VOCs无组织排放，美国用哪些监测方法？
更新时间：2019-04-02 09:54
来源：大城小E
作者: 丁莳文
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《美国挥发性有机物监测及减排最佳管理技术：炼油厂案例分析》报告最后一节第VIII章总体改善的第二部分：美国炼油厂厂界监测新方法及紧急排放要求。
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VIII总体改善
B.其它泄漏探测新方法
本节将对美国联邦环保署评估的其它无组织排放监测系统进行介绍。虽然美国联邦环保署选择根据当前可获得的技术和方法采用被动扩散管执行边界监测项目，但VOC排放监测系统在过去一段时间取得了较大发展，边界监测项目也允许在满足基本要求的前提下采用其它替代方法执行有关工作。这些基本要求主要包括[a]：
替代方法必须根据美国联邦法规40CFRPart63附录A中记载的EPA方法301进行验证
替代方法的有效探测下限必须达到0.9μg/m3苯浓度
与根据EPA方法325A设置的被动扩散管监测系统相比，替代方法必须实现相同或更加理想的空间覆盖
非集成采样替代方案的采样和分析频率必须为每15分钟一次或更高
1
遥感设备
遥感技术是监测无组织泄漏的新兴技术之一，例如光学气体成像遥感。这种设备的光学气体成像相机内装有两个协同运行的红外感应器。其中一个感应器追踪视野内的红外背景信号，另一个则同时捕捉并处理视野内的烃类和红外背景信号。设备的软件对镜头捕捉的影像进行分析并去掉其中的背景信号和干扰物（例如人员和机动车），使工作人员能够更直观地观察影像中的潜在泄漏情况。在探测到泄漏时，设备会将图像中的烟羽标记为红色并向工作人员发出提示。光学气体成像遥感设备可以探测到500英尺以外的泄漏。工作人员可以根据实际需要对其发出提示的设定进行调整。
另一种常见的设备在其密封的外壳内同时设有一部高感红外相机和一部高清彩色相机。这种设备通过专利分析和图像处理算法对捕获的影像进行处理。设置在厂区各个点位的相机通过网线连接到主控制室，为工作人员提供实时影像和数据。这项系统同时对彩色影像和红外影像进行分析，并可在屏幕上显示彩色的泄漏烟羽，提供了更好的能见度。在探测到泄漏时，系统将自动向主控制室发出提示。影像可以由相机自动保存或者在主控制室内遥控保存。
2
主动采样器
主动采样监测网络与被动扩散管监测网络相似，也是由一系列离散的监测点位组成。但主动采样器的工作原理是通过气泵将环境空气以固定速率导入吸附管进行分析。
由于主动采样器的采样速率较高，因此可以每天对吸附管进行分析，这使其能够比被动扩散管监测网络提供更好的时间分辨率。另外，主动采样器还可以直接连入气体分析仪以进一步提高其时间分辨率。但是，主动采样器直接连入气体分析仪时的探测限值通常比执行分析前通过吸附管收集和浓缩有机蒸汽的探测限值高。主动采样监测网络已经在多种不同的环境下应用于多种有机污染物的采样和分析，并已成为一项较为成熟的方法。但是与被动扩散管监测网络相比，其成本更高、所需人力更多，并需要由专业技能较高的人员进行管理和操作。
3
开放式监测仪
a.UV-DOAS
UV-DOAS边界监测是一项“开放式”监测技术。这种技术通过一部电磁能量源向一定距离以外（通常为100-500米）的探测系统发出电磁光束（紫外辐射）。在到达探测系统的过程中，电磁光束与空气中的各种成分发生接触并受到一定程度的干扰。探测系统对接收到电磁光束的受干扰程度进行测量，进而确定该开放式空间内大气污染物的平均浓度。UV-DOAS系统能够测量较远距离内的污染物浓度，因此需要设置的监测点位（能量源/探测系统组）也相对较少。但是，UV-DOAS监测系统的成本比主动或被动采样监测系统高出很多，并在执行长期监测时需要采用更加严密的措施来保护能量源和探测系统。UV-DOAS系统的优点是能够为部分物质提供较为精确（较低ppb范围）的实时测量数据，但大雾或其它影响能见度的因素（例如沙尘暴、花粉和山火烟尘等）会对其运行造成干扰。UV-DOAS系统目前已经用于美国数座炼油厂和石化厂的边界监测。
b.傅立叶变换红外线（FTIR）
开放式FTIR的结构与UV-DOAS相似，但采用的红外光源和探测系统有所不同。开放式FTIR也可对红外光源和探测系统之间的开放式空间内的污染物平均浓度进行测量。其测量路径的长度和装置成本与UV-DOAS相似，也可提供实时的测量数据。开放式FTIR会受到水蒸气、一氧化碳和二氧化碳等气体的光谱干扰，并影响其有机蒸汽的探测下限。这种系统目前也已用于美国数座炼油厂和石化厂的边界监测。相较于UV-DOAS系统来说，虽然开放式FTIR可以用于测量更多的污染物种类，但是其苯探测限值一般更高，即苯的探测敏感度略差于UV-DOAS系统。考虑到苯是炼油厂无组织排放的一种主要污染物并经常用作其它有害大气污染物排放监测的代表物质，开放式FTIR较高的苯测量限值是这种系统的主要劣势。
c.差异吸收光探测和测距（DIAL）
DIAL监测系统借助脉冲激光束对其路径上环境空气的污染物浓度进行测量。空气中存在的污染物粒子和气溶胶使脉冲激光束的一部分发生反向散射。散射的激光束由激光源附近的望远镜系统收集，并通过一部敏感度较高的光线探测仪进行测量。由激光发射到散射接收的时间可用来确定污染物排放烟羽的距离。在运行时，激光源快速交替发出两种波长的脉冲，其中一种波长极易被污染物吸收，而另一种则不被吸收。因此，接收到这两种波长反向散射的强度差即可帮助确定污染物的浓度。这使DIAL系统具有一项特殊的优势，即可测量具有空间分辨率的2D污染物浓度数据。DIAL可以在相对较短的时间内完成测量，因此也具有较好的时间分辨率。
DIAL系统已应用于多项炼油厂和石化厂排放测量的研究，且通常是短期（1-2周）专项研究。这项技术成本较高，美国境内的设备数量较少，并需要严格培训的工作人员进行管理和操作。
d.红外掩日通量
红外掩日通量利用阳光作为光源，并使用FTIR或紫外线探测仪对路径上的污染物平均浓度进行测量。在这种情况下，测量路径是垂直于地面的。为了准确测量工业源周围的污染物浓度，测量设备安装在一辆特别配置的车辆中，并随着车辆缓慢地围绕厂区边界移动。厂区边界附近的污染物浓度由测量信号强度和全球定位系统（GPS）加以确定。这种技术测量的污染物空间分辨率比UV-DOAS和开放式FTIR更好，且成本低于DIAL系统。在具有可移动设备的情况下，每家企业只需要一部红外掩日通量系统。但该系统的最大缺点即是需要工作人员驾驶测量车辆全天围绕厂区边界运行，且无法在夜间或云层较厚的天气状况下应用。这意味着该系统在每天较长的时间段内无法提供有效的数据。如果采用固定测量点位，并按照与主动或被动采样监测相似的方案在厂区的多个点位布置设备，则会带来非常高昂的成本。
C.紧急泄漏情况的管理规定
作为原标准审阅工作的一部分，美国联邦环保署特别对原标准中没有涉及（也经常排除在排放清单以外）的设备启动、关闭或故障期间的排放情况进行了评估。除了前面章节中提到的涉及维护排气和火炬的规定外，美国联邦环保署还将大气泄压装置确定为可能产生较大潜在排放，且没有在原标准中得到有效约束的排放源。
美国联邦环保署曾考虑要求所有的大气泄压装置将废气导入火炬或其它大气污染防治设备，但这项要求的实施成本非常高，并可能导致企业安装新的火炬以处理这些紧急情况下产生的泄漏。这样一来，新的火炬为了有效应对这些每年发生次数极少的紧急情况，必须保持全年通气并维持引燃火焰。因此，要求对所有的大气泄压装置进行污染防治极可能带来严重的次生环境影响（即更多的火炬排放）。
于是，美国联邦环保署决定通过执行一项实践标准尽可能减少大气泄压泄漏的发生。当大气泄压设备在三年内发生多起紧急泄漏事件时，再对其提出进一步的污染防治要求。
新的紧急泄漏管理规定要求大气泄压装置配备能够探测压力释放，记录事件发生的日期、时间和时长，并及时向工作人员发出提示的监测系统[b]。
有关规定还要求企业为每个大气泄压装置采取三项额外的防护措施。这些防护措施主要包括[c]：
配备控制开关、监测仪或自动执行器的流量、温度、液体水平和压力指示器。此类别下每部不重复的独立设备即视为一项防护措施
具有完整记录的定期检验维护程序和/或员工培训。若同时执行定期检验维护程序和员工培训，则视为同一项防护措施
安全性更好的设计方案或安全仪表系统
洒水系统
阶段式泄压系统，其初级泄压装置（具有较低的泄压压力）应导向火炬或其它封闭式排气系统和大气污染防治设备
每当大气泄压装置发生泄压泄漏时，企业须立刻执行根源分析并采取必要的改正措施，以最大程度地降低类似事件重复发生的可能。如果根源分析的结果指向运行失误或不当维护，则该次事件被视为违规。另外，新的紧急泄漏管理规定将每三年之内发生紧急泄漏事件的次数上限设定为2次，除自然灾害及其它不可抗力导致的事件之外，若出现第3次即视为违规。[d]
每三年之内第2次出现因相同原因导致的泄漏事件（除不可抗力事件外）也视为违规。
以下类别的泄压装置不受有关紧急泄漏管理规定的约束[e]：
导向满足污染防治效率标准（98%减排效率或控制在20ppmv以下）的大气污染防治设备或火炬的泄压装置
用于高密度液体的泄压装置
只释放标准状况（1大气压、68华氏度）下为液态的物质的泄压装置
热膨胀安全阀
设计泄压压力低于2.5psig的泄压装置
基于其直径、设计泄压压力和内容物，没有排放72磅/天以上VOC潜力的泄压装置
移动设备的泄压装置
这些规定确保具有排放大量VOC潜力的泄压装置的企业有效落实必要的防护措施，以限制紧急泄漏情况发生的频率和时长。
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