基于TANKS模型的儲(chǔ)罐VOCs排放量核算

同 霄 張海玲 邱 奇 周 娟

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

石油化工行業(yè)是揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放的重點(diǎn)行業(yè)[1-3]，儲(chǔ)罐數(shù)量多、容量大，在大呼吸和小呼吸的過(guò)程中排放大量的VOCs，浪費(fèi)了油氣資源，降低了油品質(zhì)量，污染了大氣環(huán)境[4-6]。與石化行業(yè)儲(chǔ)罐容量大、年周轉(zhuǎn)次數(shù)相對(duì)較低的特點(diǎn)不同，石油從井筒采出，通過(guò)地面集輸系統(tǒng)進(jìn)行輸送和處理，集輸過(guò)程中儲(chǔ)罐具有容量較小、年周轉(zhuǎn)次數(shù)較高、工作時(shí)間長(zhǎng)、靜置時(shí)間短的特點(diǎn)。本文采用美國(guó)環(huán)保署EPA發(fā)布的儲(chǔ)罐VOCs排放量計(jì)算模型，以小型儲(chǔ)罐為計(jì)算對(duì)象，研究了模型參數(shù)的確定方法，估算得到了儲(chǔ)罐VOCs排放量，分析了儲(chǔ)罐VOCs排放量的影響因素，針對(duì)性地提出了減排對(duì)策。

1 儲(chǔ)罐VOCs排放量計(jì)算方法

目前，儲(chǔ)罐VOCs排放量估算方法可分為兩類(lèi)[7]，第一類(lèi)為純經(jīng)驗(yàn)方法，包括美國(guó)石油協(xié)會(huì)API方法、日本資源能源廳方法、歐盟排放系數(shù)方法和中國(guó)的《散裝液態(tài)石油產(chǎn)品損耗》估算方法；第二類(lèi)為半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，包括瓦廖夫斯基-契爾尼金方法、中國(guó)的《石油庫(kù)節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》方法和美國(guó)環(huán)保署EPA根據(jù)《Air Emissions Factors and Quantification(AP-42)》提出的TANKS模型。TANKS模型雖然計(jì)算參數(shù)多，使用美制單位，如：美制加侖gal、英尺ft和磅lb等，導(dǎo)致使用過(guò)程較為繁瑣，但由于考慮因素全面，計(jì)算結(jié)果精確，在國(guó)際上廣泛使用。劉昭等[8]采用該模型對(duì)石化企業(yè)輕柴油固定儲(chǔ)罐的總損失進(jìn)行了估算，并提出了對(duì)應(yīng)措施；李靖等[9]基于該模型試算了臥式固定儲(chǔ)罐、立式固定儲(chǔ)罐、內(nèi)浮頂罐和外浮頂罐的VOCs排放量；辛梓弘[10]基于該模型對(duì)上海市排放企業(yè)238個(gè)有效儲(chǔ)罐的VOCs排放量進(jìn)行了計(jì)算；Jackson[11]應(yīng)用該模型對(duì)坦桑尼亞有機(jī)液體儲(chǔ)罐的VOCs排放量及擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估。

2 計(jì)算參數(shù)的確定

TANKS模型中計(jì)算參數(shù)主要分為3類(lèi)：第1類(lèi)為罐體參數(shù)。在確定了儲(chǔ)罐類(lèi)型后，需要進(jìn)一步確定儲(chǔ)罐的罐體參數(shù)。儲(chǔ)罐類(lèi)型有4種，分別為臥式固定頂罐、立式固定頂罐、內(nèi)浮頂罐和外浮頂罐。第2類(lèi)為氣象參數(shù)。為了確保精確的計(jì)算結(jié)果，需要確定儲(chǔ)罐所處位置的月氣溫、月風(fēng)速、月太陽(yáng)能總輻射等參數(shù)。第3類(lèi)為存儲(chǔ)物質(zhì)的參數(shù)。模型中有內(nèi)置的儲(chǔ)存物質(zhì)庫(kù)，提供了177種物質(zhì)的常規(guī)參數(shù)，也可以根據(jù)需要建立新的化學(xué)物質(zhì)，輸入?yún)?shù)包括液體摩爾分子量、黏度、蒸氣分子量、安托尼方程的參數(shù)、雷氏蒸氣壓等。

2.1 罐體參數(shù)

以西峰地區(qū)30 m3儲(chǔ)罐為例進(jìn)行計(jì)算。所選擇儲(chǔ)罐為地上臥式固定頂罐，儲(chǔ)罐長(zhǎng)6 m，寬2 m，高2.5 m，罐體狀況良好，顏色為灰色，計(jì)算其等效直徑為2.52 m，平均儲(chǔ)油量為10.0 m3。該罐日周轉(zhuǎn)量為120 m3，年周轉(zhuǎn)次數(shù)為4 380次，年周轉(zhuǎn)量為4.38×104m3。

計(jì)算模型中長(zhǎng)度、體積、壓力等參數(shù)為美制單位，單位轉(zhuǎn)換后的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 單位轉(zhuǎn)換后的罐體計(jì)算參數(shù)

2.2 氣象參數(shù)

2.2.1 氣溫

統(tǒng)計(jì)國(guó)家氣相信息中心2017年氣溫?cái)?shù)據(jù)，得到西峰地區(qū)12個(gè)月的最低氣溫和最高氣溫，用于后期的計(jì)算。

計(jì)算模型中的溫度為華氏溫度，單位轉(zhuǎn)換后的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 單位轉(zhuǎn)換后西峰地區(qū)2017年氣溫統(tǒng)計(jì) ℉

2.2.2 風(fēng)速

根據(jù)風(fēng)力等級(jí)劃分[12]，0～7級(jí)平均風(fēng)速分別為0.1，0.95，2.5，4.45，6.75，9.4，12.35，15.55 m/s。根據(jù)國(guó)家氣相信息中心提供的數(shù)據(jù)，對(duì)2017年西峰地區(qū)每個(gè)月不同風(fēng)級(jí)出現(xiàn)天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到該地區(qū)每個(gè)月的平均風(fēng)速，見(jiàn)圖1。

計(jì)算模型中風(fēng)速單位為mph，單位轉(zhuǎn)換后的參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 2017年西峰地區(qū)不同風(fēng)級(jí)天數(shù)統(tǒng)計(jì)

mph

2.2.3 太陽(yáng)能總輻射

周楊等[13]基于西北5省27個(gè)輻射站逐日太陽(yáng)總輻射和163個(gè)氣象站逐日日照時(shí)數(shù)，用統(tǒng)計(jì)分析和規(guī)則樣條函數(shù)插值相結(jié)合的方法，得到了西北地區(qū)四季太陽(yáng)能總輻射分布云圖。根據(jù)其研究成果，西峰地區(qū)春季(3—5月)太陽(yáng)能總輻射為4 866.25 MJ/(m2·a)、夏季(6—8月)最高為5 548.56 MJ/(m2·a)、秋季(9—11月)為3 752.33 MJ/(m2·a)、冬季(12月—次年1月)最低為2 570.85 MJ/(m2·a)。將單位換算為VOCs計(jì)算時(shí)使用的Btu/ft2·day，西峰地區(qū)太陽(yáng)能總輻射統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 西峰地區(qū)太陽(yáng)能總輻射統(tǒng)計(jì) Btu/(ft2·day)

若計(jì)算區(qū)域沒(méi)有太陽(yáng)輻射的研究數(shù)據(jù)，周晉等[14]對(duì)Angstrom-Prescott型日總太陽(yáng)輻射月均值估算公式進(jìn)行了修正，給出了適合國(guó)內(nèi)不同地區(qū)使用的統(tǒng)一公式，可以通過(guò)該公式估算得到儲(chǔ)罐所處區(qū)域較精確的太陽(yáng)能總輻射參數(shù)。

2.3 存儲(chǔ)物質(zhì)的參數(shù)

該儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存原油的實(shí)測(cè)密度約為0.87 t/m3，真實(shí)蒸氣壓為40.15 kPa，其余參數(shù)選擇模型儲(chǔ)存物質(zhì)庫(kù)中原油的默認(rèn)參數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

將上述計(jì)算參數(shù)代入計(jì)算模型中，得到儲(chǔ)罐VOCs排放量，見(jiàn)圖2。

圖2 儲(chǔ)罐VOCs排放量計(jì)算結(jié)果

儲(chǔ)罐VOCs排放量分為靜置排放量和工作排放量?jī)深?lèi)。由圖2可知，儲(chǔ)罐VOCs年總排放量為2.69 t，其中年靜置排放量為0.35 t，占比13%；年工作排放量為2.34 t，占比87%。這是由于小型儲(chǔ)罐的年周轉(zhuǎn)次數(shù)高，即工作時(shí)間較長(zhǎng)，所以工作排放量均遠(yuǎn)大于靜置排放量。

3.2 影響因素分析

3.2.1 氣象條件

儲(chǔ)罐VOCs排放量隨著時(shí)間的變化發(fā)生波動(dòng)，其中7月總排放量最大，為0.29 t，約占全年總排放量的11%；1月和12月總排放量最小，為0.17 t，約占全年總排放量的6%。因?yàn)楣摅w參數(shù)和存儲(chǔ)物質(zhì)不變，所以氣象參數(shù)的改變引起了排放量的波動(dòng)。繪制儲(chǔ)罐VOCs總排放量、平均溫度、平均風(fēng)速和太陽(yáng)能總輻射對(duì)比曲線，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，溫度越高，風(fēng)速越大，太陽(yáng)能總輻射越大(日照時(shí)間越長(zhǎng))，VOCs的排放量越大，呈正相關(guān)。

圖3 儲(chǔ)罐VOCs排放量和氣象條件對(duì)比曲線

3.2.2 儲(chǔ)罐體積

除了氣象條件這一影響因素外，當(dāng)儲(chǔ)罐類(lèi)型和儲(chǔ)存物質(zhì)一定時(shí)，影響靜置排放量的主要因素為儲(chǔ)罐尺寸，即儲(chǔ)罐的體積。以臥式固定頂罐為例，設(shè)置儲(chǔ)罐長(zhǎng)度分別為4，6，10，20 m，即儲(chǔ)罐體積分別為20，30，50，100 m34種工況，計(jì)算繪制得到不同儲(chǔ)罐體積對(duì)應(yīng)的VOCs排放量，見(jiàn)圖4。

圖4 不同儲(chǔ)罐體積對(duì)應(yīng)的VOCs排放量

由圖4可知，因?yàn)楣ぷ鳁l件未發(fā)生變化，4種工況下儲(chǔ)罐的工作排放量相等，均為2.34 t，靜置排放量隨著儲(chǔ)罐體積的增大而提高，從小至大依次為0.24，0.35，0.59，1.18 t。這是因?yàn)閮?chǔ)罐體積越大，罐內(nèi)氣相空間越大，原油的揮發(fā)面積越大，導(dǎo)致靜置損失越大。

3.2.3 年周轉(zhuǎn)量

工作排放量的最大影響因素是儲(chǔ)罐的年周轉(zhuǎn)量，年周轉(zhuǎn)量是工作容積和年周轉(zhuǎn)次數(shù)的乘積。在工作容積一定的情況下，設(shè)置年周轉(zhuǎn)次數(shù)分別為1 095，2 190，4 380，8 790次，對(duì)應(yīng)的年周轉(zhuǎn)量分別為1.095×104，2.19×104，4.38×104，8.76×104m3。計(jì)算繪制得到不同年周轉(zhuǎn)量對(duì)應(yīng)的VOCs排放量，見(jiàn)圖5。

圖5 不同年周轉(zhuǎn)量對(duì)應(yīng)的VOCs排放量

由圖5可知，因?yàn)楣摅w參數(shù)未發(fā)生變化，4種工況下儲(chǔ)罐的靜置排放量相等，均為0.35 t，工作排放量隨著儲(chǔ)罐年周轉(zhuǎn)量的增大而提高，從小至大依次為0.65，1.21，2.34，4.58 t。這是因?yàn)槟曛苻D(zhuǎn)量越大，儲(chǔ)罐在進(jìn)料和出料的大呼吸過(guò)程中油氣揮發(fā)損失越大，最終導(dǎo)致工作排放量越大。

3.3 減排對(duì)策與建議

3.3.1 降低儲(chǔ)罐溫度

閆嘯[15]測(cè)試了漆面顏色為銀灰色、綠色、天藍(lán)色和黑色4個(gè)50 m3臥式儲(chǔ)罐的罐內(nèi)溫度，分別為11，14.7，20.3，30℃，并跟蹤測(cè)試了4種儲(chǔ)罐裝滿汽油儲(chǔ)存一年后的蒸發(fā)損失，結(jié)果分別為460，550，590，680 kg，表明罐體溫度越高，VOCs排放量越大。當(dāng)罐內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)溫度一定時(shí)，環(huán)境氣溫和太陽(yáng)能總輻射是影響罐體溫度的主要因素，推薦選用反射效應(yīng)大的漆面顏色和材料。陳志華等[16]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)漆面顏色為白色和灰色，漆面材料為聚氨酯、氯化橡膠和氟碳的多個(gè)試件進(jìn)行了太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)測(cè)試，其中白色漆面和聚氨酯材料的組合太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)最低，即太陽(yáng)能反射效應(yīng)最大，表面溫度最低，推薦使用。為了有效降低儲(chǔ)罐溫度，可使用淋水降溫法和增加隔熱板，或者采用地下罐的方式[17]，以降低VOCs排放量。

3.3.2 優(yōu)選儲(chǔ)罐類(lèi)型

油田場(chǎng)站常見(jiàn)的儲(chǔ)罐形式包括固定頂罐、浮頂罐、拱頂罐和球形罐等[18]?；粲駛b等[19]研究發(fā)現(xiàn)，與拱頂罐相比，采用浮頂罐或內(nèi)浮頂罐儲(chǔ)存蒸發(fā)損耗降低了90%左右；黃維秋[20]研究發(fā)現(xiàn)，采用浮頂罐可以大大地抑制固定頂罐的蒸發(fā)損耗，其中外浮頂罐的損耗率僅為固定頂罐的5%～7%，內(nèi)浮頂罐的損耗率約為固定頂罐的4%。由此可見(jiàn)，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，盡可能選擇浮頂罐，可降低VOCs排放量。

4 結(jié) 論

本文采用EPA推薦的儲(chǔ)罐VOCs排放量計(jì)算公式，以西峰地區(qū)儲(chǔ)罐為計(jì)算對(duì)象，分析計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)儲(chǔ)罐VOCs工作排放量遠(yuǎn)大于靜置排放量，靜置排放量占比13%，工作排放量占比87%。

2)儲(chǔ)罐VOCs排放量隨氣象條件的變化發(fā)生波動(dòng)，地區(qū)溫度越高，風(fēng)速越大，太陽(yáng)能總輻射越大，排放量越大，呈正相關(guān)。

3)儲(chǔ)罐體積是影響儲(chǔ)罐VOCs靜置排放量的重要因素，體積越大，原油揮發(fā)面積越大，靜置排放量越大；儲(chǔ)罐年周轉(zhuǎn)量是影響儲(chǔ)罐VOCs工作排放量的重要因素，年周轉(zhuǎn)量越大，油氣揮發(fā)損失越大，工作排放量越大。