메탄의 잘못된 방향

Zeeco 미국의 Jim Stamm은 메탄이 있는 상태에서 탄화수소 배출량의 정확한 측정을 탐구했습니다.

미국의 Clean Air Act는 연방 규정 코드 (40CFR60)의 제목 40, Part 60에 따라 여러 산업별 규정을 만들었습니다. 이러한 규정은 NSPS(New Source Performance Standards)라고 하며 정유 공장에서 매립지에 이르기까지 다양한 산업에 영향을 미칩니다. 하위 파트 XX는 특히 벌크 가솔린 터미널의 성능과 배출을 다룹니다. Subpart XX의 규정은 증기 처리 시스템이 서브 파트의 배출 표준을 처음 준수해야한다는 것을 어떻게 입증해야하는지 규정합니다.

배출량 모니터링

NSPS 규정에는 초기 테스트가 완료되면 터미널이 성능을 모니터링하고 규정 준수를 표시해야 하는 방법을 설명하는 다른 부분이 있습니다. NSPS 규정 준수 시스템의 핵심은 종종 연속 배출 모니터링 시스템 (CEMS)이라고하는 연속 모니터링 시스템입니다. 배출원의 배출량을 정확하게 측정 한 다음 영구적 인 기록을 작성하는 것이 CEMS의 임무입니다. 시설이 규정을 준수하는 경우 CEMS는 배출이 특정 현장의 배출 기준보다 낮거나 낮았음을 보여줍니다.

터미널 수준에서 CEMS의 소유자와 운영자는 시설의 규정 준수를 적절하게 관리하기 위해 NSPS 규정에 명시된 CEMS의 요구 사항을 잘 알고 있어야 합니다. 적용 가능한 요구 사항은 NSPS의 다음 섹션에서 찾을 수 있습니다.

• 성능 사양 8 (부록 B)
• 품질 보증 절차(부록 F)
• 분석 테스트 방법 (부록 A)
• 일반 조항 (40CFR60.13)

• NDIR은 다음과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다.
• 산업 환경에서 잘 작동합니다.
• 낮은 전력 소비
• 날씨에 악영향을 받지 않음
• 수소와 같은 보충 가스가 필요하지 않습니다.

NDIR 기술은 특정 화학 물질 또는 화학 물질 그룹을 포함하는 가스가 존재하는 화학 물질의 농도에 따라 빛의 비율을 흡착한다는 원칙에 따라 작동합니다. 이러한 전제를 사용하여, NDIR 분석기는 실시간으로 화학물질의 농도를 정확하게 측정하도록 설정되고 교정될 수 있다. NDIR은 여러 응용 분야에서 사용될 수 있지만, 가솔린 증기에서 일반적으로 발견되는 알칸 (직쇄 탄화수소)을 측정하는 데 특히 적합합니다.

NDIR 분석기는 수년 동안 벌크 연료 터미널의 CEMS에 사용되어 왔으며 배출을 모니터링하는 신뢰할 수있는 수단으로 입증되었습니다. NDIR 분석기는 증기 또는 가스 샘플을 통해 특정 파장의 적외선을 비추어 방출을 측정 한 다음 흡수 된 빛의 양을 측정함으로써 EPA 테스트 방법 25B를 효과적으로 따릅니다. 표적 화합물의 농도가 높을수록 더 많은 빛이 흡수됩니다. 이 방법 하에서, 분석기는 표준으로서 프로판 또는 부탄으로 교정될 수 있다. 이 방법으로 두 가스 중 하나가 허용되지만 대부분의 시설에서는 프로판을 사용합니다. 교정 가스 유형을 선택하면 모든 배출이 측정되고 교정 가스와 동등한 것으로 표현됩니다 (예 : 프로판으로 교정 될 때 방출은 프로판과 동등한 것으로 표시됩니다). NDIR 분석기가 장착된 CEMS를 사용하여 터미널은 수년 동안 규정 준수를 모니터링하고 문서화할 수 있었습니다.

NSPS 규정은 적절한 모니터링 장치를 지정할 뿐만 아니라 CEMS 및 해당 모니터가 올바르게 작동하는지 확인하는 데 필요한 프로그램을 정의합니다. 두 가지 중요한 품질 측정은 다음과 같습니다.

• 일일 스팬 또는 드리프트 검사
• 상대적 정확도 테스트

일일 스팬 검사에는 알려진 값의 가스를 NDIR 분석기에 도입하고 가스를 정확하게 식별하기 위한 특정 요구 사항을 충족하는지 확인하는 작업이 포함됩니다. 드리프트 검사 요구 사항은 NSPS 규정의 부록 F에서 제시되고 논의됩니다.

상대적 정확도 테스트는 더 많이 관여하며 CEMS와 자체 품질 측정을 충족하는 것으로 입증 된 두 번째 기준 분석기를 사용하여 증기 처리 시스템의 방출을 측정하는 것으로 구성됩니다. 상대적 정확도 테스트는 감사라고도 하며 RATA(상대 정확도 테스트 감사)라고도 합니다. RATA는 터미널에서 정상 작동 중에 발생하며 CEMS와 기준 분석기가 동시에 데이터를 수집해야 합니다. 그런 다음 두 분석기의 데이터를 비교하여 두 분석기의 데이터가 통계적으로 동일한지 확인합니다. 실제 계산은 40CFR60 부록 F에 나와 있습니다.

메탄

최근 RATA 테스트의 성능에 영향을 미친 한 가지 중요한 변화는 벌크 로딩 터미널에서 형성된 가솔린 증기에 메탄 (_CH4 )이 존재한다는 것입니다. 메탄은 EPA가 환경 규제에서 VOC로 분류하지 않기로 선택한 단일 탄소 유기 화합물입니다. 메탄은 가솔린 또는 기타 연료를 적재하거나 운송하는 과정에서 생성되거나 생성되지 않습니다. 터미널에서 메탄을 배출하는 것은 그 자체로 문제가되지 않습니다. 그러나 메탄의 존재는 CEMS에 의한 VOC의 정확한 측정에 문제를 일으킨다. FID나 NDIR 분석기는 메탄과 프로판이나 부탄과 같은 다른 VOC를 구별할 능력이 없습니다. 특히, 표준 NDIR 분석기는 메탄 대 프로판을 분석하는 데 사용되는 빛의 파장이 겹치기 때문에 이러한 상황에서 이전에 어려움을 겪어 왔습니다.

프로판은 3.3 μm 적외선 광원을 사용하여 측정된다. 메탄은 3.2 – 3.5 μm 적외선 광원을 사용하여 측정됩니다(그림 1). 두 화학 물질의 흡광도 특성이 약간 겹치면 메탄이 다성분 스트림에서 프로판으로 '보이는'됩니다. 안으로 Zeeco테스트 및 현장에서 다른 NDIR 분석기와 함께 일한 경험, 가스 스트림에 존재하는 메탄의 약 7-10 %는 프로판으로 잘못 측정됩니다. 이러한 불일치는 10 % 메탄을 함유 한 배출 스트림이 증기 처리 장치에서 배출되는 배출량의 0.7 - 1 % (프로판으로 표시됨)를 추가로 보여주기 때문에 중요합니다. 10mg/l 이하에서 작동하는 일반적인 증기 처리 장치는 0.75%(프로판)의 배출 제한을 갖습니다. 배출의 0.7 – 1%를 추가하면 실제로 규정 준수 내에서 작동하는 장치가 장치의 배출 한계 이상으로 읽히는 배출 데이터를 게시하게 됩니다. 실시간 규정 준수 영향 외에도 추가 방출로 인해 CEMS가 RATA 테스트에도 실패하게됩니다.

그림 1. 프로판 (파란색) 대 메탄 (빨간색) 적외선 흡수, 겹치는 측정의 영역을 보여줍니다.

이 Zeeco 테스트 그룹은 이러한 시나리오의 실제 사례를 접했습니다. 예를 들어, 미국 동부 해안에서 운영되는 대형 연료 터미널은 메탄의 존재로 인해 상대적 정확도 테스트에 실패했습니다 (때로는 10 - 15 %만큼 높음). 미국 서부의 또 다른 터미널은 연료 터미널에 나타나기 시작한 유사한 농도의 메탄으로 인해 로딩 시스템이 여러 번 중단되기 시작했습니다. 두 터미널 모두 터미널에 존재하는 메탄을 배제하면서 배출량을 정확하게 측정하는 어려운 작업에 직면했습니다.

그림 2. Zeeco 현장 테스트 중 대량 연료 트레일러에 누출이 있는지 확인하는 기술자.

그림 3. 메탄이있는 상태에서 RATA 테스트를 위해 장착 된 모바일 테스트 실험실.

제외 분석기

최근까지, 메탄은 가스 크로마토그래프(EPA 방법 18 사용)를 사용하여 다성분 증기 스트림으로부터 분리될 수 있었다. 이제 NDIR 분석기에는 새로운 기술이 존재하며, 이는 일부 분석기가 증기 처리 스트림에서 배출되는 메탄을 일관되고 정확하게 배제 할 수 있음을 의미합니다. 이러한 메탄 배제 분석기를 통해 터미널은 실시간으로 비메탄 VOC를 정확하게 측정할 수 있습니다.

메탄 배제 분석기는 일반적으로 총 탄화수소와 메탄을 모두 측정하도록 설정됩니다. 그런 다음 분석기는 총 탄화수소 측정에서 메탄 성분을 분리하는 방법을 사용하여 비 메탄 탄화수소를 정확하게 측정합니다. 적어도 한 분석기 제조업체는 EPA에 기술이 잘 작동하고 CEMS에 사용되는 분석기에 대한 품질 목표를 충족시킬 것임을 입증하기 위해 상당한 시간과 노력을 투자했습니다.

교훈

경험있는 시험 그룹 Zeeco 벤치 레벨뿐만 아니라 미국의 50 활성 연료 터미널에서 메탄 배제 분석기와 협력 할 수있는 기회를 가졌습니다. 이 회사는 또한 테스트 등급 분석기에 동일한 기술을 사용하여 동일한 터미널의 많은 곳에서 성능 테스트를 완료했습니다. 이 프로젝트를 완료하면서이 회사의 증기 서비스 전문가들은 모든 터미널에서 메탄 배제 분석기를 사용하는 데 적용되는 몇 가지 중요한 교훈을 배웠습니다.

첫째, 분석기의 각 채널은 질소에서 표적 분석물의 적절한 혼합물로 교정되어야 한다. 비-메탄 탄화수소 또는 총 탄화수소 채널은 질소에서 프로판 (또는 부탄)의 적절한 혼합물로 교정되고 시험될 것이다. 그런 다음 메탄 채널은 질소에서 메탄의 적절한 혼합물로 교정되고 테스트됩니다. 이것은 직관적으로 보일지 모르지만 Zeeco 연구팀은 프로판과 메탄의 혼합물이 들어있는 병이 교정 가스로 사용되는 여러 가지 상황을 보았습니다. 혼합 된 병은 분석기의 분리 메커니즘이 올바르게 작동하고 있음을 입증한다는 점에서 중요한 목적을 수행합니다. 그러나 혼합 가스 (프로판 및 메탄) 병을 사용하여 전체 탄화수소 채널을 교정하면 '실생활'에서와 동일한 오류가 중복됩니다. 분석기의 총 탄화수소 채널은 메탄의 7 - 10 %를 프로판으로 판독하며, 그 오류로 인해 가스에서 프로판의 실제 값보다 높게 보정됩니다.

둘째, 교정이 완료된 후, 프로판과 메탄의 혼합물을 사용하면 분석기가 다성분 상황에서 메탄과 프로판을 정확하게 볼 수 있고 허용 가능한 허용 오차 범위 내에서 정확하게 볼 수 있음을 증명할 수 있습니다. 규제 기관은 종종 메탄과 비 메탄 탄화수소의 정확하고 정확한 분리에 대한 시연을보기 위해 요청합니다. 또한 질소에서 프로판과 메탄의 혼합물을 사용하여 40CFR 60 성능 사양 (PS) 8 및 부록 F에서 논의 된 바와 같이 일일 드리프트 검사를 완료하는 것도 합리적입니다. 앞서 언급한 바와 같이, 혼합 가스의 사용은 전체 탄화수소 채널로의 가능한 오차 도입으로 인해 교정을 위해 권장되지 않는다.

마지막으로, CEMS의 일부로 메탄 배제를 사용하는 시설에서 성능 테스트 또는 RATA 테스트를 위해 메탄 배제 스타일 분석기를 사용하는 것이 중요합니다. 상대적 정확도 테스트의 목적은 CEMS의 결과를 유사한 분석기의 결과와 비교하는 것입니다. PS 8은 기준 방법 테스트가 소스로부터의 배출을 대표하고 CEMS 데이터와 상호 연관 될 수있는 결과를 생성하는 방식으로 완료되어야한다고 말합니다. Zeeco이 진술에 대한 해석은 특정 시스템을 테스트하기 위해 현물과 같은 분석기를 사용해야한다는 것입니다.

결론

메탄의 존재는 터미널이 현장의 공기 허가 준수를 입증하는 방법에 어려움을 초래할 수 있습니다. 규제 요구 사항, 분석기 기술 및 모범 사례를 이해하면 터미널에서의 규정 준수가 달성 가능한 목표가됩니다.