油品裝車棧橋區(qū)域揮發(fā)性有機物治理方案研究

段超越 孫文杰 劉 明 潘 峰,2 仝紀龍,2

(1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學環(huán)境質(zhì)量評價研究中心，甘肅 蘭州 730000)

油品裝車棧橋區(qū)域揮發(fā)性有機物治理方案研究

段超越1孫文杰1劉 明1潘 峰1,2仝紀龍1,2

(1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學環(huán)境質(zhì)量評價研究中心，甘肅 蘭州 730000)

揮發(fā)性有機物(VOCs)是石化行業(yè)的特征污染物，油品裝車棧橋的VOCs無組織揮發(fā)是石化企業(yè)重要的VOCs排放源，因此對大型石化企業(yè)油品裝車棧橋區(qū)域的VOCs進行治理減排具有十分重要的意義。以西北某石化公司油品裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)治理項目為例，通過源強核算、削減方案確定，利用AERMOD模式對棧橋區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量改善情況進行預測分析，進而對VOCs治理方案的環(huán)境收益進行討論，以期為同類油品裝車棧橋改造項目提供借鑒與參考。

揮發(fā)性有機物 油氣回收設備 無組織排放 環(huán)境質(zhì)量AERMOD模式

在大型石化企業(yè)中，油品一般由罐區(qū)經(jīng)棧橋通過裝油鶴管裝入罐車，棧橋式裝車系統(tǒng)相對落后，油品傳輸過程中流速較高、壓力較大，使油品發(fā)生劇烈沖擊、噴濺、攪動，造成大量油氣逸出損耗，從而造成經(jīng)濟損失，威脅生產(chǎn)安全，同時污染環(huán)境[1]。據(jù)統(tǒng)計，2014年我國汽油的表觀消費量約為1.0×108t，僅在汽油裝卸過程中的損失就達到30×104t，總價值超過10億元[2]?？梢?，油品裝車揮發(fā)帶來的環(huán)境污染、經(jīng)濟損失不容小覷。

本研究以西北某石化公司油品裝卸區(qū)裝車棧橋區(qū)域的揮發(fā)性有機物(VOCs)治理為例，通過源強確定、油氣回收方案比選確定，利用AERMOD模式預測治理前后周圍環(huán)境污染物濃度變化，定量說明治理方案對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的改善，以期為同類VOCs治理項目提供借鑒和參考。

1 實例分析

1.1 VOCs無組織揮發(fā)源強核算

目前對無組織大氣污染源強的確定方法有物料衡算法、估算法、類比法、實測法等，其中估算法的局限在于難以將污染源強與工藝、設備、環(huán)保設施運行效果及管理水平等因素聯(lián)系在一起，查詢損耗率時對儲罐的型號和類型分類籠統(tǒng)[3]，但該方法計算相對簡便，而本研究涉及的油品裝車棧橋區(qū)域工藝相對簡單，不涉及儲罐，因此估算法對此類區(qū)域的無組織污染源強計算有較好的適用性。

在此，本研究選擇《散裝液態(tài)石油產(chǎn)品損耗》(GB 11085—89)中推薦的估算法確定油品裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)污染源強[4]，其計算公式為：

污染源強=車輛(船舶)裝車量×損耗率÷裝卸時間

(1)

表1 裝車(船)損耗率

注：1)A類地區(qū)包括江西、福建、海南、廣東、云南、四川、湖南、貴州臺灣省和廣西壯族自治區(qū)；B類地區(qū)包括河北、山西、陜西、廣東、江蘇、浙江、安徽、河南、湖北、甘肅、寧夏回族自治區(qū)、北京、天津、上海；C類地區(qū)包括遼寧、吉林、黑龍江、青海、內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)。

表2 裝車(船)損耗率及污染源強

在本案例中，該石化公司油品裝卸區(qū)中共有159號、160號、161號、163號共4座裝車棧橋，將其視為4個污染面源，鑒于油品裝車棧橋所排放的VOCs主要為非甲烷總烴(NMHC)，因此本研究預測因子選定為NMHC，以2013年4座油品裝車棧橋的實際裝車量計算4座裝車棧橋NMHC無組織揮發(fā)源強。

根據(jù)GB 11085—89，鐵路罐車汽油裝卸損耗率及其他油品裝卸損耗率見表1。由于本案例地處甘肅，屬B類地區(qū)，裝車形式為鐵路火車槽車，根據(jù)表1，汽油裝車損耗率為0.13%，其他油品損耗率為0.01%，以油品裝車棧橋全年運行365 d，平均每天工作8 h計，則4座裝車棧橋NMHC源強計算結果見表2。

1.2 油品裝車棧橋區(qū)域VOCs無組織揮發(fā)的環(huán)境影響分析

大型煉化企業(yè)一般包含油品裝卸區(qū)、油品儲存區(qū)及作業(yè)區(qū)等，在油品裝卸、儲存、生產(chǎn)加工的過程中都會有組織或無組織地向環(huán)境空氣排放VOCs，因此大型煉化企業(yè)對周圍環(huán)境影響較為復雜，無法用現(xiàn)場監(jiān)測值來說明裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的影響。在此，本研究用AERMOD模式預測油品裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)對周圍環(huán)境質(zhì)量的影響。AERMOD模式是由美國環(huán)境保護署聯(lián)合美國氣象學會組建的法定模型改善委員會(AERMIC)開發(fā)的新一代穩(wěn)態(tài)大氣擴散模式[5]，可用于多種排放源(包括點源、面源和體源)及多種排放擴散情形(地面源和高架源等)的模擬和預測[6]，同時也是《大氣環(huán)境影響評價技術導則》中推薦的預測模式[7]。

1.2.1 模型參數(shù)設定

AERMOD模式需要設定的參數(shù)有源強參數(shù)、地面氣象數(shù)據(jù)、高空氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、關心點設定等。其中4座裝車棧橋的源強參數(shù)見表2；地面氣象數(shù)據(jù)采用距離石化公司最近的蘭州氣象站2012年全年逐日逐次氣象數(shù)據(jù)，該氣象站距石化公司小于50 km，數(shù)據(jù)代表性良好；由于蘭州氣象站無高空氣象數(shù)據(jù)，高空氣象數(shù)據(jù)采用項目周邊約54 km的榆中氣象站，距離大于《環(huán)境影響評價技術導則》中規(guī)定的50 km，但兩地地理特征相似，數(shù)據(jù)同樣有較好的代表性；地形數(shù)據(jù)采用http://srtm.csi.cgiar.org網(wǎng)站提供的全球地形數(shù)據(jù)。本研究在油品裝卸區(qū)廠界選定6個關心點(記為廠界1～廠界6)，同時另選取距離油品裝卸區(qū)較近(1 km內(nèi))的3處環(huán)境敏感點(李家莊、五灘莊、桃園村)作為預測的關心點，各關心點與油品裝卸區(qū)的相對位置見圖1。

1.2.2 預測結果分析

通過AERMOD模式預測油品裝車棧橋工作時各關心點的NMHC小時平均濃度。依據(jù)《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》(GB 31570—2015)，廠界NMHC無組織排放限值為4 mg/m3[8]，參考《大氣污染物綜合排放標準詳解》[9]，敏感點處NMHC的環(huán)境質(zhì)量標準值為2 mg/m3，則各點位NMHC預測值及占標率見表3。

圖1 各關心點與油品裝卸區(qū)域相對位置關系Fig.1 The relative location between each environmental concerned points and the loading area

表3 各點位NMHC預測值及占標率

由表3可見，廠界6個關心點的NMHC預測值分別為27.27、24.56、25.47、17.45、26.42、27.27 mg/m3，超出GB 31570—2015提出的企業(yè)邊界NMHC排放限值要求，其占標率分別為681.75%、614.00%、636.75%、436.25%、660.50%、681.75%；李家莊、五灘莊、桃園村的NMHC預測值分別為16.52、13.32、15.27 mg/m3，也遠超出敏感點NMHC環(huán)境質(zhì)量標準值，其占標率分別為826.00%、666.00%、763.50%。可見，該石化公司油品裝車棧橋的NMHC無組織揮發(fā)將影響企業(yè)工作

人員及周邊環(huán)境敏感點居民的健康，同時威脅生產(chǎn)安全。從環(huán)保、安全、經(jīng)濟角度分析，對裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)進行治理十分必要。

1.3 VOCs治理方案

1.3.1 裝車棧橋現(xiàn)狀調(diào)查

經(jīng)調(diào)查，該石化公司4座油品裝車棧橋均未設油氣回收設備，其具體現(xiàn)狀如下：159號棧橋兩端有2套200WHS-QB型大鶴管，裝車鶴管有橡膠密封蓋，負責原油裝車；160號棧橋采用五聯(lián)動液壓小鶴管對93#車用汽油、3#噴氣燃料(航空煤油)等產(chǎn)品進行裝車，裝車鶴管有橡膠密封蓋；161號棧橋采用套筒式小鶴管，用麻繩吊掛鋁制套筒進行噴濺式裝車，擔負0#、-10#、-20#車用柴油及3#噴氣燃料(航空煤油)的鐵路火車槽車裝車出廠任務；163號棧橋用鐵絲吊掛鋁制套筒作為裝車鶴管進行噴濺式裝車，火車裝車鶴管無密閉蓋板，裝車產(chǎn)品繁多，主要有石油苯、甲苯等。各裝車棧橋工藝落后，裝車設備老化，無法實現(xiàn)密閉裝車，造成裝車產(chǎn)品揮發(fā)損耗嚴重。

1.3.2 油氣回收技術

油氣回收技術以是否破壞物質(zhì)的分子結構分為回收型和破壞型兩種?；厥招桶ɡ淠?、吸收法、吸附法、膜分離法等；破壞型包括燃燒法、催化法、等離子法和生物法[10]。每種方法各有優(yōu)缺點，適用范圍不同。在實際工業(yè)應用中，可根據(jù)油氣的成分、濃度、處理氣量、排放要求、運行成本和投資規(guī)模的不同而選擇不同的回收處理技術，一般優(yōu)先選擇回收型技術方法。4種常用的回收型油氣回收技術優(yōu)缺點對比分析見表4[11-13]。

根據(jù)石化公司油品裝車棧橋的實際情況，活性炭干式吸附法和膜分離法對該項目的油氣回收有較強的適用性。目前油氣回收設備均為多種技術方法的組合，單一的技術方法很難做到穩(wěn)定達標運行；針對159號、160號、161號、163號棧橋裝卸油品的特點，對各個棧橋油氣回收技術方法進行優(yōu)化。

表4 油氣回收技術對比

圖3 160、161號棧橋油氣回收裝置工藝流程Fig.3 Process of oil-gas recovery device for number 160，161 loading trestle

圖4 163號棧橋油氣回收裝置工藝流程Fig.4 Process of oil-gas recovery device for number 163 loading trestle

(1) 159號棧橋

159號棧橋裝卸原油，鑒于原油揮發(fā)油氣中含硫高、含膠質(zhì)等，為防止造成活性炭中毒和堵塞，采用柴油或煤油對油氣進行預吸收，清除部分有機物、膠質(zhì)物等，液體輸送至原油罐，氣體進入堿液洗滌工序，脫除油氣中的硫組分，隨后經(jīng)過活性炭吸附和吸收工序，利用活性碳吸附油氣中的石油組分，再通過真空泵減壓解吸，將解吸中得到的高濃度油氣送往柴油或煤油吸收塔用成品油吸收，吸收后液體進入儲罐，工藝流程見圖2。

(2) 160號、161號棧橋

160號、161號棧橋裝卸油品均為汽油、煤油等輕質(zhì)油品，可借鑒國內(nèi)外較為成熟的工藝，采用活性炭吸附—汽油吸收油氣中的石油組分，再通過真空泵減壓解吸，將解吸中得到的高濃度油氣送往汽油吸收塔用成品油吸收烴類，汽油吸收液直接輸送至儲罐，工藝流程見圖3。

(3) 163號棧橋

163號棧橋裝卸油品種類繁多，組分復雜，其中苯、甲苯、二甲苯(三苯)易使活性炭失活，縮短活性炭使用壽命，故163號棧橋采用煤油預吸收—膜處理工藝處理。為防止造成膜分離處理負荷，先采用煤油對三苯油氣進行預吸收，清除大量有機物，液體輸送至原油儲罐。清除大量有機物后三苯揮發(fā)油氣則再次膜分離處理，選擇某種只讓有機氣體組分穿過而不讓空氣組分穿過，且在微壓下也能有較大透過量的薄膜。經(jīng)過膜分離處理工序，膜分離器中滲透氣富含有機組分氣體返回煤油吸收塔用成品油吸收。吸收烴類，回收液體進入原油罐，工藝流程見圖4。

對比不同回收型油氣治理技術方法，同時結合各棧橋的實際情況，確定該石化公司油氣回收技術方案見表5。

表5 油氣回收技術方案

2 油氣回收方案環(huán)境收益

2.1 實施治理方案后源強核算

依據(jù)表5的油氣回收技術方案，加設油氣回收設備后，裝車棧橋的NMHC無組織揮發(fā)源強預測結果見表6。

2.2 治理方案環(huán)境收益分析

在AERMOD模式中輸入新源強，其余參數(shù)不變，得到各關心點的NMHC預測值、削減率及占標率，結果見表7。

表6 加設油氣回收設備后的源強預測

表7 各關心點位NMHC預測值、削減率及占標率

由表7可見，廠界6個關心點的NMHC預測值分別為1.35、1.22、1.26、0.85、1.31、1.35 mg/m3，均達到GB 31570—2015對廠界NMHC排放限值要求，占標率分別為33.75%、30.5%、31.5%、21.25%、32.75%、33.75%；李家莊、五灘莊、桃園村的NMHC預測值分別為0.81、0.66、0.76 mg/m3，滿足《大氣污染物綜合排放標準詳解》中敏感點NMHC的環(huán)境質(zhì)量標準，占標率在分別為40.50%、33.00%、38.00%。

經(jīng)核算，廠界6個關心點的NMHC削減率分別為95.05%、95.03%、95.05%、95.13%、95.04%、95.05%，李家莊、五灘莊、桃園村的NMHC削減率分別為95.10%、95.05%、95.02%，可見9個關心點NMHC的削減率均在95%左右，這是因為汽油的揮發(fā)率遠大于其他油品，因此裝卸汽油的160號棧橋為主要排污面源，其油氣回收設備回收率為95%，AERMOD模式中，除了面源源強其他參數(shù)均未發(fā)生變化，因此最終預測結果NMHC削減率也在95%左右。

利用AERMOD模式進行預測分析時，采用的是2012年全年逐日逐次氣象數(shù)據(jù)，獲得的NMHC預測值代表了關心點處全年極端氣象條件下污染物達到的最大濃度。根據(jù)預測結果，廠界6個關心點及3個環(huán)境敏感點的NMHC最大值均能達到相應標準。對比加設油氣回收設備前，油氣回收設備對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善較為明顯，環(huán)境收益較大。

3 結 論

石油化工是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中會排放出復雜的有毒、有害污染物，對周圍大氣環(huán)境產(chǎn)生明顯影響，危害程度較大。如何有效治理石油化工企業(yè)VOCs有組織和無組織排放已成為當前的研究重點和難點。本研究根據(jù)西北某石化公司裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)特點，通過比較不同油氣回收技術的優(yōu)缺點制定了該石化公司裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)治理方案，并利用AERMOD模式預測加設油氣回收設備前后特征污染物NMHC小時平均濃度，定量說明區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善情況，以期對石油化工企業(yè)VOCs無組織揮發(fā)治理方案確定及其環(huán)境收益研究提供一定借鑒參考。

[1] 胡志勇，吳明，牛冉，等.油品裝車裝船揮發(fā)損失的計算與研究[J].當代化工，2013，43(10)：1478-1484.

[2] 張克灝.吸附+吸收油氣回收工藝實踐及優(yōu)勢分析[J].石油石化節(jié)能，2016，6(2)：7-9.

[3] 張鵬.石化企業(yè)無組織排放源強核算方法綜述[J].四川環(huán)境，2012，31(6)：115-121.

[4] 張鵬.石化企業(yè)大氣主要污染源強核算技術及應用研究[D].北京：中國石油大學(北京)，2013.

[5] 楊多興，楊木水，劉敏，等.AERMOD模式系統(tǒng)理論[J].化學工業(yè)與工程，2005，22(2)：130-135.

[6] 劉仁志，張志嬌，賈彥鵬.AERMOD模型在規(guī)劃環(huán)境影響評價中的應用[J].應用基礎與工程科學學報,2012,20(增刊)：96-106.

[7] HJ 2.2—2008，環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境[S].

[8] GB 31570—2015，石油煉制工業(yè)污染物排放標準[S].

[9] 國家環(huán)境保護局科技標準司.大氣污染物綜合排放標準詳解[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，1997.

[10] 李家強.VOCs控制與油氣回收技術綜述[J].當代石油化工，2015(4)：7-15.

[11] 屈華英.膜分離油氣回收技術將成為行業(yè)的未來趨勢[J].科技資訊，2010(8)：2-3.

[12] 周鑫，李少鵬.膜分離法油氣回收的應用[J].山東化工，2014，43(3)：113-114.

[13] KALDIS S P，KAOANTAIDAKIS G C，SAKELLAROPOULOS G P.Simulation of multicomponent gas separation in a hollow fiber membrane by orthogonal collocation-hydrogen recovery from refinery gases[J].Journal of Membrane Science，2000，173(1)：61-71.

Studyonthevolatileorganiccompoundstreatmentschemeforoilloadingtrestalarea

DUANChaoyue1,SUNWenjie1,LIUMing1,PANFeng1,2,TONGJilong1,2.

(1.CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,LanzhouGansu730000;2.EnvironmentalQualityAssessmentResearchCenterofLanzhouUniversity,LanzhouGansu730000)

Volatile organic compounds (VOCs) were typical pollutants of petrochemical industry，and unorganized emissions of VOCs in loading areas were the major VOCs origins of such petrochemical enterprises. Therefore,taking measures to cut down free VOCs emission was of great importance to the enterprise’s regional environment conservation. Taking a VOCs emission management project implemented at a petrochemical enterprise of northwest China as an example,this paper intends to find out an effective way of VOCs control over loading area through calculating the emission intensity,determining VOCs control measures,predicting and analysis air quality improvement by AERMOD model,and finally evaluating long-term environmental revenue. The result would be a good reference for reconstruction or modification of the loading area of petrochemical companies.

VOCs; oil-gas recovery device; unorganized emissions; environmental quality; AERMOD mode

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.021

2016-09-18)

段超越，男，1990年生，碩士研究生，主要從事環(huán)境影響評價研究。