儲(chǔ)罐呼吸損耗計(jì)算分析

朱曉誼(中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司，上海 200031)

1 儲(chǔ)罐類型及呼吸損耗

儲(chǔ)罐的無(wú)組織排放污染物主要指揮發(fā)性有機(jī)液體拱頂罐(立式罐和臥式罐)、內(nèi)浮頂罐和外浮頂罐的靜置損耗和工作損耗。靜置損耗(小呼吸)排放是指儲(chǔ)罐內(nèi)有機(jī)物料靜止儲(chǔ)存期間，由于溫度的變化而引起有機(jī)物料排放的過(guò)程；工作損耗(大呼吸)排放是指儲(chǔ)罐進(jìn)行收發(fā)有機(jī)物料作業(yè)時(shí)，由于罐壁粘附油品暴露在空氣中而排放有機(jī)物料的過(guò)程。

2 儲(chǔ)罐損耗計(jì)算方法

目前有機(jī)液體儲(chǔ)存與調(diào)和揮發(fā)損失的計(jì)算方法主要有實(shí)測(cè)法、公式法和系數(shù)法等，實(shí)測(cè)法最接近真實(shí)排放情況，經(jīng)過(guò)呼吸閥排出的儲(chǔ)罐測(cè)定或測(cè)定較為簡(jiǎn)便[1-2]，在公式法使用條件無(wú)法滿足時(shí)，采用系數(shù)法計(jì)算，本文僅對(duì)內(nèi)浮頂罐和拱頂罐的損耗排放理論公式法進(jìn)行探討。

目前，常用方法應(yīng)用廣泛的是美國(guó)AP-42第一卷第七章中推薦的核算方法[3]，是由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(EPA)經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析后形成的經(jīng)驗(yàn)公式，廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)；我國(guó)的SH/T 3002—2019《石油庫(kù)節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》推薦的儲(chǔ)罐呼吸計(jì)算方法是在API經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上修正完成。

2.1 美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(EPA)計(jì)算公式

2.1.1 EPA拱頂罐呼吸損耗公式

拱頂罐的損耗公式：

式中：LS靜置損失(0.4 kg/a)；VV蒸氣空間體積(28 316.8 cm3)；WV蒸氣密度(0.4 kg/28 316.8 cm3)；KE蒸氣空間膨脹因子，無(wú)量綱；KS外排蒸氣飽和因子，無(wú)量綱。LW工作損失(0.4 kg/a)；Q物料周轉(zhuǎn)量(桶/a)；KN工作損失周轉(zhuǎn)(飽和)因子，無(wú)量綱；KP工作損失無(wú)量綱，原油KP=0.75，其他KP=1；KB呼吸閥設(shè)定校正因子，呼吸閥開(kāi)啟壓力設(shè)置在±206.84 Pa(g)范圍內(nèi)時(shí)，KB=1。當(dāng)N≤36時(shí)，KN=1；當(dāng)N＞36時(shí)，。其中：

式中：MV氣相摩爾質(zhì)量(0.4 kg/kg-mol)；N年油品周轉(zhuǎn)次數(shù)(次/a)；PVA真實(shí)蒸汽壓(6 894.7 Pa(a))；PA大氣壓力(6 894.7 Pa(a))；R理想氣體常數(shù)，取10.731；TLA有機(jī)液體日平均表面溫度(K)；ΔTV蒸氣溫度范圍(°R)；ΔPV蒸氣壓范圍(6 894.7 Pa(a))；ΔPB呼吸閥壓力設(shè)定范圍(6 894.7 Pa(a))。

2.1.2 EPA浮頂罐呼吸損耗公式

浮頂罐的總損失是掛壁損失(工作損失)、邊緣密封、浮盤附件和浮盤縫隙損失的總和，損耗公式：

式中:LT浮頂罐總損失(0.4 kg/a)；LW掛壁損失(0.4 kg/a)；LR邊緣密封損失(0.4 kg/a)；LF浮盤附件損失(0.4 kg/a)；LD浮盤縫隙損失(僅限螺栓連接式的內(nèi)浮盤或浮頂)(0.4 kg/a)；Q物料周轉(zhuǎn)量(桶/a)；CS為罐體油垢因子(0.4 kg/929 030.4 cm2)；WL為有機(jī)液體密度(0.4 kg/3 785.4 cm3)；D罐體直徑(30.48 cm)；KRa零風(fēng)速邊緣密封損失因子(0.4 kg-mol/30.48 cm·a)；KRb有風(fēng)時(shí)邊緣密封損失因子(0.4 kg-mol/(m/h)n30.48 cm·a)；v罐區(qū)平均環(huán)境風(fēng)速(m/h)；n密封相關(guān)風(fēng)速指數(shù)，無(wú)量綱；P*蒸氣壓函數(shù)，無(wú)量綱；Mv氣相分子質(zhì)量(kg/kg-mole)；Kc為產(chǎn)品因子，原油為0.4，其他有機(jī)液體為1；Nc為固定頂支持柱數(shù)量；FF總浮盤附件損失因子(0.4 kg-mol/a)；KD盤縫損耗單位縫長(zhǎng)因子，焊接盤為0，螺栓固定盤為0.14(0.4 kg-mol/30.48 cm·a)；SD盤縫長(zhǎng)度因子(cm/30.48 cm2)。

2.2 《石油庫(kù)節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》計(jì)算公式

2.2.1 《導(dǎo)則》拱頂罐呼吸損耗

拱頂罐的靜置損耗公式：

拱頂罐的工作損耗公式：

2.2.2 《導(dǎo)則》浮頂和內(nèi)浮頂罐呼吸損耗公式

浮頂和內(nèi)浮頂罐的靜置損耗公式：

Fr、Ff、Fd分別代表密封總損耗、浮盤附件損耗、浮盤頂板接縫總損耗。

浮頂和內(nèi)浮頂罐的工作損耗公式：

式中：Nfc非自支撐固定頂?shù)闹е鶖?shù)量，自支撐訂內(nèi)浮頂罐或浮頂罐Nfc=0；Fc非自支撐固定頂支柱的有效直徑(m)；其余同API，單位進(jìn)行換算。

2.3 《導(dǎo)則》與EPA差異

《石油庫(kù)節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》2019版與2000版相比進(jìn)行了修訂，修訂之后的公式更接近與EPA，油品系數(shù)在原油和汽油兩種基礎(chǔ)之上，補(bǔ)充了單組分介質(zhì)系數(shù)，另外將呼吸損耗類型進(jìn)行區(qū)分，結(jié)果更細(xì)化、清晰。《導(dǎo)則》提供了氣相空間膨脹系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算，當(dāng)蒸氣壓PVA≤0.69 kPa(絕)或呼吸閥定壓PB≤±0.21 kPa時(shí)，Ke按簡(jiǎn)化公式計(jì)算；

若無(wú)計(jì)算參數(shù)取Ke=0.04。

《導(dǎo)則》及EPA對(duì)蒸汽壓函數(shù)的計(jì)算相同，但對(duì)其中真實(shí)蒸氣壓PVA計(jì)算不同，《導(dǎo)則》中提供了常用的介質(zhì)蒸氣壓方程常數(shù)，未提及的純物質(zhì)蒸氣壓需要從相應(yīng)蒸氣壓圖查得；而EPA對(duì)特定的石油液體儲(chǔ)料的蒸氣壓進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于純物質(zhì)的蒸氣壓采用安托因方程計(jì)算，更加全面。

式中：A、B、C為安托因常數(shù)。

另有文獻(xiàn)指出了《導(dǎo)則》關(guān)于內(nèi)浮頂罐壁系數(shù)的差異之處[4]，經(jīng)勘誤修正參數(shù)后，可得出較為合理的結(jié)果

3 案例研究

3.1 儲(chǔ)罐概況

以某精細(xì)化工項(xiàng)目異丙醇儲(chǔ)罐為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行拱頂罐及浮頂罐呼吸損耗核算，儲(chǔ)罐設(shè)置情況為：60 m3異丙醇，直徑4 m，密度為785 kg/m3，年周轉(zhuǎn)量3 323 m3，常溫儲(chǔ)存。

3.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)（EPA及《導(dǎo)則》分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。兩種方法計(jì)算結(jié)果相差不大，造成的差異主要是由系數(shù)誤差造成。拱頂罐的工作損耗是其主要的無(wú)組織排放量；內(nèi)浮頂罐的總損耗量小于拱頂罐的總損耗量，其工作損耗遠(yuǎn)小于拱頂罐的工作損耗。

表1 儲(chǔ)罐呼吸量損耗

根據(jù)研究及主要公式參數(shù)，儲(chǔ)罐的特性對(duì)損耗影響較大，對(duì)于內(nèi)浮頂罐，影響內(nèi)其呼吸損耗的主要因素包括周轉(zhuǎn)量、浮盤的構(gòu)造、腐蝕的程度及邊緣密封形式等[5]，另外儲(chǔ)罐直徑、罐體顏色、液體存儲(chǔ)高度、油品溫度和種類等對(duì)損耗量也有一定的影響，其大呼吸損耗的關(guān)鍵參數(shù)是罐壁油垢因子，因此在儲(chǔ)罐的使用中，可以盡量降低儲(chǔ)存溫度、在內(nèi)壁使用防腐涂層材料，減少腐蝕，從而降低損耗。

從環(huán)境保護(hù)角度來(lái)說(shuō)，浮頂罐會(huì)有效減少儲(chǔ)罐的無(wú)組織VOCs排放，減少揮發(fā)性油氣對(duì)大氣造成的污染。對(duì)小容量?jī)?chǔ)罐，可進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定是否選用浮頂罐及設(shè)置油氣回收裝置,對(duì)其選用有一定的指導(dǎo)作用。

項(xiàng)目異丙醇采用內(nèi)浮頂罐存儲(chǔ)方式，降低有機(jī)物料揮發(fā)排放量，滿足有機(jī)溶劑最佳儲(chǔ)存工藝，浮頂罐的少量廢氣屬無(wú)組織排放。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示：拱頂罐的主要損耗量為工作損失，內(nèi)浮頂罐的總損耗量小于拱頂罐。

（2）針對(duì)不同的揮發(fā)性有機(jī)物，應(yīng)選擇合適的儲(chǔ)罐形式，拱頂罐廢氣應(yīng)安裝密閉排氣系統(tǒng)至有機(jī)廢氣回收或處理裝置，或選擇內(nèi)浮頂罐，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定是否設(shè)置油氣回收裝置, 對(duì)小容量?jī)?chǔ)罐的選用有一定的指導(dǎo)作用。

（3）選擇不同儲(chǔ)罐類型降低損耗的基礎(chǔ)上，可采取呼吸口氣體冷凝回收等處理措施，減少無(wú)組織排放量。