市環境科學研究院，上海 200233)

揮發性有機化合物氣體泄漏檢測與修復技術

魯 君 ，李 莉，林 立，鄔堅平，王紅麗，陳長虹

(上海市環境科學研究院，上海 200233)

介紹了一種先進的揮發性有機物(VOCs)排放控制技術，即設備管線組件泄漏檢測與修復(LDAR)技術，詳細分析了LDAR技術在國內外的實施經驗，并探討了該技術應用于我國石化行業VOCs排放控制的前景。

泄漏檢測與修復;揮發性有機物;石化行業;監測

揮發性有機物(VOCs)作為光化學反應的主要反應物，能與NOx反應生成強氧化性的中間產物，如過氧乙酰硝酸酯(PAN)、O3等［1－2］，同時 VOCs也是造成城市和區域光化學煙霧及灰霾等復合型污染的重要成分［3］。VOCs具有滲透性強、脂溶性高、沸點低等特點，且大多數VOCs組分還具有毒理特性［4］，許多 VOCs組分(如苯、四氯乙烯)已被確認為潛在的致癌物和有毒有害物質。VOCs主要來源于人為和天然，而城市大氣中的VOCs主要來自人為源排放，其中，工業源是VOCs的主要人為排放源之一，而石化行業排放又占據絕對重要地位。

石油煉制和石油化工生產過程無組織排放的主要污染物是有機物，排放點多且分散，排放的污染物濃度變化較大［5－6］。隨著石油化工裝置的大型化，工廠生產快速發展，泄漏問題越來越引起人們的重視。泄漏不僅造成物料的損失、環境的污染，還可能導致巨大的傷亡破壞事故［7－8］。研究表明，石化行業VOCs排放總量中，管線組件和儲罐的泄漏排放約占76%［9］。目前國內設備泄漏等無組織排放的直接監控技術還沒有較科學的技術標準體系，從而無法對泄漏造成的VOCs排放實施有效的監控。雖然HJ/T55—2000《大氣污染物無組織排放監測技術導則》［10］中具有無組織排放環境空氣的監測規范，但由于廠界環境空氣的監測手段在實際應用中受到若干條件限制，導致可操作性和污染控制無法達到理想的效果。

針對石化企業的無組織泄漏現狀，國外普遍采取對管線組件可能的泄漏排放點進行直接檢測，即通過實施泄漏檢測修復(LDAR)技術控制排放，及時發現存在泄漏現象的組件，并進行修復或替換，實現降低泄漏排放的目標。

本文詳細介紹了LDAR技術的實施流程，分析了該技術在國內外的應用狀況及實施經驗，對我國石化行業進行VOCs污染控制具有重要的指導和借鑒意義。

1 LDAR技術簡介

1.1 設備檢漏技術的發展過程

最早的設備檢漏技術是目測耳聽，隨后發展到使用皂膜檢漏(目前我國的石化企業仍主要使用該技術)，進一步發展為使用便攜式的檢測器檢漏。近年來，美國又發展出了利用紅外線光攝像協助檢漏的技術。由于環保管理要求的不斷提高和新的環保標準的實施，目前國外發達國家最成熟和應用最廣泛的技術是儀器檢漏。美國環境保護署(EPA)編制的揮發性有機物泄漏測定方法(方法21)列入美國聯邦法典，已成為通用的監測標準方法，被許多國家和機構所引用。

1.2 LDAR 流程

美國EPA文件《泄漏檢測與修復:最佳技術指南》指出，較為成熟的LDAR作業主要分為五個步驟，包括泄漏點定位、定義泄漏濃度、確定監測組件、修復泄漏組件以及記錄保存。

首先，確定一個工廠中需要泄漏檢測的設備。用唯一的標識符(ID)標簽標識每個法定檢測組件(美國法規規定特定設備組件必須實施LDAR)，接著在管路和設備圖紙中標記目標組件的ID號，并用電子設備記錄LDAR數據，泄漏組件上使用條形碼以便數字化。定期到現場檢查，以確保工廠在用設備中各組件與ID號和圖紙標簽一一對應。

其次，定義泄漏標準(根據法規，污染物排放達到一定程度時所定義的濃度值)。例如:美國EPA相關法規中一般規定設備的泄漏標準是5×10－4(體積分數，下同)，如果某設備檢出濃度超過該值，說明該設備發生泄漏，需要維修。工廠一般采用比法規要求更嚴格的泄漏標準，當存在多重泄漏標準時，一律采用最嚴格泄漏標準。

第三，監測法定組件的泄漏狀況。用檢測儀器在可能泄漏的設備表面檢測，如果發現檢測器讀數偏大并有上升趨勢，繼續追蹤其周邊范圍，需將檢測器置于讀數最高值處并在儀器響應時間內至少讀數兩次，記錄最大值為此處監測得到的泄漏值。設備組件的監測周期各不相同，工廠或企業的監測頻次比法規規定的頻次更高。

第四，美國新源國家標準(NSPS)規定:一旦發現設備泄漏，必須在5 d內進行修復，維修時間不得超過15 d;可用無泄漏組件或其他技術修復，泄漏組件修復后應及時監測，以確保其成功修復。只有在特定的不可控制的條件下可延遲修復，但延遲維修必須記錄在案，并注明延遲維修的具體時間。

最后，記錄數據并報告。保存記錄的數據庫應包括所有需監測的目標組件、具有特殊設計或豁免監測的組件、所有的監測和修復數據等。美國法規規定，對泄漏檢測修復的報告是2次/年，報告的內容包括每月泄漏的泵數量、閥門數量、壓縮機數量、15 d內未修復的組件數量，延遲修復的原因，由于維修而造成的操作單位關閉的記錄清單，更換組件的詳細清單等。

1.3 LDAR實施的效益

實施泄漏排放控制后，可明顯減少設備的泄漏排放。由于石油化工企業設備的泄漏大多為VOCs和揮發性有害大氣污染物(VHAPs)，這些物質已被確認對環境和人體有不利影響。據美國EPA對實施LDAR的企業進行評估的結果，石油精煉企業實施LDAR后設備泄漏量減少了63%，石化企業VOCs排放量可降低56%。實施LDAR項目后可明顯降低排放，產生巨大效益，主要體現在以下方面:

(1)減少產品損失。石化企業中，許多原料和產品在加工過程中因泄漏逃逸而損失，產品的損失直接意味著經濟損失，因此，減少泄漏排放可減少產品損失，增加企業收入。

(2)保障工廠職工的安全和健康。許多從精煉廠和化工廠泄漏逃逸的化合物對暴露的操作工人有健康危害，減少設備泄漏排放可直接有利于減少有害物質對人體的傷害。

(3)減少周邊社區的環境危害。由于設備泄漏，工廠員工并不是唯一的受害者，工廠周邊社區的人群同樣長期受有毒空氣污染物的嚴重影響。盡管社區人群的暴露具有間歇性，但是暴露人群可能因長期積累暴露而受到慢性健康影響。

(4)減少排放稅。美國各州和地區根據工廠的年總排放量征收一定的排放稅。工廠通過采取有效措施可減少設備泄漏，進而減少工廠需要交付的排放稅。

(5)避免行政處罰。美國EPA確認LDAR項目是國家重點VOCs控制措施之一，并出臺相應優先控制有毒空氣污染的執行法規。因此，工廠有效實施LDAR項目可減少有毒污染物排放，從而避免受行政處罰。

2 國內外實施LDAR的現狀

2.1 LDAR 的歷史

20世紀50年代，通過對美國洛杉磯的石化區實地全面調研，提出石化區存在部分設備管線泄漏，而且還存在許多潛在泄漏排放的組件，因而指出設備泄漏累積將成為一個重要的環境問題。

20世紀90年代，美國《清潔空氣法》修正案規定石化企業必須實施泄漏檢測和修復技術，以控制泄漏排放。美國EPA于1993年頒布了《設備泄漏排放估算協議》，并于1995年對該協議進行了修正。

2006年4月，美國EPA法規通過了LDAR的升級技術(Smart－LDAR)。相對于傳統的泄漏檢測方法，Smart－LDAR的主要特點是可以通過遠距離光學成像同時檢查多個泄漏組件，從而增加監測頻次，能更快地找出泄漏組件并實施修復。

2.2 國內外實施現狀

國外針對石油化工等涉及VOCs泄漏的行業相繼采取了LDAR技術，目前許多國家和地區(包括加拿大、歐盟等)均以美國的方法21作為LDAR技術實施的依據。方法21由美國EPA提出，是用于保障查找無組織泄漏排放的監測方法協議。

2.2.1 美國

美國石化企業中，設備泄漏是最大的VOCs和VHAPs排放源。根據美國EPA國家執行調查中心的研究，全美國有毒有害物質排放清單中，非石化企業的泄漏排放占22%，石化企業的泄漏排放占55%。設備泄漏造成的VOCs排放量遠超過容器儲存、污水處理、轉移操作、通風換氣等，而閥門和接口的泄漏占泄漏排放總量的90%以上。

因此，自20世紀80年代初開始，美國聯邦法典對新源石化煉油行業的設備VOCs泄漏排放提出嚴格的作業要求，規定必須對石化企業實施LDAR作業，進行設備(包括閥門、泵、采樣器、壓縮機、泄壓設備及開口管線)檢漏，以控制管線組件的無組織排放。此后，LDAR技術被美國許多州和地方政府所采納，作為該地區達到美國大氣質量標準措施之一。1990年美國《清潔空氣法》修正案中將LDAR技術規程納入其中，作為最大可行控制技術(MACT)。美國EPA及企業一起努力尋求“更清潔、更經濟、更智能”的方法以控制設備泄漏。在美國2008～2010年度計劃中，已將LDAR技術作為重點關注的三個國家有毒有害污染物控制措施之一。

LDAR主要參照EPA方法21來確定泄漏組件。美國EPA方法21定義了檢漏儀器的條件(如檢測器、響應時間、響應系數等)和檢測技術，方法21包括用檢漏儀器在可能泄漏管線組件的表面移動，測試VOCs濃度，將檢測的VOCs濃度值與國家或地方限值進行比較，以確定是否泄漏、是否需要修復。

目前，美國共有25個聯邦政府標準要求企業或機構施行LDAR。聯邦政府關于LDAR的法規主要為《控制技術指導守則》、《新排放標準》、《國家有毒空氣污染物排放標準》。新法規《合成有機化工行業有毒大氣污染物國家排放標準和石化行業最佳可行控制技術》中明確提出對碳氫化合物加工行業實施嚴格的LDAR技術，以滿足法規中的排放要求。其中美國新源國家標準是聯邦政府對LDAR所指定的最重要的法規，它可直接應用于有機化工行業，滿足實際操作工作的需求，成為多個州立法規的模式。許多州立法規對LDAR規定比聯邦政府更為嚴格，如路易斯安那州、德克薩斯州等。

2.2.2 加拿大

2008年，加拿大環境署更新了其污染防治計劃，其中，在加拿大環境保護法案的第四章明確提出了關于空氣污染的防治計劃，強調須將目前最新的科技應用于有害化工氣體泄漏的防治工作中，建立并實施一套完善的泄漏檢測與修復技術。

加拿大《設備泄漏VOCs無組織排放檢測與控制實施法規》中要求，含有 VOCs體積分數超過10%的設備管道需進行監測，直徑大于或等于1.875 cm的管道需實施LDAR作業以監測控制泄漏排放。對設備實施LDAR的要求為:(1)壓縮機需每3個月監測1次，其他組件每年監測1次;(2)任何組件一旦發現泄漏，需立即實施修復;(3)大氣泄壓閥需24 h內修復。泄漏組件的數量不得超過監測組件的2%。泵/壓縮機的泄漏率不得高于10%。

2004年初，加拿大石油工廠協會(CAPP)與加拿大環境署合作研討逸散性氣體排放的最佳管理方法。清潔空氣戰略聯盟(CASA)也給出了相關建議，要求加拿大上游油氣行業須于2005年12月31日前制定一套針對逸散性排放的最佳管理方法，相關部門須頒布并實施LDAR許可證制度，并于2007年由CASA對上游石化行業進行復查考核。

2.2.3 中國臺灣

中國臺灣環保局依據《揮發性有機空氣污染管制及排放標準》要求石化企業須對設備組件實施定期LDAR作業，并呼吁各石化企業切實做好設備組件操作與維護工作，落實定期檢測修復作業，以有效杜絕VOCs逸散產生，改善臭氧污染問題。

2.2.4 中國北京

我國北京市環保局已于2007年頒布了控制揮發性有機污染物的地方標準，即DB11—447 2007《煉油與石油化學工業大氣污染物排放標準》［11］和DB11/501 2007《大氣污染物綜合排放標準》［12］，其中引用了國外的設備泄漏監測標準限值。表1為北京地方標準對設備管線的VOCs泄漏限制濃度。

表1 北京地方標準對設備管線的VOCs泄漏限制濃度

目前國內尚無對企業實施LDAR的控制效率和相應VOCs減排效率的報道。除北京外，暫無國家或其他地方標準對企業設備泄漏提出控制要求。

3 Smart LDAR的應用現狀

美國石油協會研究發現，90%以上的泄漏排放較易控制，僅有0.13%的管線組件較難控制。研究顯示，由于美國EPA方法21要求對工廠中的每個管線組件進行檢測的費用較為昂貴，因此采用經濟有效的方法定位大量泄漏點位，可削減大量監測費用。這種經濟有效的方法稱為Smart LDAR，它是一種有效尋找大泄漏點并修復的技術。經過幾年的開發、摸索和實踐，該新技術已經具備了檢測泄漏的快速經濟有效的優越性。當管線組件的泄漏量超過一定值時，操作者可清晰看到泄漏圖像［13］。目前美國和加拿大正積極引入該技術，并摸索經濟有效地開展LDAR技術實施和管理的方法。

4 結論與展望

石油化工行業無組織VOCs泄漏控制技術——LDAR已在多國得到法律法規的認可和支持，如美國和我國臺灣等地法規要求石化行業設備必須實施LDAR作業。在近年來科技的發展下，利用光學成像技術能更加經濟、快速地尋找設備泄漏點，較快地實施修復技術，這一技術經濟、有效地控制了化學工藝過程設備的泄漏排放。

國內石油化工的產品產量和生產能力已躍居世界前列，但是針對石化行業VOCs泄漏源多且分散的現狀，仍具有較大的控制空間。學習、引用國外先進技術，推廣使用LDAR泄漏控制技術，對減少工業源VOCs的泄漏排放具有重要的應用價值，同時也有利于改善城市大氣質量和降低石化企業周邊居民的健康風險。

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Leakage Detection and Reparation Technology for Gas Containing Volatile Organic Compounds

Lu Jun，Li Li，Lin Li，Wu Jianping，Wang Hongli，Chen Changhong
(Shanghai Academy of Environmental Sciences，Shanghai 200233，China)

The leakage detection and reparation(LDAR)technology of facility，pipe-line and module，an advanced VOCs emussion control technology，is introduced.The application effects of LDAR technology at home and abroad are analyzed in detail.And its application for VOCs control in petrochemical industry in China is prospected.

leakage detection and reparation;volatile organic compound;petrochemical industry;monitoring

TE991.1

A

1006－1878(2011)04－0323－04

2011－01－18;

2011－03－15。

魯君(1984—)，女，浙江省寧波市人，碩士，工程師，主要研究方向為大氣污染控制。電話 021－64085119，電郵 lujun@saes.sh.cn。

(編輯 張艷霞)