Понимание выбросов ЛОС при обработке сырой нефти

Летучие органические соединения (ЛОС) представляют собой класс углеродсодержащих химических веществ, которые легко испаряются в атмосферу при температуре окружающей среды. В нефтегазовой промышленности ЛОС в основном выделяются во время обработки сырой нефти - этапы, такие как хранение, передача, погрузка, разгрузка и переработка. Эти выбросы происходят из более легких углеводородных фракций в сырой нефти (например, метан, этан, пропан, бутан, бензол, толуол, этилбензол и ксилол). Факторы, которые влияют на скорость высвобождения ЛОС, включают состав сырой нефти (гравитация API, давление паров Рейда), температуру окружающей среды, турбулентность во время передачи и объем пространства паров резервуара. Понимание этих фундаментальных факторов имеет важное значение для разработки эффективных мер контроля.

ЛОС вносят значительный вклад в образование озона на уровне земли (ключевой компонент смога) и могут иметь прямые последствия для здоровья человека, включая проблемы с дыханием и канцерогенные риски от таких соединений, как бензол. Кроме того, беглые выбросы ЛОС представляют собой потерю ценного продукта. Регулирующие органы, такие как Агентство по охране окружающей среды США (EPA) в соответствии с Законом о чистом воздухе, а также международные стандарты (например, Приложение VI ИМО МАРПОЛ для морских операций), установили строгие ограничения на выбросы ЛОС. Поэтому сокращение выбросов ЛОС является не только экологической ответственностью, но также соблюдением и экономическим императивом для объектов по переработке сырой нефти.

Нормативно-правовая база и значение сокращения ЛОС

Регуляторный ландшафт выбросов ЛОС ужесточился во всем мире. В Соединенных Штатах новые стандарты эффективности источников (NSPS) EPA для нефтегазового сектора (например, Subpart OOOOa, OOOOb и OOOOc) предписывают конкретные технологии управления и методы работы для резервуаров для хранения, пневматических контроллеров и операций по передаче. Аналогичным образом, Директива Европейского союза о промышленных выбросах (IED) и руководящие принципы Международной финансовой корпорации (IFC) требуют планов управления ЛОС для новых проектов. Несоблюдение может привести к значительным штрафам и эксплуатационным ограничениям. Помимо регулирования, активное сокращение ЛОС повышает социальную лицензию компании на работу и улучшает отношения с сообществом.

Эффективное управление выбросами ЛОС начинается с глубокого понимания источников выбросов. Наиболее значительные точечные источники при обработке сырой нефти включают в себя потери дыхания и работы резервуара для хранения, потери пара на погрузке и утечки из клапанов, фланцев, насосов и компрессоров. Сочетание инженерных средств управления, передовых методов работы и строгого мониторинга обеспечивает наиболее надежные результаты сокращения.

Ключевые стратегии сокращения ЛОС

1. Единицы восстановления паров (VRUs)

Установки для извлечения паров являются одними из наиболее широко применяемых технологий для захвата ЛОС во время операций по хранению и загрузке сырой нефти. VRU собирают пары, вытесненные из пространства резервуара во время заполнения (рабочие потери) или от теплового расширения (потери при дыхании). Захваченный газ обычно направляется в компрессор, затем либо повторно впрыскивается в сырой поток, используется в качестве топливного газа для оборудования на месте, либо отправляется в факельный или тепловой окислитель, когда требуется более высокая эффективность разрушения.

Современные VRU могут достигать эффективности захвата, превышающей 95% при правильном обслуживании. Ключевые компоненты включают в себя заголовок сбора пара, барабан жидкого уплотнения или огнеупорный герметик, компрессор (винт, поршневое или жидкое кольцо) и систему управления. VRU особенно эффективны для больших резервуаров для хранения (например, внешние плавучие резервуары крыши с восстановлением пара) и на морских погрузочных терминалах, где потери пара высоки. Для оптимальной производительности системы VRU требуют регулярного осмотра уплотнений, работы компрессора и целостности паропроводов. EPA обеспечивает подробное руководство по требованиям VRU для новых и модифицированных источников.

2. Системы замкнутого цикла

Системы замкнутого цикла (или замкнутого вентиляционного отверстия) предотвращают выброс паров физическим путем, содержащим углеводородные газы во время переноса. Вместо вентиляции в атмосферу пространство паров приемного резервуара соединено с пространством паров доставляющего судна или с линией паровосстановления, которая возвращает пары к источнику. Это распространено во время загрузки грузовика, железнодорожного вагона и баржи. Система парового баланса использует вращающуюся уплотнение или сухую связь для поддержания герметичной траектории, часто в сочетании с обратной линией пара обратно в резервуар для хранения или VRU.

Внедрение протоколов замкнутого цикла требует тщательной разработки, с тем чтобы избежать нарастания давления или вакуумного коллапса. Клапаны для сброса давления/вакуума с разрывными дисками обеспечивают надежные надстройки. Регулярное обслуживание уплотнительных материалов и механизмов сцепления имеет решающее значение для предотвращения утечек. Объекты, использующие системы замкнутого цикла, сообщают о сокращении ЛОС на 90% или более по сравнению с обычными нагрузками от вентиляционных отверстий до атмосферных. Этот подход предусмотрен во многих юрисдикциях для загрузки бензина и легкой нефти.

3.Температурный контроль

Понижение температуры сырой нефти снижает давление паров на световых концах, непосредственно снижая скорость испарения. Это может быть достигнуто за счет изоляции резервуара, отражающих покрытий (белая или алюминиевая краска для отвода солнечного тепла) и активного охлаждения в жарком климате. Для сырой нефти, хранящейся при повышенных температурах (например, из-за технологического нагрева), рекуперация тепла или охлаждение обрезки могут смягчать выбросы. Мониторинг температуры с помощью надежных датчиков и автоматизация систем охлаждения (например, с использованием водяного распыления или циркуляции охлажденной воды) помогает поддерживать постоянные низкие температуры.

Даже незначительное снижение на 10-15°F может снизить выбросы ЛОС из резервуаров с неподвижной крышей на 20-40%, в зависимости от состава сырой нефти. Изоляция резервуаров также экономит энергию за счет снижения теплоприема летом и потери тепла зимой, обеспечивая двойную экологическую выгоду. Однако одного лишь регулирования температуры недостаточно для сырой нефти с высоким паровым давлением; лучше всего сочетать с VRU или системами замкнутого цикла.

4. Обнаружение и ремонт утечек (LDAR)

Беглые выбросы от утечек компонентов оборудования (клапаны, уплотнения насоса, разъемы, фланцы, открытые линии) могут составлять значительную долю от общего объема выбросов ЛОС. Строгая программа LDAR включает в себя периодический мониторинг компонентов с использованием EPA Method 21 или оптических газовых камер с последующим своевременным ремонтом обнаруженных утечек. Типичные диапазоны частот от ежемесячного до ежеквартального в зависимости от типа компонентов и нормативных требований.

Многие предприятия в настоящее время реализуют План управления выбросами, который включает:

  • Инвентаризация всех потенциальных источников утечки
  • Базовый скрининг и планирование на основе рисков
  • Использование OGI для быстрого обнаружения бесконтактных контактов
  • Отслеживание времени ремонта и анализ первопричин
  • Обучение рабочих надлежащим процедурам затягивания, герметизации и замены

Было показано, что программы LDAR сокращают выбросы в результате утечки до 80% в течение нескольких лет. Американский институт нефти (API) обеспечивает рекомендуемую практику (API RP 1115) для LDAR [FLT: 1] в углеводородном обслуживании.

5. Балансировка паров

Балансировка паров - это простая, недорогая техника, которая соединяет паровые пространства двух судов во время передачи, так что пары перемещаются из приемного резервуара в доставляющий резервуар, а не выбрасываются в атмосферу. Это обычно используется во время загрузки продукта в маркетинговых терминалах. Хотя это эффективно для резервуаров с фиксированной крышей, оснащенных паровыми линиями, балансировка паров не полностью устраняет выбросы - она только передает пар в исходный резервуар, который может в конечном итоге отходить, если не подключен к VRU или вспышке. Поэтому он часто используется в качестве первого шага в многоуровневой стратегии управления.

6. Адсорбция углерода

Системы адсорбции углерода используют активированные угольные пласты для адсорбции ЛОС из потока вентиляционного газа. Углерод может регенерироваться с использованием пара или горячего азота, а десорбированные ЛОС конденсируются или отправляются на вспышку. Эта технология особенно эффективна для потоков с низким потоком, высокой концентрацией, типичных для небольших резервуаров для хранения или грузовых терминалов. Эффективность адсорбции может превышать 98% при замене или регенерации углеродных сред по графику. Однако эксплуатационные расходы могут быть высокими из-за энергии замены и регенерации углерода.

7. Абсорбция (скруббинг)

В системе поглощения газ, нагруженный ЛОС, контактирует с постным маслом (например, с высококипящей углеводородной жидкостью) в упакованной башне. ЛОС растворяются в жидкой фазе, а очищенный газ отводится или отправляется в VRU. Богатая нефть затем регенерируется в колонке стриптизерши, восстанавливая ЛОС для повторного использования. Поглощение распространено на газоперерабатывающих заводах и может обрабатывать большие объемы газа с умеренными концентрациями. Эффективность обычно колеблется от 90 до 98%.

8. Конденсация

Системы конденсации охлаждают поток пара до температуры ниже точки росы целевых ЛОС, заставляя их конденсироваться в жидкость для рекуперации. Можно использовать механическое охлаждение или криогенное охлаждение (с использованием жидкого азота). Конденсация особенно подходит для высококонцентрационных потоков легко конденсируемых соединений (например, бутана, пентана). Она избегает необходимости во вторичных потоках отходов, но требует значительной энергии для охлаждения. Этот метод часто сочетается с VRU для улучшения общего улавливания.

9. Вспыхивающее и тепловое окисление

Когда восстановление паров технически или экономически нецелесообразно, сжигание (открытое горение) или тепловое окисление (закрытое горение) могут обеспечить эффективность разрушения 98% или более. Закрытые вспышки или тепловые окислители с рекуперацией тепла предпочтительнее, чем минимизировать видимые выбросы и максимально использовать энергию. Однако сжигание превращает ЛОС в CO2 и воду, что способствует выбросам парниковых газов; поэтому, как правило, считается последним средством после того, как варианты восстановления исчерпаны. Регулирующие органы все чаще ограничивают сжигание и требуют учета объемов вспышек.

Оперативные лучшие практики для дополнения технологий

Дизайн и модернизация резервуаров для хранения

Замена резервуаров с неподвижной крышей на внешние плавучие резервуары с крышей (EFRT) или внутренние плавучие резервуары с крышей (IFRT) может значительно сократить выбросы ЛОС. Плавучие крыши создают физический барьер, который минимизирует пространство для паров, уменьшая потери дыхания и работы. Для новых объектов IFRT с высококачественными уплотнениями обода (первичные и вторичные уплотнения) являются золотым стандартом. Также эффективна модернизация существующих резервуаров с неподвижной крышей с внутренними плавающими крышами и соединениями для восстановления пара. Регулярный осмотр и замена изношенных уплотнений (особенно если наклоны крыши или установка ног повреждает уплотнение) имеет решающее значение для поддержания производительности.

Смешивание и планирование сырой нефти

Смешивание сырой нефти с более низким давлением пара перед хранением может уменьшить общие выбросы ЛОС. Например, разбавление легкого конденсата более тяжелой нефтью может снизить давление пара Рейда (RVP) смеси. Расписание переносов в более прохладные части дня (например, ночью или ранним утром) снижает скорость испарения. Кроме того, минимизация количества оборотов резервуара (меньше циклов заполнения / пустоты) уменьшает потери при работе. Координация спроса и предложения для хранения сырой нефти в течение кратчайшего практического времени также помогает.

Обучение работников и осведомленность

Все сотрудники, занимающиеся переработкой нефти, — операторы, обслуживающий персонал и инспекторы — должны регулярно проходить обучение по источникам выбросов ЛОС, эксплуатации контрольного оборудования и процедурам обнаружения утечек. Обучение должно охватывать безопасные методы работы, такие как использование плотных прокладок, правильное размещение люков для цистерн и контрольных портов, а также обеспечение того, чтобы все линии возврата пара были соединены до начала передачи. Создание культуры экологического управления поощряет упреждающее представление информации о потенциальных событиях выбросов.

Мониторинг и проверка

Непрерывный мониторинг необходим для обеспечения того, чтобы меры контроля работали так, как задумано. На вентиляционных отверстиях, стойках для погрузки и линиях ограждения по периметру могут устанавливаться детекторы газа с фиксированной точкой (например, FID, PID или инфракрасные датчики). Испытание стека для тепловых окислителей и вспышек подтверждает эффективность разрушения. Дифференциальные датчики давления по линиям восстановления пара могут указывать на блокировки или утечки уплотнений. Данные с этих мониторов должны регулярно регистрироваться и проверяться для выявления ухудшения производительности.

Регуляторное соблюдение часто требует периодических кадастров выбросов с использованием утвержденных EPA методов расчета (например, программного обеспечения TANKS 4.09 для резервуаров для хранения) или прямого измерения (например, с использованием измерителя расхода пара и газового хроматографа). В руководящих документах по кадастрам выбросов EPA для оценки как рабочих, так и дыхательных потерь. Проверки третьих сторон могут проверять данные, сообщенные компанией, и раскрывать возможности для улучшения.

Экономические и экологические выгоды

Инвестирование в сокращение выбросов ЛОС дает многократную отдачу. Восстановленные пары могут продаваться или использоваться в качестве топлива, генерируя доход, который компенсирует капитальные и эксплуатационные расходы. Например, VRU, захватывающий 200 000 кубических футов в день жидкостей природного газа (NGL) по цене 3 доллара США за MMBtu, обеспечит более 200 000 долларов США в годовой стоимости продукта. Избежавшиеся нормативные штрафы также представляют собой значительную экономию. Экологически, сокращение ЛОС снижает уровень озона на земле, ограничивает токсическое воздействие для близлежащих общин и смягчает воздействие на климат (поскольку ЛОС являются предшественниками вторичных органических аэрозолей). Многие компании также сообщают о повышении безопасности работников из-за снижения концентрации углеводородов в рабочих районах.

Будущие тенденции в управлении ЛОС

Новые технологии, такие как интеллектуальные сенсорные сети, камеры OGI на беспилотных летательных аппаратах и машинное обучение для предиктивного обслуживания, готовы улучшить время обнаружения и реагирования. Исследуются пути захвата и использования углерода (CCU), где захваченные ЛОС превращаются в химические вещества или топливо. Регулятивные тенденции указывают на все более строгие интервалы мониторинга выбросов (например, ежемесячные для газовых услуг) и более высокие требования к эффективности уничтожения для вспышек (например, минимум 98%). Компании, которые остаются впереди этих тенденций, выиграют от снижения рисков соблюдения и укрепления доверия заинтересованных сторон.

Заключение

Сокращение выбросов ЛОС при обработке сырой нефти достижимо посредством многоуровневой стратегии, которая сочетает в себе проверенные технологии (VRU, системы замкнутого цикла, контроль температуры, адсорбцию углерода, конденсацию и сжигание) с надежной операционной практикой (LDAR, модернизация резервуаров, смешивание, планирование и обучение). Постоянный мониторинг и приверженность постоянному улучшению обеспечивают, чтобы уровни выбросов оставались низкими в течение срока службы объекта. Реализуя эти стратегии, операторы нефти и газа могут защищать здоровье человека и окружающую среду, сохраняя соблюдение нормативных требований и повышая операционную эффективность. Первоначальные капитальные инвестиции обычно восстанавливаются за счет восстановления продукта, улучшения отношений с сообществом и избежания дорогостоящих штрафов за несоблюдение.

Для дальнейшего чтения рекомендуемой практики обратитесь к документу по руководству по сокращению ЛОС API и EPA по стандартам загрязнения воздуха нефтью и природным газом .