火炬

6.火炬火炬是点源，用于炼油厂破坏炼厂燃料气，吹扫气或开、停工和故障时过剩的有机化合物。多数火炬有天然气辅助燃烧保证火炬持续燃烧。如果火炬气的热值低于特定值（蒸汽或空气助燃火炬，一般是每标准立方英尺300英热单位[Btu/scf]），就把天然气加入到火炬气中，为良好燃烧保持适当的热值。从火炬的排放是火炬气未燃烧的烃类（即，CH4，CO,VOC,和特征有机HAP）；气流中的硫化物杂质,如H2S,的氧化产生SO2；燃烧过程生成CO2。如果焚烧条件不适当，预期火炬也产生NOX排放，可能也产生PM（油烟）。完整的排放清单包括所有这些化合物的估算（特征有机HAP随火炬焚烧气体的组成变化）。由于传统的排放测试技术不适用，获得火炬排放的精确估算是困难的，为特性化火炬排放仅仅做了几个尝试。因此，只有有限的火炬直接排放测试数据。进气开发的测试草案，象DIAL技术，提供了火炬直接排放测量技术。然而，DIAL仅仅提供短时间测量。除非火炬气的组成和流量高度稳定，这些测量推算的不精确度会传递到年度排放速率。火炬焚烧前气流的连续监视一般是最精确的火炬排放评估。这个方法的一个困难是火炬气的组成和流量快速变化，校正监视器在特定量程内检测组成和流量，如果流量和组成超出仪表的量程，将导致测量数据的不准确。另外，由于监视器正在测量去往火炬的气流，必须假定火炬效率以确定燃烧后的排放。工程计算是另一个方法，可以用于评估特定的释放事件。例如，一台罐的安全阀打开了，则可以基于罐内压力和罐外压力、阀打开的横截面积、阀打开持续的时间计算释放气的体积（见这个炼油厂排放草案文件的12节，故障）。可以使用罐内液体组成，假设排出气体的组成计算气相空间的平衡组成。也可以得到一些排放系数，但这些系数有高度不确定性。EPA建议最好使用直接测量法开发特定点-特定火炬排放系数或核实特定条件下特定火炬的焚烧效率；然而，发展一个火炬的排放清单不是特别有用的。表6-1汇总了火炬排放技术的层级。在给定的测量方法（或顺序）中，可能有可选择的方法确定特定组分的排放；为了精确提供这些组合的分析方法。每一个炼油厂好像都用不同方法的组合。例如，火炬方法顺序1可以用于直接监视的事件和正常的释放，但火炬方法顺序4必须用于偶发事件的排放估算。这节的剩余部分提供了这些方法额外详细的解释和成果。表6-1火炬排放估算方法汇总顺序测量方法需要的额外数据1送入火炬气体的连续组成监视（或在火炬燃烧情况下至少每3小时手工采样一次）和连续流率监视。燃烧效率（基于直接测量测试的结果，如果可以得到，或缺省假设）2连续流率监视和日或周组分分析代表性样品（随机或有序）；假设焚烧效率3连续流率和热值监视基于热值的排放系数4工程计算连接到火炬装置的工艺知识（即，工艺物流的体积、组成）需要温度和压力监视数据或其它的工艺操作数据。假设的焚烧效率。5基于能源消耗的排放系数流量估算（非连续）；热值估算（非连续）6基于炼油厂或工艺加工量的缺省排放系数炼油厂或工艺加工量6.1火炬的方法顺序1火炬的方法顺序1包括送入火炬气体的连续组成和流量测量。对于火炬，没有正常流量，火炬的方法顺序1认为在每次放火炬期间至少每3小时对火炬气手工采样1次。对于火炬，多数使用方法顺序1估算的污染物是SO2和烃（或VOC）。例如，可以用还原硫或总刘监视器特性化在火炬中焚烧气体的硫含量。相似地，监视火炬气中总烃，VOC或特征有机HAP的量可以用于估算这些污染物的排放量。然而，由于宁愿测量监视送到火炬气的组成也不愿监视测量火炬排出的气体，估算火炬排放需要的其它信息是火炬的效率（Feff）。对于上面提到的硫含量的例子，火炬气燃烧过程中硫氧化为SO2排放的比例取决于燃烧效率。由于不完全燃烧造成含硫化合物的排放，象还原硫化合物和未燃烧的烃，一使用1减假设的火炬效率（1-Feff）估算排放速率。象上述注意到的那样，直接测量方法是可以得到的，并可以用于确认火炬效率。如果在炼油厂特定条件下特定火炬的效率信息是可得到的，这些信息就应用于估算与前述条件相当的火炬的排放。对于其他火炬，从13.5节空气污染物排放汇总表中注意到，正常操作的火炬燃烧效率至少是98%（U.S.EPA,1995a）。注意仅仅假设按40CFR60.18标准操作的火炬才是正常操作，才能达到98%的燃烧效率这一点是重要的。还应该注意近期的努力更好地特性化了火炬排放，包括确定正常操作的火炬的焚烧效率是否是连续合适的。现在，还没有收集并评估到足够的数据去制成修改这个效率估算。尽管一些会提供质量浓度，但多数气体组成测量体积浓度（一般是干基）。多数流量测量体积流率（实际立方英尺）。许多装备流量测量的系统带有温度和压力测量，自动把流量转换为标准条件下的流量。如果用干基确定气体组成，引出测量系统是一种典型的干基测量系统，把流量校正为干基流量也是重要的。使用污染物的分子量和/或理想气体定律可以把污染物的总体积流量转换为质量排放速率。使用方程6-1可以计算排放量，这是针对CEMS的方程4-1的变形：Ei=∑((Q)n×[1−(fH2O)n]×(T0Tn)×(PnP0)×Keff×(Ci)n100%×MWiMVC×K)Nn−1方程6-1式中：Ei=污染物i的排放速率（每年吨（tons/yr）或每次吨（tons/次）N=每年或每次的测量区间次数（即，小时测量，N=8760）n=测量区间的序数(Q)n=n次测量区间的体积流率（每分钟实际立方英尺（acfm））。如果流率对温度和压力进行自动米制校正，则用1代替T0÷Tn×Pn÷P0。如果污染物浓度确定用干基，流率米制自动校正为湿含量，用1置换项[1−(fH2O)n]。(fH2O)n=n次测量期间内烟气的湿含量，体积分数（每立方英尺烟气立方英尺水）。(Ci)n=n此测量期间烟气中污染物i的浓度（体积%，干基）。如果确定湿基的污染物浓度，用1代替项目[1−(fH2O)n]。MWi=污染物i的摩尔重量（每千克摩尔千克（kg/kg-mole））。MVC=摩尔体积转换系数=849.5每千克摩尔标准立方英尺（scf/kg-mol），在68℉和1大气压（atm）。T0=标准条件下的温度（528R。Tn=n次测量期间测量的流体温度（R）。Pn=n次测量期间测量的流体平均压力（atm）P0=标准条件压力（1atm）K=转换系数=2.2046/2000（每千克tons（tons/kg））=0.0011023tons/kg象4-1节解释的那样，连续测量记录下每小时的多个测量，可以使用单一测量计算用两种方法计算年度排放。对于火炬，选择小时平均方法或更倚重于单个测量取决于火炬点燃的时间段（特别对于火炬仅仅间歇操作的情况）和工艺装置产生气体的种类。6.2火炬方法顺序2火炬方法顺序2包括火炬方法顺序1中的火炬气流量连续测量和对火炬气的有序（日、周）采样并分析组成。方法顺序2还包括用连续测量一个代表组分确定组成，然后使用采样数据或其它数据在代表组分和污染物之间周期性检验校正。对于火炬，使用火炬方法顺序2估算最多的污染物是SO2和特征HAP。与方法顺序1描述的过程相似，可以使用H2S的连续测量估算SO2的排放，但由于H2S仅仅是火炬气中潜在存在的几种硫化物的一种，因此，重要的是周期性检测火炬气中总硫含量，这样就不会低估SO2排放量。例如，周期对火炬气采样，测定火炬气的总硫含量，把总硫含量与H2S的监测数据关联，确定火炬气中平均总硫与H2S的比率。这个平均总硫与H2S的比率，用SO2当量表示，可以用于调整连续监测的H2S浓度，以提供更精确和完整的火炬SO2排放量的估算。相似，可以使用采样测定火炬气中特征HAP的相对浓度。这些采样数据可以用于与总烃监测数据关联以估算火炬的HAP排放。与用火炬方法顺序1一样，火炬产生或破坏污染物将取决于火炬的燃烧效率。象前面注意到的那样，正常操作条件下缺省的火炬焚烧效率是98%（U.S.EPA,1995a）。6.3火炬方法顺序3火炬方法顺序3包括与火炬方法顺序1同样的火炬气流量连续监视，燃料热值连续监视，基于热值的排放系数。用火炬方法顺序3最常估算的污染物是CO，NOX和总烃（VOC的代表物）。火炬方法顺序3的一般方程如下：Ei=∑(Qstd,n×LHVn×EFi)Nn=1方程6-2式中：Ei=污染物i的排放速率（每年吨（tons/yr）或每次吨（tons/次）N=每年或每次的测量区间次数（即，小时测量，N=8760）n=测量区间的序数(Q)std,n=n次测量区间的体积流率（每分钟实际立方英尺（acfm））。如果流率输出不是标准状态，可以使用方程6-1前4象的加和计算Qstd,n。注意：使用标准条件，气体必须是标准条件下的体积，在标准条件下测定的气体热值。LHVn=n个测量期间火炬气的低热值（LHV），单位MMBtu/scf。火炬气的通常测定热值为低热值（净热值，LHV），用于工艺加热炉和锅炉的热值通常测定高热值）。EFi=污染物i的排放系数（lb/MMBtu）。下面的表6-2和6-3列出了EFi值。特别注意列出的排放系数是满足40CFR60.18标准的正常操作的火炬；火炬效率已经包含在这些排放系数中了。也应特别注意由于这些排放系数是基于一般燃烧特性和有限的排放测试，可得到排放系数的组分的数量有限。例如，NOX的排放系数一般基于焚烧过程空气中氮气的量，如果燃料气中有含氮的组分，如氨，对于所有NOX排放需要考虑另外的计算（基于火炬方法顺序2，特别在连续检测流率的情况下）。表6-2中的排放系数来自于EPA的空气污染物排放系数汇总13.5节（U.S.EPA,1995a，作为AP-42是周知的），排放系数级别是B（U.S.EPA,1995a，详见排放系数分级系统）。这些火炬排放系数是基于几十年前EPA开展的有限的测试结果。尽管AP-42没有特别说明，一般时间是用低位热值确定的火炬气的热值。这样，推荐这些排放系数与低位热值热容量一起使用。表6-2基于火炬能量消耗的排放系数组分排放系数a（lb/106Btu，LHV基）总烃b0.14一氧化碳（CASNo.630-08-0）0.37氮氧化物0.068aSource:U.S.EPA,1995a.AssumesvaluesarereportedonaLHVbasis.bMeasuredasmethaneequivalent.表6-3中的排放系数来自于TCEQ的2008排放清单指导技术补充4（TCEQ,2009）。没有指定这些排放系数的分级。这些火炬排放系数用低位热值（LHV），或净热值，测量的热量。表6-3TCEQ基于能量消耗的火炬排放系数组分助燃类型废气流净热值a排放系数（lb/MMBtu.LHV基）氮氧化物水蒸汽高Btu0.049低Btu0.068空气或无助燃高Btu0.14低Btu0.064一氧化碳（CASNo.630-08-0）水蒸汽高Btu0.35低Btu0.35空气或无助燃高Btu0.28低Btu0.55aHighBtu:1000Btu/scf;LowBtu:192–1000Btu/scfbSource:TCEQ,2009.AP-42也提供了油烟（即，PM）的排放系数；但，提供的油烟系数的单位是火炬烟气中的浓度。这些系数已经转换为基于热值的系数，以方便使用方程6-2计算油烟（PM）的排放量。为了计算火炬的油烟（PM）排放，基于测量期间火炬产生的烟尘量确认火炬操作期，以便应用适当的排放系数。表6-4火炬油烟排放系数火炬燃烧状态排放系数a（μg/L,烟气中）排放系数b（lb/MMBtu，LHV基）无烟火炬00.0轻烟火炬400.027平均烟量火炬1770.12重烟火炬2740.19aSource:U.S.EPA,1995a;reportedasmicrogramsperliter(μg/L)inflareexhaust.bCalculatedfromconcentrationusingF-factormethodonadrybasis,assuming3%O2inexhaustgasstream.例子6-1：带有流率和热值连续监视火炬的CO排放计算计算