Lotne cząstki organiczne i niebezpieczne substancje zanieczyszczające powietrze emitowane przez zakłady przemysłowe stały się tematem wymagań dotyczących wykrywania i naprawiania nieszczelności (LDAR) od momentu uchwalenia poprawki do ustawy o ochronie czystości powietrza z 1990 r. – Clean Air Act Amendment.
Krótkotrwała emisja niebezpiecznych substancji wpływa na najniższą warstwę ozonu, która jest głównym składnikiem smogu i powoduje choroby układu oddechowego – niektóre są uznawane za substancje rakotwórcze.
Faktycznie sam LDAR jest priorytetowym zadaniem dla urzędu ochrony środowiska (EPA). „Nieszczelne zawory, pompy i połączenia są największym źródłem emisji lotnych cząstek organicznych (VOCs) i lotnych niebezpiecznych substancji zanieczyszczających powietrze (VHAPs), które występują w rafineriach ropy naftowej i zakładach chemicznych. Spory zbiór przedmiotów źródłowych podlegających wymaganiom LDAR, a także wysoka ilość niezgodności przyczyniły się do kontynuowania przez EPA koncentracji na LDAR w latach 2008–2010 zgodnie ze strategią Air/Toxics.”
Monitoring zgodności z regulacjami i przepisami jest bardzo prostym procesem. Wymaga jednak zwrócenia znacznej uwagi na potencjalne tysiące poszczególnych związków chemicznych, na przygotowywanie i zarządzanie bazami danych, a także na generowanie wymaganych raportów. EPA zaleca dwie metody monitorowania emisji: obecnie stosowaną Metodę 21 – Określanie wycieku lotnych związków organicznych (M21), a także Alternatywne Praktyki Zawodowe wpływające na wykrywanie nieszczelności w urządzeniach (AWP), metodę zaprezentowaną w grudniu 2008 roku. Dodatkowo występują jeszcze trzy inne metody niezalecane przez EPA. Należą do nich: monitoring linii ogrodzenia, mobilne metody optyczne, a także analiza bilansu masy.
Metoda 21 jest wykorzystywana do zachowania zgodności z regulacjami EPA od co najmniej 20 lat. Wymaga, aby każdy regulowany związek chemiczny podlegał kontroli, a jego emisja była monitorowana w odstępach miesięcznych, kwartalnych lub rocznych. Analizatory oparów organicznych lub toksycznych służą do monitorowania powietrza w każdym możliwym punkcie, co w przypadku typowej fabryki chemicznej lub rafinerii oleju może oznaczać dziesiątki tysięcy miejsc.
Metoda 21 dostarcza wskazówki, według których należy użytkować narzędzia monitorujące. Podczas mierzenia wycieku dla zaworu w pierwszej kolejności musi być zmierzony poziom emisji otoczenia. Końcówka sondy ustawiana jest wtedy przy zaworze i stopniowo przesuwana dookoła jego obwodu (zdjęcie 1). Jeżeli sonda wykryje wzrost, należy wstrzymać jej ruch do czasu, gdy odczyty wrócą do stanu pierwotnego, po którym ruch zostaje wznowiony. Najwyższe wartości odczytu są odejmowane od otoczenia i zapisywane jako poziom nieszczelności – nazywane są również wartością badań przesiewowych. Ten proces jest powtarzany dla wszystkich zaworów, pomp, kołnierzy i innych połączeń. Metoda 21 dotyczy również kalibracji i utrzymania urządzeń monitorujących, których czułość pozwala na rejestrowanie emisji na poziomie pojedynczych części miliona.
Alternatywne praktyki zawodowe
Badania opublikowane przez American Petroleum Institute w 1997 r. wykazały, że mniej niż 5% składników odpowiada za 90% emisji niebezpiecznych związków do środowiska. Okazało się, że emisje osiągały wartość 10 tys. ppm lub nawet więcej – znacznie powyżej poziomu wykrywania nieszczelności, a także dopuszczalnych limitów.
W celu zapewnienia środków na szybkie wykrycie i zlikwidowanie przecieków EPA przyjęła Alternatywne praktyki zawodowe (AWP) jako opcję dla M21. Metoda AWP do wykrywania przecieków stosuje obrazowanie optyczne gazów, które jest zaawansowaną technologią wykorzystującą światło podczerwieni – tak jak w przypadku noktowizorów wojskowych. Do wykrywania emisji substancji niebezpiecznych wykorzystywane są ręczne kamery na podczerwień, których optyka i analizator zostały przestrojone na wykrywanie widma promieniowania węglowodorów VOC.
Jeżeli element jest nieszczelny, emisja przecieku absorbuje światło podczerwieni, które będzie widoczne jako czarny dym na wyświetlaczu. Ta technologia nie pozwala na określenie wielkości przecieku, dlatego też EPA wymaga przeprowadzenia corocznego badania za pomocą Metody 21 w celu zobrazowania związków chemicznych emitowanych w zakładzie i zgłoszenia ich do rejestru uwalniania substancji toksycznych. Nie można również wiarygodnie wykryć nieszczelności mniejszej niż 5000 ppm, chociaż najnowsza technologia umożliwia uzyskanie czułości na poziomie 2500 ppm. Kamery na podczerwień (które są dużo mniej czułe w porównaniu do analizatorów Metody 21) są stosowane w przypadku ograniczonego czasowo wykrywania małej ilości nieproporcjonalnie dużych przecieków zidentyfikowanych przez badania API.
Zakład planujący skorzystać z AWP musi zadeklarować swoje zamierzenia na piśmie i zachować dokumentację. Badania muszą być przeprowadzone co 30, 45 lub 90 dni, w zależności od wybranego poziomu czułości urządzeń monitorujących, który również musi być udokumentowany. Po naprawie emisja związku chemicznego musi być systematycznie kontrolowana, a wszystkie rejestracje dziennych badań i wyników monitoringu muszą być przechowywane przez kolejnych pięć lat.
Okazuje się, że przeprowadzanie od 6 do 12 badań AWP w ciągu roku jest równoważne zastosowaniu Metody 21 (od 1 do 4 razy w przypadku nieszczelności na poziomie 500 ppm). Obecnie jedynie kilka fabryk stosuje metodę AWP. Wynika to z faktu, że nie eliminuje ona potrzeby przeprowadzenia rocznego badania za pomocą Metody 21; może również wynikać z niechęci wprowadzenia bardziej szczegółowej kontroli.
Pomimo tego, że technologia IR jest powiązana z AWP, nie stosuje się jej do określania stopnia zgodności z przepisami. Natomiast jej wykorzystanie w celu wspierania wykrywania poziomu nieszczelności stale rośnie. Dla przykładu jeden z zakładów chemicznych od 5 lat wykorzystuje urządzenia IR do obrazowania wycieków gazu w celu uzupełnienia badań przeprowadzanych za pomocą Metody 21. Technologia ta jest częściowo użyteczna do monitorowania procesów jednostki przed uruchomieniem. Operatorzy używają kamer do wykrywania nieszczelności, kwalifikują integralność systemu i realizują proces płynnego uruchomienia.
Podsumowując, okazało się, że metoda AWP wykryje znacznie więcej nieszczelności w krótkim czasie w porównaniu do Metody 21. Z kolei Metoda 21 wykryje więcej przecieków na określonej powierzchni.
Pozostałe metody optyczne
Oprócz technologii IR na rynku dostępnych jest kilka innych metod optycznego monitoringu, które nie są uregulowane w przepisach. Spektroskopia w podczerwieni z transformatą Fouriera, ultrafiolet i laser optyczny są wykorzystywane w monitoringu linii ogrodzenia. Monitoring w technologii otwartej ścieżki wykorzystuje Różnicową Optyczną Spektroskopię Absorpcyjną (DOAS), za pomocą której wiązka światła o szerokim spektrum jest emitowana, a po przejściu przez analizowany ośrodek trafia do odbiornika i analizatora. Następnie przeprowadzona analiza pozwala na określenie wielkości strat światła na skutek absorpcji wzdłuż ścieżki pomiarowej. Te metody pozwalają na identyfikację typu i ilości cząstek zanieczyszczających powietrze mierzonych na odległość do 1000 m.
Jednym z wariantów wynikających z tych metod jest absorpcja różnicowa DIAL (Differential Absorption Light Detection And Ranging). Technika DIAL jest również wykorzystywana w samolotach w celu wykrywania wycieków z instalacji gazowych. Stosowanie kombinacji techniki IR, optyki laserów UV, razem z danymi meteorologicznymi i oprogramowaniem do ich analizy, umożliwia detekcję bardzo szerokiego zakresu związków chemicznych zanieczyszczających środowisko, a także określanie ich stężeń. Kraje skandynawskie wymagają przeprowadzania regularnych badań za pomocą tej metody.
Podczas gdy Metoda 21 jest wykorzystywana głównie do spełniania wymagań zgodności, AWP jest stosowana w celu wczesnego wykrycia przecieków. W czasie gdy przemysł stale inwestuje w technologie optyczne ( w tym również IR), korzyści wynikające z technologii AWP i przyrost wartości, jakie ona daje, stają się bardzo widoczne. Szybsze wykrywanie nieszczelności przyspiesza proces naprawy i redukuje emisję szkodliwych substancji do atmosfery, przez co zapewnia bezpieczne, zdrowsze i przyjazne dla środowiska miejsce pracy.
Artykuł pod redakcją Michała Piłata
Autor: Jim Drago
