挥发性有机化合物气体泄漏检测与修复技术

鲁 君 ，李 莉，林 立，邬坚平，王红丽，陈长虹

(上海市环境科学研究院，上海 200233)

挥发性有机化合物气体泄漏检测与修复技术

鲁 君 ，李 莉，林 立，邬坚平，王红丽，陈长虹

(上海市环境科学研究院，上海 200233)

介绍了一种先进的挥发性有机物(VOCs)排放控制技术，即设备管线组件泄漏检测与修复(LDAR)技术，详细分析了LDAR技术在国内外的实施经验，并探讨了该技术应用于我国石化行业VOCs排放控制的前景。

泄漏检测与修复;挥发性有机物;石化行业;监测

挥发性有机物(VOCs)作为光化学反应的主要反应物，能与NOx反应生成强氧化性的中间产物，如过氧乙酰硝酸酯(PAN)、O3等［1－2］，同时 VOCs也是造成城市和区域光化学烟雾及灰霾等复合型污染的重要成分［3］。VOCs具有渗透性强、脂溶性高、沸点低等特点，且大多数VOCs组分还具有毒理特性［4］，许多 VOCs组分(如苯、四氯乙烯)已被确认为潜在的致癌物和有毒有害物质。VOCs主要来源于人为和天然，而城市大气中的VOCs主要来自人为源排放，其中，工业源是VOCs的主要人为排放源之一，而石化行业排放又占据绝对重要地位。

石油炼制和石油化工生产过程无组织排放的主要污染物是有机物，排放点多且分散，排放的污染物浓度变化较大［5－6］。随着石油化工装置的大型化，工厂生产快速发展，泄漏问题越来越引起人们的重视。泄漏不仅造成物料的损失、环境的污染，还可能导致巨大的伤亡破坏事故［7－8］。研究表明，石化行业VOCs排放总量中，管线组件和储罐的泄漏排放约占76%［9］。目前国内设备泄漏等无组织排放的直接监控技术还没有较科学的技术标准体系，从而无法对泄漏造成的VOCs排放实施有效的监控。虽然HJ/T55—2000《大气污染物无组织排放监测技术导则》［10］中具有无组织排放环境空气的监测规范，但由于厂界环境空气的监测手段在实际应用中受到若干条件限制，导致可操作性和污染控制无法达到理想的效果。

针对石化企业的无组织泄漏现状，国外普遍采取对管线组件可能的泄漏排放点进行直接检测，即通过实施泄漏检测修复(LDAR)技术控制排放，及时发现存在泄漏现象的组件，并进行修复或替换，实现降低泄漏排放的目标。

本文详细介绍了LDAR技术的实施流程，分析了该技术在国内外的应用状况及实施经验，对我国石化行业进行VOCs污染控制具有重要的指导和借鉴意义。

1 LDAR技术简介

1.1 设备检漏技术的发展过程

最早的设备检漏技术是目测耳听，随后发展到使用皂膜检漏(目前我国的石化企业仍主要使用该技术)，进一步发展为使用便携式的检测器检漏。近年来，美国又发展出了利用红外线光摄像协助检漏的技术。由于环保管理要求的不断提高和新的环保标准的实施，目前国外发达国家最成熟和应用最广泛的技术是仪器检漏。美国环境保护署(EPA)编制的挥发性有机物泄漏测定方法(方法21)列入美国联邦法典，已成为通用的监测标准方法，被许多国家和机构所引用。

1.2 LDAR 流程

美国EPA文件《泄漏检测与修复:最佳技术指南》指出，较为成熟的LDAR作业主要分为五个步骤，包括泄漏点定位、定义泄漏浓度、确定监测组件、修复泄漏组件以及记录保存。

首先，确定一个工厂中需要泄漏检测的设备。用唯一的标识符(ID)标签标识每个法定检测组件(美国法规规定特定设备组件必须实施LDAR)，接着在管路和设备图纸中标记目标组件的ID号，并用电子设备记录LDAR数据，泄漏组件上使用条形码以便数字化。定期到现场检查，以确保工厂在用设备中各组件与ID号和图纸标签一一对应。

其次，定义泄漏标准(根据法规，污染物排放达到一定程度时所定义的浓度值)。例如:美国EPA相关法规中一般规定设备的泄漏标准是5×10－4(体积分数，下同)，如果某设备检出浓度超过该值，说明该设备发生泄漏，需要维修。工厂一般采用比法规要求更严格的泄漏标准，当存在多重泄漏标准时，一律采用最严格泄漏标准。

第三，监测法定组件的泄漏状况。用检测仪器在可能泄漏的设备表面检测，如果发现检测器读数偏大并有上升趋势，继续追踪其周边范围，需将检测器置于读数最高值处并在仪器响应时间内至少读数两次，记录最大值为此处监测得到的泄漏值。设备组件的监测周期各不相同，工厂或企业的监测频次比法规规定的频次更高。

第四，美国新源国家标准(NSPS)规定:一旦发现设备泄漏，必须在5 d内进行修复，维修时间不得超过15 d;可用无泄漏组件或其他技术修复，泄漏组件修复后应及时监测，以确保其成功修复。只有在特定的不可控制的条件下可延迟修复，但延迟维修必须记录在案，并注明延迟维修的具体时间。

最后，记录数据并报告。保存记录的数据库应包括所有需监测的目标组件、具有特殊设计或豁免监测的组件、所有的监测和修复数据等。美国法规规定，对泄漏检测修复的报告是2次/年，报告的内容包括每月泄漏的泵数量、阀门数量、压缩机数量、15 d内未修复的组件数量，延迟修复的原因，由于维修而造成的操作单位关闭的记录清单，更换组件的详细清单等。

1.3 LDAR实施的效益

实施泄漏排放控制后，可明显减少设备的泄漏排放。由于石油化工企业设备的泄漏大多为VOCs和挥发性有害大气污染物(VHAPs)，这些物质已被确认对环境和人体有不利影响。据美国EPA对实施LDAR的企业进行评估的结果，石油精炼企业实施LDAR后设备泄漏量减少了63%，石化企业VOCs排放量可降低56%。实施LDAR项目后可明显降低排放，产生巨大效益，主要体现在以下方面:

(1)减少产品损失。石化企业中，许多原料和产品在加工过程中因泄漏逃逸而损失，产品的损失直接意味着经济损失，因此，减少泄漏排放可减少产品损失，增加企业收入。

(2)保障工厂职工的安全和健康。许多从精炼厂和化工厂泄漏逃逸的化合物对暴露的操作工人有健康危害，减少设备泄漏排放可直接有利于减少有害物质对人体的伤害。

(3)减少周边社区的环境危害。由于设备泄漏，工厂员工并不是唯一的受害者，工厂周边社区的人群同样长期受有毒空气污染物的严重影响。尽管社区人群的暴露具有间歇性，但是暴露人群可能因长期积累暴露而受到慢性健康影响。

(4)减少排放税。美国各州和地区根据工厂的年总排放量征收一定的排放税。工厂通过采取有效措施可减少设备泄漏，进而减少工厂需要交付的排放税。

(5)避免行政处罚。美国EPA确认LDAR项目是国家重点VOCs控制措施之一，并出台相应优先控制有毒空气污染的执行法规。因此，工厂有效实施LDAR项目可减少有毒污染物排放，从而避免受行政处罚。

2 国内外实施LDAR的现状

2.1 LDAR 的历史

20世纪50年代，通过对美国洛杉矶的石化区实地全面调研，提出石化区存在部分设备管线泄漏，而且还存在许多潜在泄漏排放的组件，因而指出设备泄漏累积将成为一个重要的环境问题。

20世纪90年代，美国《清洁空气法》修正案规定石化企业必须实施泄漏检测和修复技术，以控制泄漏排放。美国EPA于1993年颁布了《设备泄漏排放估算协议》，并于1995年对该协议进行了修正。

2006年4月，美国EPA法规通过了LDAR的升级技术(Smart－LDAR)。相对于传统的泄漏检测方法，Smart－LDAR的主要特点是可以通过远距离光学成像同时检查多个泄漏组件，从而增加监测频次，能更快地找出泄漏组件并实施修复。

2.2 国内外实施现状

国外针对石油化工等涉及VOCs泄漏的行业相继采取了LDAR技术，目前许多国家和地区(包括加拿大、欧盟等)均以美国的方法21作为LDAR技术实施的依据。方法21由美国EPA提出，是用于保障查找无组织泄漏排放的监测方法协议。

2.2.1 美国

美国石化企业中，设备泄漏是最大的VOCs和VHAPs排放源。根据美国EPA国家执行调查中心的研究，全美国有毒有害物质排放清单中，非石化企业的泄漏排放占22%，石化企业的泄漏排放占55%。设备泄漏造成的VOCs排放量远超过容器储存、污水处理、转移操作、通风换气等，而阀门和接口的泄漏占泄漏排放总量的90%以上。

因此，自20世纪80年代初开始，美国联邦法典对新源石化炼油行业的设备VOCs泄漏排放提出严格的作业要求，规定必须对石化企业实施LDAR作业，进行设备(包括阀门、泵、采样器、压缩机、泄压设备及开口管线)检漏，以控制管线组件的无组织排放。此后，LDAR技术被美国许多州和地方政府所采纳，作为该地区达到美国大气质量标准措施之一。1990年美国《清洁空气法》修正案中将LDAR技术规程纳入其中，作为最大可行控制技术(MACT)。美国EPA及企业一起努力寻求“更清洁、更经济、更智能”的方法以控制设备泄漏。在美国2008～2010年度计划中，已将LDAR技术作为重点关注的三个国家有毒有害污染物控制措施之一。

LDAR主要参照EPA方法21来确定泄漏组件。美国EPA方法21定义了检漏仪器的条件(如检测器、响应时间、响应系数等)和检测技术，方法21包括用检漏仪器在可能泄漏管线组件的表面移动，测试VOCs浓度，将检测的VOCs浓度值与国家或地方限值进行比较，以确定是否泄漏、是否需要修复。

目前，美国共有25个联邦政府标准要求企业或机构施行LDAR。联邦政府关于LDAR的法规主要为《控制技术指导守则》、《新排放标准》、《国家有毒空气污染物排放标准》。新法规《合成有机化工行业有毒大气污染物国家排放标准和石化行业最佳可行控制技术》中明确提出对碳氢化合物加工行业实施严格的LDAR技术，以满足法规中的排放要求。其中美国新源国家标准是联邦政府对LDAR所指定的最重要的法规，它可直接应用于有机化工行业，满足实际操作工作的需求，成为多个州立法规的模式。许多州立法规对LDAR规定比联邦政府更为严格，如路易斯安那州、德克萨斯州等。

2.2.2 加拿大

2008年，加拿大环境署更新了其污染防治计划，其中，在加拿大环境保护法案的第四章明确提出了关于空气污染的防治计划，强调须将目前最新的科技应用于有害化工气体泄漏的防治工作中，建立并实施一套完善的泄漏检测与修复技术。

加拿大《设备泄漏VOCs无组织排放检测与控制实施法规》中要求，含有 VOCs体积分数超过10%的设备管道需进行监测，直径大于或等于1.875 cm的管道需实施LDAR作业以监测控制泄漏排放。对设备实施LDAR的要求为:(1)压缩机需每3个月监测1次，其他组件每年监测1次;(2)任何组件一旦发现泄漏，需立即实施修复;(3)大气泄压阀需24 h内修复。泄漏组件的数量不得超过监测组件的2%。泵/压缩机的泄漏率不得高于10%。

2004年初，加拿大石油工厂协会(CAPP)与加拿大环境署合作研讨逸散性气体排放的最佳管理方法。清洁空气战略联盟(CASA)也给出了相关建议，要求加拿大上游油气行业须于2005年12月31日前制定一套针对逸散性排放的最佳管理方法，相关部门须颁布并实施LDAR许可证制度，并于2007年由CASA对上游石化行业进行复查考核。

2.2.3 中国台湾

中国台湾环保局依据《挥发性有机空气污染管制及排放标准》要求石化企业须对设备组件实施定期LDAR作业，并呼吁各石化企业切实做好设备组件操作与维护工作，落实定期检测修复作业，以有效杜绝VOCs逸散产生，改善臭氧污染问题。

2.2.4 中国北京

我国北京市环保局已于2007年颁布了控制挥发性有机污染物的地方标准，即DB11—447 2007《炼油与石油化学工业大气污染物排放标准》［11］和DB11/501 2007《大气污染物综合排放标准》［12］，其中引用了国外的设备泄漏监测标准限值。表1为北京地方标准对设备管线的VOCs泄漏限制浓度。

表1 北京地方标准对设备管线的VOCs泄漏限制浓度

目前国内尚无对企业实施LDAR的控制效率和相应VOCs减排效率的报道。除北京外，暂无国家或其他地方标准对企业设备泄漏提出控制要求。

3 Smart LDAR的应用现状

美国石油协会研究发现，90%以上的泄漏排放较易控制，仅有0.13%的管线组件较难控制。研究显示，由于美国EPA方法21要求对工厂中的每个管线组件进行检测的费用较为昂贵，因此采用经济有效的方法定位大量泄漏点位，可削减大量监测费用。这种经济有效的方法称为Smart LDAR，它是一种有效寻找大泄漏点并修复的技术。经过几年的开发、摸索和实践，该新技术已经具备了检测泄漏的快速经济有效的优越性。当管线组件的泄漏量超过一定值时，操作者可清晰看到泄漏图像［13］。目前美国和加拿大正积极引入该技术，并摸索经济有效地开展LDAR技术实施和管理的方法。

4 结论与展望

石油化工行业无组织VOCs泄漏控制技术——LDAR已在多国得到法律法规的认可和支持，如美国和我国台湾等地法规要求石化行业设备必须实施LDAR作业。在近年来科技的发展下，利用光学成像技术能更加经济、快速地寻找设备泄漏点，较快地实施修复技术，这一技术经济、有效地控制了化学工艺过程设备的泄漏排放。

国内石油化工的产品产量和生产能力已跃居世界前列，但是针对石化行业VOCs泄漏源多且分散的现状，仍具有较大的控制空间。学习、引用国外先进技术，推广使用LDAR泄漏控制技术，对减少工业源VOCs的泄漏排放具有重要的应用价值，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。

［1］ 唐孝炎，张远航，邵敏.大气环境化学［M］.北京:高等教育出版社，2006:221－231.

［2］ 王雪松，李金龙.人为源排放VOC对北京地区臭氧生成的贡献［J］.中国环境科学，2002，22(6):501－505.

［3］ 傅家谟.二次气溶胶对灰霾贡献大［J］.环境，2008，92:28－29.

［4］ Mukund R，Thomas J K，Spicer C W.Source attribution of Ambient air toxics and other VOCs in Colombus Ohio［J］.Atmos Environ，1996，30(20):3457 －3470.

［5］ 袁晓华.石油化工企业无组织排放气体污染物的探讨［J］.化工环保，2010，30(2):130－135.

［6］ 中国化工学会环境保护专业委员会.推行清洁生产实现化学工业持续发展［J］.化工环保，1995，15(5):289－294.

［7］ 吴志兴.石油化工中的泄漏检测方法［J］.石油化工，1981，10(1):34－43.

［8］ 钱伯章.国外石化企业典型事故及其分析和建议［J］.石油化工，1991，20(5):352－359.

［9］ Yen C H，Horng J J.Volatile organic compounds(VOCs)emission characteristics and control strategies for a petrochemical industrial area in middle Taiwan［J］.J Environ Sci Health，Part A ，2009，44:1424 －1429.

［10］ 国家环境保护局.HJ/T55—2000大气污染物无组织排放监测技术导则［S］.北京:中国标准出版社，2000.

［11］ 北京市环境保护局.DB11—447 2007炼油与石油化学工业大气污染物排放标准［S］.北京:中国标准出版社，2007.

［12］ 北京市环境保护局.DB11/501 2007大气污染物综合排放标准［S］.北京:中国标准出版社，2007.

［13］ David E，Jeffrey S l.Equivalent leak definitions for Smart LDAR(Leak Detection and Repair)when using optical imaging technology［J］.Air Waste Manage，2007，57:1050－1060.

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。

鲁君(1984—)，女，浙江省宁波市人，硕士，工程师，主要研究方向为大气污染控制。电话 021－64085119，电邮 lujun@saes.sh.cn。

(编辑 张艳霞)