本期主題:空氣污染

發行人 :高志明

總編輯 :習良孝

編輯主任委員 :習良孝

編輯副主任委員:丁力行

本期主編   :張能復

編輯工作小組:王志遠、曠永銓、

郭子豪、盧彥廷、張翰青、陳昶均、

林益正、葉珈綺、陳婉寧

105年11月

燃燒塔廢氣回收之空品改善效益檢討

郭子豪 / 環興科技股份有限公司 計畫主任
曠永銓 / 中興工程顧問股份有限公司 技術經理
戴忠良 / 行政院環保署空保處 高級環境技術師
黎揚輝 / 行政院環保署空保處 科長

摘要

  環保署自民國83年以來推動「天網計畫」,完善監測系統。自民國86年起,空氣品質不良污染物,以臭氧為主,並以高屏最差。由於高屏主要污染源設立於「天網計畫」之前,即使設有監測網也不易釐清主要貢獻項。六輕於民國89年投產,投產前後空品差異,適合作為石化業影響的個案研究對象。六輕投產後雲嘉南臭氧事件日增加,民國96年台西光化站觀測到高濃度乙烯、丙烯與臭氧同時發生,經污染溯源指向燃燒塔。環保署於100年2月1日修正發布「揮發性有機物空氣污染管制及排放標準」(「VOCs標準」)加嚴燃燒塔等項目,業者需於103年7月完成改善。本文統計管制前後空氣品質改善成效。

  雷達圖分析顯示,台西站丙烯以北北西方濃度最高,民國96年至104年約改善83%;小港站北方乙烯改善幅度57%。臭氧事件日時序分析顯示,民國87年六輕投產前雲嘉南臭氧事件日約8站-日/年,104年已降為1站-日/年,改善為二級防制區;而高屏空品區則由29站-日/年降為4站-日/年,由三級邁向二級。臭氧事件日議題自民國86年起迄今約有20年,環保署通過對六輕的個案研究,進行「VOCs標準」通盤檢討,石化業改善後,全國臭氧事件日議題得到整體解決,管制成效顯著。

一、前言

  環保署自民國83年以來推動「天網計畫」,在全台陸續設置了70多個一般空品監測站。自86年起,空氣品質不良站日數,臭氧高於懸浮微粒(PM10),為主要污染物,詳圖1,其中又以高屏空品區最差。於「天網計畫」設置之前,高屏受都會區及石化等重工業雙重排放影響,已持續多年。且臭氧非直接排放,主要為碳氫化合物及氮氧化物經光化學反應形成,污染不易釐清。

  六輕離島工業區,為雲嘉南地區惟一之石油煉製業,且產能全國最大。六輕於民國89年投產,因此投產前後雲嘉南空品的差異,足可作為石化業影響的個案研究對象。


圖1、歷年一般測站空品不良率變化圖

二、強化管制緣由

  依照台灣碩博士論文知識加值系統,摘錄我國臭氧及光化污染研究類型。針對天氣型態研究顯示(1),南高屏高臭氧事件伴隨之綜觀天氣系統有特定的類型(如高壓迴流等),綜觀風場具有較大的東風分量。軌跡模式(2)研究顯示高屏高臭氧濃度有測站差異,沿海測站為海洋型軌跡且經過NOx-limited區域,內陸測站為陸地型軌跡且經過NMHC-limited區域。網格模式(3~4)研究以排放清單模擬污染源貢獻並探討可行減量對策,研究顯示中部、高屏空品區達成臭氧二級防制區,NMHC要分別減量6.4%及35%之多 (5~6)。上述研究假設污染源為常態排放,臭氧事件日受天氣型態影響。其中,由於燃燒塔為開放式燃燒,傳統排放管道的檢測方式並無法直接量測,多以設計條件認定,其排放係數對應之VOCs削減率達98%~99.96%,排放量幾可忽略,也沒有排放時間解析度。

  自2000年(民國89年)起,針對美國德州休士頓地區研究顯示,石化業排放HRVOCs(高反應性VOCs,尤其是乙烯、丙烯)會造成臭氧濃度快速增加。Allen等(2004) (7)於德州休士頓地區研究單一污染源發生排放事件日排放可高於年平均10-1000倍。雖然單一污染源發生頻率不高,但因污染源眾多,排放量的變異性顯著。

  為監測臭氧前驅物趨勢變化,環保署於民國96年搬遷3座光化站至雲嘉南地區。其中台西站於民國96年5月7日~10日丙烯濃度高達926ppbC,遠高於平常的個位數,同時段臭氧濃度達197ppb超過標準(詳圖2),中部雲嘉南地區多起測站臭氧超標。研究單位展開污染溯源,並以光學遙測、繫留氣球(8~9)量測確認燃燒塔對VOCs削減率不佳。


圖2、96/5/7~10台西站丙烯與臭氧逐時濃度時間序列

三、強化管制歷程

  通過對六輕等個案的研究,環保署進行法規通盤的檢討。於民國97年研擬「VOCs標準」草案,並於100年2月1日修正發布(10),加強石化業各項污染源管制。其中以燃燒塔改善難度較高,生效期最晚為103年7月。法規規定正常操作下排放之廢氣,不得使用廢氣燃燒塔處理。遇緊急狀況等使用事件,須通報、監測,並提送報告書等。簡言之,生效前燃燒塔被視為污染防制設備,而常態使用;修正後則視為工安設備,僅能用於緊急等狀況。

  法規修訂過程曾參考美國石化業管制先驅,加州之經驗(11~12)。民國96年國內4家石油煉製業者燃燒塔廢氣量平均為1.10百萬m3-廢氣量/百萬桶-煉量。同時期美國南、北加州已針對燃燒塔進行管制,業者裝設廢氣回收系統,回收常態排放後,廢氣量約為0.07~0.23百萬m3-廢氣量/百萬桶-煉量(13~14),低於我國80~94%(如圖3)。

四、管制成效分析

  為探討環保署管制前後空品之差異,以石化業排放之乙丙烯,以及其衍生的臭氧,進行空氣品質的空間及時序分析,說明如下:

(一) 石化工業區對光化站乙丙烯濃度之影響

  國內石化工業區主要集中在雲林縣及高雄市等,整理雲林縣丙烯及高雄市光化站乙烯歷年平均雷達圖,如圖4。台西站丙烯濃度指向離島工業區,以北北西方最高;高雄市光化站乙烯濃度指向仁大及林園工業區,以橋頭站東南方及小港站北方較高。若以民國96年為基準年,至104年止,台西站北北西方丙烯約改善83%,橋頭站東南方乙烯約改善19%,小港站北方乙烯則改善57%。雷達圖雖可指出污染來向及改善幅度,但缺風向頻率資料,如104年台西站北北西方發生頻率約1.8%,橋頭站東南方則約2.6%,對兩光化站而言,污染源皆非主要風向方向。


圖3、96年國內外單位煉油量之燃燒塔進廢氣量比較

圖4、雲林縣及高雄市光化站歷年乙丙烯雷達圖

(二) 光化站受石化業影響指標變化趨勢

  由於移動源也會排放乙丙烯,為了區別石化業之影響,學者研擬VOCs物種中之移動源指標。環保署(15)研究顯示乙炔為移動源燃燒廢氣之指標,其具有固定源貢獻少、濃度夠高不易受干擾、光化反應性較低等特性;Sue等(2016)(16)以乙烯/乙炔>3、丙烯/乙炔>1.5為指標比值,探討六輕對台西站之影響。

  國內光化站中,以萬華站受移動源影響較大,分析其乙烯/乙炔、丙烯/乙炔數據顯示,在常態分布六個標準差內,乙烯/乙炔、丙烯/乙炔之比值為3及2.3。假設超過此比值者,視為受到石化業之影響,統計歷年受影響比例如圖5~6。

  圖5顯示台西站及小港站乙烯受石化業影響較高,與國內石化業分布一致。位於都會區之萬華站及忠明站該數據皆接近於0,顯示指標確能鑑別石化業之影響。台西站乙烯、丙烯分別由民國99年之17%、9%改善至104年之7%、7%。小港站乙烯、丙烯分別由99年之24%、14%改善至104年之15%、8%,改善顯著。

(三) 石化業產能與空品區臭氧事件日數時序趨勢分析

  整理石化業產能與空品區臭氧事件日數時序趨勢分析,如圖7。民國89年起六輕投產,其乙烯產能逐步增加,至96年產能穩定前,雲嘉南臭氧事件日亦逐年增加。自96年發現台西光化站異常數據,97年研擬「VOCs標準」修正草案,100年修正發布,此期間要求六輕自主管理,不論雲嘉南及高屏臭氧事件日都有顯著改善。

  民國100年至103年間,數據變動幅度不大,雲嘉南、高屏約為2、10站-日/年,高屏似受到在地污染源之影響。103年7月起燃燒塔管制規定生效,高屏業者改善完成後,高屏空品區臭氧再次改善。104年雲嘉南、高屏為1、4站-日/年,優於六輕投產前(87年)水準。


圖5、光化站歷年乙烯受石化業影響比例趨勢

圖6、光化站歷年丙烯受石化業影響比例趨勢

圖7、石化業產能與空品區臭氧事件日數時序趨勢分析

(四) 臭氧前驅物NMHC濃度變化

  依據環保署空品監測年報(17),整理NMHC年平均濃度與空品區臭氧事件日數時序趨勢如圖8。數據顯示NMHC自民國92年起逐年改善,亦為臭氧改善原因之一;104年改善幅度較大,似為燃燒塔改善之影響;另92~95年濃度降低與臭氧事件日增加趨勢並不相同,顯示改善燃燒塔高反應性VOCs排放,效果似較整體性改善為佳。

(五)各級空氣污染防制區

  空氣污染防制法第五條規定:「中央主管機關應視土地用途對於空氣品質之需求或空氣品質狀況劃定直轄市、縣(市)各級防制區並公告之。」,其中二級及三級防制區分別代表符合及不符合空氣品質標準的區域,以臭氧事件日8站-日/年或佔比2%為閥值。民國99年五都改制後公告之臭氧空氣污染防制區(18)如圖9,台中市以南(彰化縣除外)均為臭氧三級防制區。105年修正發布顯示,僅高屏為三級防制區。

  另統計台灣西部地區近年一般站臭氧事件日年平均站日數如圖10,近年以高屏空品區較差,並於104年起有顯著改善,105年約與104年相近,顯示為實質改善而非氣象條件之影響。目前約為4站-日/年,將逐步邁向二級防制區。


圖8、NMHC年平均濃度與空品區臭氧事件日數時序趨勢分析

圖9、我國臭氧各級空氣污染防制區

圖10、台灣西部地區近年一般站臭氧事件日年平均站日數

五、結論與建議

  自民國86年起,臭氧為造成空氣品質不良主要污染物,迄今約有20年。環保署通過對六輕的個案研究,進行「VOCs標準」通盤檢討,至民國103年7月燃燒塔管制生效以來,臭氧事件日僅剩零星個案,管制成效非常顯著。目前燃燒塔已無常態排放,但歲修排放仍可能對空氣品質造成影響,尤其是輕油裂解、聚乙烯、聚丙烯等製程。環保署將持續要求業者優化歲修操作,精進管制。

參考文獻

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 http://www.aqmd.gov/home/regulations/compliance/r1118

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 http://www.baaqmd.gov/plans-and-climate/emissions-minimization-plans/flare-
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16.Yuan-Chang Su, Sheng-Po Chen, Yu-Huei Tong, Chen-Lun Fan, Wei-Hao Chen,
 Jia-Lin Wang , Julius S. Chang , Assessment of regional influence from a petrochemical
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 Atmospheric Environment 141 (2016) 394-407

17.環保署,空氣品質監測年報

18.環保署, 直轄市、縣(市)各級空氣污染防制區