破解化工行业VOCs精细化管理难题
□ 国家环保总局环境工程评估中心 周学双 童莉 韩建华 郭森
我国2013年发布的《大气污染防治行动计划》明确指出，将挥发性有机物（VOCs）排放是否符合总量控制要求作为建设项目环境影响评价审批的前置条件，并将其纳入排污费征收范围，这意味着在环境管理层面，必须在环评、总量、污防、环监等环节都实行量化管理。如何将这类复杂生产过程和数量众多的化合物实现精细化管理，必须从定义、表征、管理思路等方面统筹考虑。
具体到化工行业来看，目前我国可生产的化工产品种类达四万多种，2011年全国主要化学品总量达4.18亿吨。石化化工企业数量多，行业门类划分复杂，生产工艺工序变化多样，现代企业大都朝着多产品、门类全、产业链延伸、自我配套等方向发展，且大多数企业具备根据市场需求变换生产方案和产品品种的能力。因此，现代企业跨行业、多品种已是常态，把一个企业简单定性为哪个行业已经不符合实际。
长期以来，我国针对工业污染源排放，主要从环境要素实施监管，如废水、废气等。近几年，环境管理开始逐渐向不同行业、不同产品品种监管的思路转移，如已经发布了杂环类农药、医药、氯碱等行业排放标准。如此大量的化工产品以及不同工艺生产同一产品等多种复杂的排污情况，显然标准的制定将远远跟不上管理的需求。因此，这两种管理思路均难以体现石化化工行业的特点，存在管理盲区，且过分看重末端治理，尤其是针对VOCs等无组织排放源。鉴于现有的环境管理方法难以体现石化化工行业划分、产品品种和生产工艺的多样性与复杂性，污染源监管始终是环境管理的难点。固有的管理思路已经无法满足环境管理的需求，严峻的环境态势要求环境管理必须更为科学化、精细化，且通用性和可操作性强，尤其是针对复杂多变的石化化工行业。
明确VOCs的定义
目前我国对于VOCs的定义尚未从管理目标、控制思路等方面形成科学、合理和统一的共识。在深入分析VOCs的环境影响、物质特性以及世界各国管理思路的基础上，我国应尽快明确VOCs的定义、内涵及表征，规范环境管理行为。建议以大气环境质量改善、保护人体健康为前提，明确VOCs为“参与光化学反应的气相有机化合物统称”，并建立开放性的豁免名单，先期可参考美国等国标准制定，鼓励全社会研究并不断更新完善。在标准制定层面，豁免名单应相对稳定，标准一旦确立，豁免名单就要随标准的修订进行完善。对适用于相对封闭空间的质量标准和排放标准中的VOCs定义，则不考虑是否参与光化学反应。
TOC（或总烃）包括所有碳氢化合物及其衍生物，包括甲烷、乙烷等，其内涵大于VOCs，综合考虑科学性和可操作性，建议选用TOC或总烃浓度以及特征污染物表征VOCs。这既能控制各类挥发性有机物的总量，同时也可针对行业特点控制其特征污染物排放，对于豁免名单中的物质，在总量核算中可根据情况予以剔除。
归类解析污染源
从污染源产生的角度分析，解剖各类石化化工行业企业与产品的特点，秉承通用性和可操作性强的原则，结论是：将污染源进行归类解析（归类为2种工况共十一大类），可破解石化化工行业环境管理的难题。针对这十一类污染源（过程），制定环境管理的标准与规范，任何石化化工产品、企业都被包含在内，无一例外，这样环境监管将变得更为简单有效。
正常工况下，石化化工行业废气污染源可分为有组织和无组织排放两部分，其中有组织排放分为工艺尾气及燃烧烟气2类，无组织排放分为工艺废气（如焦化、橡胶等）、动静密封点、储存调和、装卸以及废水/固废收集处理5类。非正常工况下，有火炬系统、循环水系统、检维修和采样4类。上述归类解析基本可以涵盖石化化工生产、储运过程中各种气相污染物排放过程，也是VOCs排放污染源。不同行业、产品，各类污染源的占比存在差异，由此，根据不同工艺过程的产排污特点可以有针对性的实施精细化管理。
在污染源归类解析的基础上，参考美国的AP-42源强手册，建立起一套适合我国的VOCs污染源估算方法，实现精细化环境管理。同时建立起一套基于过程管理的污染源管理体系，针对不同排放源的特点，对污染物排放进行分类管理。对有组织排放源，通过严格控制污染物排放浓度和排放速率来管理；对无组织排放源，按照过程控制的原则，通过建立无组织排放污染控制标准，针对生产和运行过程提出控制VOCs排放的技术要求和管理体系标准。对非正常排放，提前确定开停车、检维修、故障处理等非正常工况时的工作程序、预计污染物排放源强、拟采取的污染控制措施，在日常监管中建立企业非正常排放报告或备案制度。
思路和估算方案
1有组织排放 工艺尾气分为连续排放和间歇排放，连续排放容易监测和控制，可根据排气量和排放浓度累加计算。部分化工装置装料、加热、减压、反应、吹扫和置换等过程的工艺尾气为间歇排放，排放量与物料性质和工艺条件等因素有关，可根据计算方法计算得出。
燃烧烟气主要是指化工企业为物料提供热源、冷源所燃烧燃料的排放，正常工况下这一环节排放的VOCs量很少，也可根据排气量和排放浓度累加计算。
2无组织工艺废气 这类情形更多出现在化工企业，目前国外没有可以借鉴的成熟经验，后续应结合不同行业和工艺特点，通过实测建立排放量估算模型或排放系数。这一环节的排放控制技术主要包括通过工艺、设备改进源头削减或采用收集处理技术。
3动、静密封点的无组织排放 每一个石化化工生产工艺装置都是由压缩机、泵、阀门、法兰等设备组成，这些输送有机介质的动、静密封泄漏排放量，与设备材质、输送介质、操作条件、设计施工标准、维护保养水平等诸多因素有关，很难用一种数学模型量化，且数量惊人，一个炼化一体化企业的动静密封点多达几百万个。计算其无组织排放可以参考美国环保局的AP-42提出的四种方法：平均排放系数法、筛选范围法、EPA相关性法、具体设备相关性方程法。企业可根据情况自主选择，大体来讲，越精确的方法需要越精细化的管理，但计算得出的排放量也越接近真实水平。在不具备现场工作条件的环评阶段，可采用直接类比或者使用类似企业系数进行核算。根据已开展的典型企业现场监测和计算结果，这一环节VOCs排放量由于管理、投产年代、工艺复杂程度的不同，结果差距很大。
这一环节的排放控制技术主要包括现有设备改进或更换以及实施泄漏检测和修复（LDAR）程序。对每种排放控制技术均可根据相关信息直接计算其控制效率，作为VOCs减排的依据。
4储存调和过程的无组织排放 有机液体储罐包括原料储存、中间品储存、产品调和到产品储存，目前国内常用的储罐类型有固定顶罐（立式和卧式）、外浮顶罐、内浮顶罐和压力罐（低压和高压）。有机液体储存、调和过程中无组织排放量可以根据美国环保局TANKS 4.09软件来计算，通过储存液体的物理性质（蒸汽压）、储存温度、物料周转量、储罐的结构、环境气象情况、光线辐射强度等约几十至上百项参数进行较准确数值模拟估算。这些参数在初次建档时较麻烦，一旦建立档案，可实现简单操作维护。
值得注意的是，除了储罐类型本身，包括环境温度、压力、辐射强度等在内的气象条件对结果的影响非常显著，我国幅员广大，根据已开展的典型企业现场监测结果，不同地区储罐排放强度可以相差数倍之多。这一环节的排放控制技术主要包括现有企业增加储罐排放气收集、油气处理设施以及拱顶罐改造成浮顶罐并对浮顶增加二次密封设施。对每种排放控制技术均可根据相关信息直接计算其控制效率，作为VOCs减排的依据。
5装卸过程的无组织排放 石油运输及销售过程中的无组织排放可能包括铁路罐车、罐车及船体中装载、运输及压舱过程中损耗，加油站油品遗洒及地下储罐的呼吸损耗，机动车油箱在加油过程中的损耗等。其逸散量是装、灌方式及速率、液体有机产品性质、装卸设备特性、逸散及呼吸损耗等的函数。对于装船环节，还与其特殊的压舱过程参数有关。对于一个特定石化化工、仓储、分装企业而言，涉及的有机液体装卸过程可能是不一样的，可以选取每种吻合的环节进行累加计算，同时，部分环节的计算方法还可供除石化化工企业之外的其他有机化合物储运、分装等过程VOCs的计算使用。
这一环节的排放控制技术主要包括选择其他装载方法及利用冷冻、吸附或压缩回收蒸汽。对排放控制技术可采用经验估算方式估算其控制效率，作为VOCs减排的依据。
6废水/固废收集、处理过程的无组织排放 无组织排放主要发生在敞开式的沟/渠、池/罐。废水沟/渠、储存池/罐的表面蒸发逸散，逸散量是集输、储存废水/固废性质、物料温度、气候条件的函数。废水收集、储存及处理单元的VOCs逸散量计算十分复杂，可使用美国环保局WATER9软件进行精确计算，或根据实测资料类比获得。
这一环节的排放控制技术主要包括蒸汽汽提、空气气提、活性炭吸附（液相）、化学氧化、膜分离、液液萃取、生物降解等。对于污水收集、处理、储存系统，优先采取的措施是加盖密闭以减少VOCs逸散，密闭良好、操作得当的处理系统，VOCs消减量可达95%以上。
7特殊情况VOCs排放 火炬系统是化工行业主要的非正常排放。这个过程可通过增加回收设施、加强管理达到减少排放的目的，这种情形虽然排放总量小，但排放时间集中，短时间排放强度大。化工企业设备、管线检维修时卸料、设备、管线吹扫气体放空也会导致无组织排放。通过加强管理和增加必要的设施可以有效控制挥发性有机物的排放，采用密闭吹扫可以大幅度减少污染物排放。采样过程泄漏主要发生在采样管线内物料置换和置换出物料的收集储存过程，可以通过增加密闭采样设施，加强管理控制挥发性有机物的排放。
目前非正常工况下的污染物排放量计算尚缺乏系统的理论基础，根据已有的实际监测和相关研究，上述三类特殊情况下污染物排放总量约占全厂总排放量的10%。循环水系统无组织排放与节水程度高导致的有机物积累以及浊循环等工艺运用有关，在循环水设备腐蚀老化导致物料泄漏的情形下也有可能导致无组织排放大幅增加，对于前者，可根据不同情形建立估算模型和排放系数，对于后者，应加强监控并及时查漏补漏。
综上所述，VOCs实现精细化环境管理，促进环境管理转型已经具备时机。目前，应从国家层面统一步调，抓紧从定义、表征、管理思路等方面做好VOCs环境管理的顶层设计，以重点地区为试点，石化化工行业为典型，逐步规范VOCs环评、总量、排污收费等领域的各项工作，制定相应的标准、监测技术体系，不断完善管理方法并针对不同的排放过程建立VOCs估算、计算方法体系。国家建立开放的数据库，实现社会共同推进VOCs精细化管理；根据我国实际情况，开展必要的研究，使其更具操作性。