广东省高架火炬污染排放管控现状研究

刘志阳，廖程浩，张永波，刘 峰

（1. 广东省环境科学研究院，广东 广州 510045；2. 上海汉洁环境工程有限公司，上海 200443）

高架火炬是炼化企业最为重要的安全应急设施，主要用于处理企业正常工况和非正常工况（包括开停工、检维修、设备故障等）下装置无法回收的工艺废气、过量燃料气和吹扫废气中的可燃性有机物。一般认为，高架火炬在充分燃烧的条件下，其燃烧效率和燃烧破坏率均可达98%。但当高架火炬燃烧不充分时，其燃烧效率和燃烧破坏率就难以达到98%，此时，高架火炬燃烧过程中所排放出的挥发性有机物（VOCs）就成为炼化企业主要的大气污染物之一，可能导致部分区域发生大气污染。为了加强对高架火炬的管理，生态环境部出台的相关规范中规定了火炬气回收、火炬气点燃及引燃设施、火炬工作状态记录等管理要求，但对于影响火炬燃烧效率和燃烧破坏率的关键参数的监测监控却没有具体要求，因此，难以实现对高架火炬的精细化管控。

本工作以广东省6家重点炼化企业的高架火炬为对象，调研了各企业对高架火炬运行期间关键参数的监测监控情况，在此基础上，分析了目前广东省高架火炬污染排放管控现状，提出了高架火炬运行管理和关键参数监测等方面的建议。

1 国内有关高架火炬的相关标准和规范

20世纪90年代以来，我国陆续发布了一系列关于高架火炬设计的标准和规范，包括：1995年原化学工业部颁布实施的《火炬系统设置》（HG/T 20570.12—1995）［1］、2001年中国石油化工集团公司制定的《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2001）［2］、2014年住房和城乡建设部与国家质量监督检验检疫总局联合颁布实施的《火炬工程施工及验收规范》（GB 51029—2014）［3］等。这些标准和规范主要从高架火炬系统的设计要求、安装质量等方面进行了规定，没有涉及污染物的排放控制。

2015年，环境保护部发布《石油炼制工业污染物排放标准》（GB 31570—2015）［4］和《石油化学工业污染物排放标准》（GB 31571—2015）［5］。对高架火炬污染物排放管控提出如下要求：1）采取措施回收排入火炬系统的气体和液体；2）在任何时候，VOCs和恶臭物质进入火炬都应能点燃并充分燃烧；3）应该连续监测、记录引燃设施和火炬的工作状态，如火炬气流量、火炬头温度、火种气流量、火种温度等，并保存记录1 a以上。2020年，生态环境部发布《石油炼制工业废气治理工程技术规范》（HJ 1094—2020）［6］提出了火炬排放系统应有气柜和压缩机，火炬气分液罐凝液、气柜凝液回收处理，控制火炬烟气排放等相关要求。

综上，目前国内已有的高架火炬相关标准和规范主要集中在火炬系统设计层面，对于影响高架火炬燃烧效率和燃烧破坏率的关键参数的监测监控与运行管理，尚未有明确要求。

2 影响高架火炬燃烧效率和燃烧破坏率的关键参数

2.1 火炬气净热值

火炬气在高架火炬内的燃烧程度与燃烧区的火焰温度直接相关，而燃烧区的火焰温度则与火炬气的净热值有关。美国得克萨斯州环境质量委员会（TCEQ）发布的2010年火炬测试结果表明，在火炬气和助燃气体流量保持不变的前提下，火炬的燃烧破坏率随火炬气净热值的增加而增大［7］。可见，火炬气净热值是影响火炬燃烧破坏率的重要参数。美国国家环境保护局（EPA）发布的标准中规定：进入蒸汽/空气助燃型火炬筒体内的平均气体净热值不小于12.0 MJ/m3，进入无助燃型火炬筒体内的平均气体净热值不小于8.0 MJ/m3；蒸汽助燃型火炬燃烧区平均气体净热值不小于10.8 MJ/m3，空气助燃型火炬头出口截面处热负荷不小于250 kJ/m2［8］。

2.2 火炬气流量和火炬头出口气体流速

火炬气流量是影响高架火炬燃烧效率和燃烧破坏率的另一重要参数。TCEQ发布的2010年火炬测试结果表明，若助燃气体流量保持不变，在一定范围内，高架火炬的燃烧效率和燃烧破坏率均随火炬气流量的增加而增大［7］。此外，火炬气的燃烧程度与其在燃烧区的停留时间有关，而火炬气在燃烧区的停留时间则与火炬头出口气体流速有关，即火炬头出口气体流速只有在一定范围内才能保证火炬气达到良好的燃烧效果。因此，火炬气除了要满足净热值的限值要求外，还必须保证火炬头出口气体流速与燃烧区的热值相适应［7］。EPA发布的标准中规定火炬头出口气体流速应与净热值相匹配，且蒸汽助燃与无助燃型火炬出口流速均不得超过122 m/s［8］。

2.3 助燃气体流量

火炬气在燃烧过程中，需要充足的空气供应和充分的混合来保证完全燃烧，减少黑烟的产生，因此高架火炬通常设计有空气助燃或蒸汽助燃装置。蒸汽助燃型火炬是在高架火炬燃烧区域注入蒸汽来提高湍流，加强火炬气与空气的混合程度，提高燃烧效率；空气助燃型高架火炬使用带压空气助燃并促进与火炬气的混合，提高燃烧效率。因为助燃气体中的蒸汽和氮气均无热值，如果增加的空气或蒸汽过多，会导致火炬燃烧区气体净热值下降，进而造成火炬气燃烧效率下降。TCEQ发布的2010年火炬测试结果表明，火炬的燃烧效率和燃烧破坏率与助燃气体的流量密切相关：在火炬气流量一定的情况下，火炬的燃烧效率和燃烧破坏率随着助燃气体流量的增加而明显下降［7］。因此，高架火炬要实现接近完全燃烧（燃烧破坏率不低于98%）的运行工况，同时最大程度地减少黑烟形成，需要精细控制助燃气体的流量。EPA发布的标准中规定：蒸汽或空气助燃型火炬中，助燃气体的添加量应控制在合适的范围内，从而使火炬燃烧区或火炬头出口截面处净热值满足限值要求［8］。

2.4 火焰状态

火炬头火焰燃烧状态和长明灯引燃火焰燃烧情况也是反映高架火炬工作状态和运行效果的重要指标。通过观察火炬头燃烧器燃烧时火焰的形状、是否出现黑烟等现象可以判断火炬气中的有机物是否被完全燃烧；通过观察长明灯引燃火焰是否保持常燃来判断火炬气是否可以正常点燃［9］。EPA颁布的标准中规定：用含有时间信息的视频监视器监控火炬头火焰燃烧状态，视频监视器应以每15秒不少于一帧的频次拍摄燃烧火焰画面，并完整记录画面拍摄的日期和时间；长明灯引燃火焰保持常燃，可采用热电偶、光传感器等设备进行监控［8］。美国湾区空气质量管理局（BAAQMD）的标准中则规定：视频监视器应以每分钟不少于一帧的频次拍摄燃烧火焰画面，并完整记录画面拍摄的日期和时间；长明灯引燃火焰需持续燃烧或采用自动点火系统，若采用引燃火焰持续燃烧的方式，则检测设备必须能检测到引燃火焰的存在［9］。此外，美国石油协会（API）颁布的标准中也要求引燃火焰保持持续燃烧，可通过热电偶、火焰电离、光传感器和声学系统等方法对引燃火焰进行监测［10］。

3 广东省高架火炬污染排放管控情况

3.1 广东省高架火炬的基本情况

截至2021年，广东省6家重点炼化企业共建有高架火炬26座（碳氢火炬21座，酸性气火炬5座）。其中：5家企业炼油区内的高架碳氢火炬均安装有气柜，对进入火炬气管网的可燃气体进行储存后增压输送至燃料气管网进行回收利用；4家企业化工区内的高架火炬中仅1家企业安装有气柜。从助燃方式来看，21座高架碳氢火炬中，67%的火炬采用蒸汽助燃方式，33%的火炬采用空气助燃方式。具体情况见表1。

3.2 广东省高架火炬关键参数监测监控情况

表2为广东省6家重点炼化企业高架火炬关键参数的监测监控情况。

表2 广东省6家重点炼化企业高架火炬关键参数监测监控情况

由表2可见：所监测和监控的关键参数包括火炬气净热值、火炬气流量、火炬头温度、助燃气体流量、助燃气体流量调节方式、火种气流量、火炬头和长明灯引燃火焰状况，共7项；其中2家企业对火炬气和火种气流量无监测；6家企业均未安装火炬气组分连续监测设备或热值分析仪；仅3家企业采用人工采样方式对火炬气净热值进行定期分析；在安装有火炬气流量监测的4家企业中，仅2家企业所采用的超声波流量计的精度和测量范围能够满足EPA的相关要求，另外2家企业所安装的质量流量计无法对小体积流量的火炬气进行精准测量；尽管有4家企业对助燃气体流量进行监测，但助燃气体流量的调节方式主要通过人工观察火焰状态进行手动调节，并以消除黑烟排放为主要目的，这种操作方式可能导致助燃气体添加过量，进而影响高架火炬的燃烧效率。

对企业1和企业6在2020～2021年期间的323个火炬气净热值数据进行分析，结果表明：2020年，在正常工况下，企业1有46%的火炬气净热值数据低于EPA标准所规定的限值12.0 MJ/m3；2020年，在正常工况下，企业6的全部火炬气净热值数据均高于12.0 MJ/m3，但在2021年装置检维修期间，有13%的火炬气净热值数据低于12.0 MJ/m3。由于上述企业人工采样时间间隔周期长，而火炬气排放工况变化较大，在缺乏连续监测设备的情况下无法对火炬气组分和净热值进行实时分析，也无法根据火炬气净热值的变化情况及时补充燃料气，从而导致高架火炬的燃烧破坏率低于98%。

4 强化高架火炬排放管控的建议

4.1 加强火炬气的回收利用

调研结果表明：广东省6家重点炼化企业炼油区的高架火炬系统普遍配置有气柜和压缩机，1家企业化工区高架火炬系统改造后增设了气柜和压缩机。因此，可以实现可燃气体的回收利用。建议企业对进入燃料气管网的火炬气进行回收利用，以减少高架火炬燃烧的次数，降低污染物的排放。

4.2 加强对火炬气净热值的监测

由前文可知，火炬气净热值是影响高架火炬燃烧效率和燃烧破坏率的关键参数。调察结果显示：截至2021年，广东省6家重点炼化企业均未安装热值仪，无法对火炬气净热值进行实时监测。建议各企业高架火炬系统增设热值仪，实现对火炬气净热值的实时监测，并根据监测结果及时对燃料气进行调整，确保火炬气净热值不低于12.0 MJ/m3，从而保证火炬燃烧破坏率不低于98%。

4.3 加强对火炬气、助燃气和火种气流量的监测

《石油炼制工业污染物排放标准》（GB 31570—2015）和《石油化学工业污染物排放标准》（GB 31571—2015）中规定：要连续监测并记录火炬气流量、火种气流量等反映引燃设施和火炬工作状态的关键参数［4-5］。因此，建议各企业通过加装流量计，加强对火炬气、助燃气和火种气流量的在线监测，确保火炬气和助燃气的流量比在合理范围内，保证高架火炬燃烧破坏率不低于98%。此外，控制火炬气流量和火炬头出口流速，并保证助燃蒸汽或空气的添加量与火炬气净热值和火炬气流速相匹配，也是提高高架火炬燃烧效率和燃烧破坏率的关键因素。

4.4 加强对火焰状态的监控

火炬火焰的监测对象主要包括长明灯引燃火焰和火炬头燃烧火焰。其中：对引燃火焰监控的目的是为了确保长明灯被正常点燃，长明灯保持常燃是火炬可以将火炬气进行充分燃烧的基础，也是火炬正常燃烧与否的关键因素；对火炬头燃烧火焰监控的目的是为了通过燃烧时火焰的形状、黑烟等现象来判断可燃物是否被完全燃烧［11］。建议各企业加强对火焰状态的监控，安装热电偶、紫外线火焰探测器或红外线探测器等设备，对长明灯引燃火焰和火炬头燃烧火焰状态进行持续监控，安装视频设备对火炬头燃烧火焰状态进行监控，并作好黑烟日排放观察记录。

5 结语

高架火炬作为石化企业主要的VOCs排放源，建议相关部门尽快制定高架火炬运行监管方面的规范和标准，加强对火炬气的回收利用，加强对火炬气净热值以及火炬气、助燃气和火种气流量等关键参数的监测，实时监控长明灯引燃火焰和火炬头燃烧火焰的状态，进一步提升高架火炬燃烧效率和燃烧破坏率，减少高架火炬的污染排放。