粗苯固定頂儲罐揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放強(qiáng)度核算研究

尉中偉， 王 浩

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009)

粗苯固定頂儲罐揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放強(qiáng)度核算研究

尉中偉， 王 浩

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009)

基于近期開展的山西省重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物摸底調(diào)查工作中獲得的基礎(chǔ)調(diào)查資料，結(jié)合《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》中的核算方法、粗苯固定頂儲罐類型及當(dāng)?shù)貧夂驐l件，分別得出單個(gè)儲罐年排放量。通過相關(guān)性分析及回歸分析等手段，從儲罐靜置儲藏?fù)p失與工作損失兩方面入手，最終得出粗苯儲罐VOCs排放源強(qiáng)的簡化核算方法。

揮發(fā)性有機(jī)物;固定頂儲罐;粗苯;核算方法

1 研究背景

1.1 VOCs定義及危害

目前，國內(nèi)尚無統(tǒng)一官方VOCs(揮發(fā)性有機(jī)物)定義。本次工作使用《大氣揮發(fā)性有機(jī)物源排放清單編制技術(shù)指南》［1］中的定義:“揮發(fā)性有機(jī)物指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下飽和蒸汽壓較高(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大于13.33 Pa)、沸點(diǎn)較低、分子量小、常溫狀態(tài)下易揮發(fā)的有機(jī)化合物。本指南適用的揮發(fā)性有機(jī)物包括烷烴、烯烴、芳香烴、炔烴的C2～C12非甲烷碳?xì)浠衔铮?、酮、醇、醚、酯、酚等C1～C10含氧有機(jī)物，鹵代烴，含氮有機(jī)化合物，含硫有機(jī)化合物等幾類152種化合物?！痹摱x對于VOCs物質(zhì)范圍的邊界進(jìn)行了較為明確的說明，便于后續(xù)工作開展。

VOCs種類較多，一般具有較強(qiáng)的刺激性和毒性，部分種類具有“三致”作用，相當(dāng)一部分種類在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中存在很高的安全隱患。鹵代烴類VOCs可破壞臭氧層，引起溫室效應(yīng)等全球性環(huán)境問題。最近幾年，我國多地在冬季出現(xiàn)了持續(xù)的嚴(yán)重霧霾天氣，VOCs作為PM2.5的先導(dǎo)因子之一，對民眾生活、身心健康產(chǎn)生了巨大危害?？傊琕OCs的排放對人體和生物健康生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生了極大的影響［2］。

1.2 焦化行業(yè)相關(guān)情況

焦化行業(yè)是山西省的支柱產(chǎn)業(yè)之一，據(jù)《山西省焦化行業(yè)兼并重組的指導(dǎo)意見》要求，到2015年，山西省焦炭實(shí)際產(chǎn)能約1.2億t［3］。而粗苯作為焦化行業(yè)的重要化學(xué)產(chǎn)品，年產(chǎn)能約為120萬t。企業(yè)生產(chǎn)的粗苯需在儲罐中儲存，粗苯中的部分揮發(fā)性有機(jī)物會在儲存過程中逸散到空氣中。對全省粗苯儲罐揮發(fā)性有機(jī)物排放量進(jìn)行核算，獲得排放總量水平，將對后續(xù)揮發(fā)性有機(jī)物管控工作有著至關(guān)重要的意義。

1.3 粗苯儲罐排放強(qiáng)度研究意義

固定頂儲罐排放的VOCs分為2部分:靜置儲藏?fù)p失(小呼吸)和工作損失(大呼吸)。其中，靜置儲藏?fù)p失與當(dāng)?shù)貧鉁?、光照?qiáng)度、儲罐尺寸及顏色、儲存物料種類等因素有一定關(guān)系;工作損失與儲存物料種類、儲罐尺寸、年周轉(zhuǎn)量等因素有一定關(guān)系。

對于山西省而言，各地市年均溫度差異較大，總體介于4℃ ～14℃，呈現(xiàn)南高北低的氣溫分布趨勢。同時(shí)，氣溫的分布也受到地勢的影響。省境中部的東西山區(qū)和北部大同盆地區(qū)，年均溫在8℃以下。其中，晉北地區(qū)4℃ ～6℃，中高山區(qū)4℃以下。忻州、太原、晉西北黃河沿岸以及陽泉、長治、晉城等大部分地區(qū)為8℃ ～10℃。臨汾、運(yùn)城等地包括中條山以南的河谷地帶，由于海拔和緯度均為全省最低，年均溫達(dá)12℃ ～14℃［4］。不同地市的光照強(qiáng)度也有所不同。劉振宇、馮華、楊仁剛等［5］研究指出，山西省各地區(qū)平均日輻射量最低的是大同市［17.81 MJ/(m2·d)］，最高的是運(yùn)城市［19.83 MJ/(m2·d)］。由此可見，由于山西省各區(qū)域氣候條件存在差異，不宜針對全省制定粗苯儲罐排放系數(shù)，完全依據(jù)區(qū)域氣候條件制定缺乏可操作性，故建議分地市制定排放系數(shù)。

本次研究工作所參考學(xué)習(xí)的核算方法包括，北京市VOCs排污收費(fèi)儲油罐核算方法［6］、臺灣VOCs排放系數(shù)及核算方法［7］和《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》［8］中關(guān)于儲罐的核算方法。這些方法存在下列不足之處:首先，對于地下儲罐，由于地下土層的絕緣作用，晝夜溫差的變化對臥式罐沒有產(chǎn)生太大影響，一般可以認(rèn)為靜置儲藏?fù)p失為0［8］。而北京和臺灣的核算方法并未區(qū)分靜置儲藏?fù)p失與工作損失。其次，《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》中的核算方法適用于單一儲罐排放量的核算，該法較為復(fù)雜，需要的基礎(chǔ)參數(shù)較多，不適合大面積推廣估算應(yīng)用。所以，有必要建立一套適合山西省使用的、由靜置儲藏?fù)p失與工作損失2部分組成的簡易核算體系，并保證一定準(zhǔn)確率的同時(shí)簡化核算方法。

2 工作過程

2.1 調(diào)查內(nèi)容

本文選取了在山西省重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物摸底調(diào)查工作中某市19家煉焦企業(yè)的22種不同尺寸和工作條件的粗苯固定頂儲罐為研究對象。調(diào)查儲罐相關(guān)參數(shù)包括，儲罐類型、儲存物料名稱、使用天數(shù)、罐體顏色、容積、直徑、罐體高度、呼吸閥壓力設(shè)定、呼吸閥真空設(shè)定、年均液體高度、年周轉(zhuǎn)量等，調(diào)查基準(zhǔn)年為2015年。具體情況詳見表1。

核算采用《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》中參考美國環(huán)保署發(fā)布的AP－42中的評價(jià)公式、以我國儲罐為基準(zhǔn)、結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度及日照強(qiáng)度等氣象參數(shù)的計(jì)算方法［8］。

2.2 分析工具

基礎(chǔ)計(jì)算采用EXCEL2010，非線性曲線擬合采用OriginPro 7.5，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19進(jìn)行。

表1 山西省某市粗苯固定頂儲罐調(diào)查結(jié)果匯總

2.3 核算過程

固定頂儲罐的總排放(LT)由靜置儲藏?fù)p失(LS)和工作損失(LW)2部分組成，計(jì)算公式如式(1)～(3)。由于公式計(jì)算要求，式中參數(shù)需要換算為美制單位，各參數(shù)由調(diào)研所得儲罐參數(shù)計(jì)算而來。

式中:LS為靜置儲藏?fù)p失，lb/a;LW為工作損失，lb/a; VV為氣相空間容積，ft3;WV為儲藏氣相密度，lb/ft3;KE為氣相空間膨脹因子，無量綱;KS為排放蒸汽飽和因子，無量綱;MV為氣相相對分子質(zhì)量，lb/lb－mol; PVA為真實(shí)蒸汽壓，psia;Q為年周轉(zhuǎn)量，bbl/a;KN為工作排放周轉(zhuǎn)因子，無量綱;KP為工作損耗產(chǎn)品因子，無量綱;KB為呼吸閥工作校正因子，無量綱。

2.3.1 靜置儲藏?fù)p失核算

對于靜置儲藏?fù)p失，結(jié)合某市粗苯儲罐及氣候特征，可將公式簡化為式(4)，同時(shí)將參數(shù)換算為國際標(biāo)準(zhǔn)單位。

式中:LS為靜置儲藏?fù)p失，t/a;D為儲罐直徑，m;H△為罐體高度與年均液體高度差值，m;K為罐漆太陽能吸收率與當(dāng)?shù)靥栞椛鋸?qiáng)度的乘積，MJ·m－2· d－1。

式(4)能夠較為準(zhǔn)確地簡化該市粗苯固定頂儲罐靜置儲藏?fù)p失的量，通過OriginPro 7.5軟件非線性曲線擬合后，可以使相關(guān)度達(dá)到0.999 98。但是，所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較多，為了簡化計(jì)算過程，并且盡可能使計(jì)算結(jié)果接近核算值，將儲罐直徑、罐體高度與年均液體高度差值、罐漆太陽能吸收率與當(dāng)?shù)靥栞椛鋸?qiáng)度的乘積分別與儲罐靜置儲藏?fù)p失進(jìn)行相關(guān)性分析，得出如表2所示結(jié)果。

表2 儲罐靜置儲藏?fù)p失與相應(yīng)參數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果

表2表明，儲罐直徑與儲罐靜置儲藏?fù)p失呈顯著相關(guān)，其余2項(xiàng)參數(shù)與儲罐靜置儲藏?fù)p失非顯著相關(guān)。為達(dá)到簡化計(jì)算過程且保證一定準(zhǔn)確率的目的，將儲罐直徑與靜置儲藏?fù)p失進(jìn)行回歸擬合。擬合結(jié)果如圖1所示，回歸方程為y=－0.001 8x3+ 0.048 8x2－0.145x+0.177 3(R2=0.801 4)。

圖1 儲罐容積與年靜置損失關(guān)系圖

2.3.2 工作損失核算

與儲罐工作損失關(guān)系密切的幾個(gè)參數(shù)分別是年周轉(zhuǎn)量(Q)、工作排放周轉(zhuǎn)(飽和)因子(KN)和呼吸閥工作校正因子(KB)。其中，工作排放周轉(zhuǎn)(飽和)因子(KN)與周轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，具體核算過程見式(5)～(7)。由于公式計(jì)算要求，式中參數(shù)需要換算為美制單位。

式中:N為周轉(zhuǎn)數(shù);Q為年周轉(zhuǎn)量，bbl/a;V為儲罐最大儲存容積，如果最大儲存容積未知，取公稱容積的0.85倍，bbl。

分別將年周轉(zhuǎn)量(Q)、工作排放周轉(zhuǎn)(飽和)因子(KN)和呼吸閥工作校正因子(KB)與儲罐工作損失(Lw)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

表3表明，年周轉(zhuǎn)量、工作排放周轉(zhuǎn)(飽和)因子與儲罐工作損失顯著相關(guān)，而且年周轉(zhuǎn)量在0.01水平顯著相關(guān)。分別將年周轉(zhuǎn)量、工作排放周轉(zhuǎn)(飽和)因子與儲罐工作損失進(jìn)行回歸分析，得出圖2、圖3結(jié)果，其回歸方程分別為y=0.000 5x+0.233 2(R2=0.968 5)、y=142.04x2－267.17x+126.99 (R2=0.345)?？梢?，使用年周轉(zhuǎn)量與儲罐工作損失的回歸方程更能體現(xiàn)儲罐實(shí)際工作排放情況。

表3 儲罐工作損失與相應(yīng)參數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果

圖2 儲罐年周轉(zhuǎn)量與年工作損失關(guān)系圖

圖3 工作排放周轉(zhuǎn)(飽和)因子與年工作損失關(guān)系圖

3 核算過程中存在的問題

煉焦產(chǎn)業(yè)的化學(xué)產(chǎn)品主要包括焦?fàn)t氣、粗苯和煤焦油。其中，需要關(guān)注粗苯、煤焦油儲罐的排放情況。但是，由于粗苯、煤焦油的密度、摩爾質(zhì)量、蒸汽壓等參數(shù)并非定值，若做到“一罐一測”需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，所以，目前采用的是《煉焦化產(chǎn)理化常數(shù)》［9］中參數(shù)進(jìn)行核算，并沒有體現(xiàn)不同粗苯物化性質(zhì)的差異。

4 結(jié)論

1)對山西省某市粗苯固定頂儲罐的VOCs排放核算及后期的統(tǒng)計(jì)、回歸分析可知，可以將核算結(jié)果簡化。簡化結(jié)果如式(8)～(10)。

式中:LT為儲罐總排放，t/a;LS為靜置儲藏?fù)p失，t/a;D為儲罐直徑，m;LW為工作損失，t/a;Q為年周轉(zhuǎn)量，t/a。

2)儲罐周轉(zhuǎn)量、儲罐尺寸與VOCs排放量呈正相關(guān)關(guān)系。其余因素對于排放量大小均有一定影響，但影響程度較弱。

［1］環(huán)境保護(hù)部.大氣揮發(fā)性有機(jī)物源排放清單編制技術(shù)指南(試行)［EB/OL］.http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bgg/201408/W020140828351293705457.pdf，2014－08－20/2016－08－02.

［2］ 王鐵宇，李奇鋒，呂永龍.我國VOCs的排放特征及控制對策研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，34(12):4756－4763.

［3］山西省人民政府.關(guān)于印發(fā)山西省焦化行業(yè)兼并重組實(shí)施方案的通知［J］.山西省人民政府公報(bào)，2012(9): 24－28.

［4］王華芳.山西省旅游氣候舒適度分析與評價(jià)研究［D］.太原:山西大學(xué)，2007.

［5］劉振宇，馮華，楊仁剛.山西不同地區(qū)太陽輻射量及最佳傾角分析［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011(3):272－276.

［6］北京市環(huán)境保護(hù)局.北京市環(huán)境保護(hù)局關(guān)于印發(fā)《揮發(fā)性有機(jī)物排污費(fèi)征收細(xì)則》的通知［EB/OL］.http://www. bjepb. gov. cn/bjepb/413526/413560/ 413590/414960/4381311/index.html，2015－12－04/ 2016－08－01.

［7］臺灣環(huán)境保護(hù)署，空氣污染物排放量推估手冊［EB/ OL］.http://mommath.cy1000.com.tw/air－ei/new_ main2－0.htm，2010－02－06/2016－08－01.

［8］ 環(huán)境保護(hù)部辦公廳.關(guān)于印發(fā)《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》及《石化企業(yè)泄漏檢測與修復(fù)工作指南》的通知.［EB/OL］.http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bgt/201511/t20151124_317577.htm，2015－11－18/2016－08－01.

［9］煉焦化產(chǎn)理化常數(shù)編寫組.煉焦化產(chǎn)理化常數(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1980:38－39.

Study on volatile organic compounds(VOCs)emission intensity of crude benzol fixed roof tank

YU Zhongwei，WANG Hao

(Shanxi Ecological Environment Research Center，Taiyuan Shanxi 030009，China)

Based on the survey data from the recent investigation of volatile organic compounds in Shanxi key industries，combined with the accounting methods from the Petrochemical Industry’s VOCs Pollution Source Investigation Guide，crude benzene fixed roof tank types and local climate conditions，annual emissions of single tank is concluded.Finally，the study simplifies calculation method about VOCs emission intensity of crude benzol fixed roof tank in two parts:standing storage loss and working loss，by means of correlation and regression analysis.

volatile organic compounds;fixed roof tank;crude benzol;calculation method

X51;X131

A

1004－7050(2016)06－0060－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.18

2016－08－08

尉中偉，男，1989年出生，2014年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，碩士學(xué)位，工程師，現(xiàn)從事大氣環(huán)境治理工作。