基于A(yíng)P-42的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐VOCs排放特性定量研究

李春漫祁寶萍馮云龍施昊彤蔣娟梁昌晶

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院分公司；2.中國(guó)石油華北油田公司第二采油廠(chǎng)；3.中國(guó)石油華北油田公司質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督中心；4.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)山東輸油有限公司；5.中國(guó)石油華北油田公司工程技術(shù)研究院）

1 背景及介紹

隨著國(guó)家油氣資源儲(chǔ)備的增加，油庫(kù)已步入大型化發(fā)展階段，儲(chǔ)罐作為油品儲(chǔ)存主要容器，其無(wú)組織排放情況受到越來(lái)越多的關(guān)注。儲(chǔ)罐的無(wú)組織排放主要為揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），VOCs是一類(lèi)常見(jiàn)的大氣污染物，可與氮氧化物生成臭氧、過(guò)氧乙酰硝酸脂等有害物質(zhì)，對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)、生活及健康造成極為嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)油品儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中VOCs排放量約占原油加工量的0.04%～0.08%，其中靜置損耗在各環(huán)節(jié)損耗的占比較大[1-3]。因此，控制儲(chǔ)罐VOCs排放現(xiàn)狀，準(zhǔn)確核算不同工況和外部環(huán)境下的排放量，可為管理部門(mén)和環(huán)境單位控制儲(chǔ)罐無(wú)組織排放提供實(shí)際參考。

目前，儲(chǔ)罐VOCs的核算方法有經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法兩種，其中經(jīng)驗(yàn)方法基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸，包括美國(guó)石油協(xié)會(huì)API方法、日本能源廳方法、中石化核算方法等，半經(jīng)驗(yàn)方法基于質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒核算排放量，包括SHT 3002—2017《石油庫(kù)節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》附錄方法、瓦里奧夫斯基-切爾尼基方法、美國(guó)環(huán)保署（EPA）提出的方法[4-6]。其中，EPA參照《Air Emission Factors and Quantification》（AP-42）標(biāo)準(zhǔn)中提出的模型，集成到了Tanks軟件中，該軟件是目前國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的VOCs排放量核算軟件，可用于計(jì)算不同儲(chǔ)罐類(lèi)型的VOCs損耗。綜上所述，以?xún)?nèi)浮頂儲(chǔ)罐為例，從儲(chǔ)罐特征、氣象因素、操作條件等方面計(jì)算VOCs損耗，探討影響儲(chǔ)罐VOCs排放的關(guān)鍵因素，并提出切實(shí)可行的排放減緩措施，以期為碳中和、碳達(dá)峰的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。

2 內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐VOCs損耗分類(lèi)

AP-42標(biāo)準(zhǔn)中將內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐VOCs損耗分為邊緣密封損耗、掛壁損耗、浮盤(pán)附件損耗、浮盤(pán)密封損耗[7]。

1）邊緣密封損耗是揮發(fā)性油氣通過(guò)浮盤(pán)與罐壁之前的縫隙排出。

2）掛壁損耗是儲(chǔ)罐出料時(shí)遺留在罐壁上介質(zhì)隨即蒸發(fā)，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)有支撐柱時(shí)，原油還會(huì)附著在支撐柱上，掛壁損耗與固定頂儲(chǔ)罐的工作損耗相同。

3）浮盤(pán)附件損耗是指油氣通過(guò)浮盤(pán)上的各類(lèi)附件（如人孔、計(jì)量孔、真空閥、浮盤(pán)排水等）排出，其原理與邊緣密封損耗相似。

4）浮盤(pán)密封損耗與浮盤(pán)形式和浮盤(pán)構(gòu)造有關(guān)，其中當(dāng)浮盤(pán)為焊接形式時(shí)，不存在浮盤(pán)密封損耗[8-10]。

3 模型設(shè)置

以某油庫(kù)1×104m3內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐為例，在Tanks軟件中輸入儲(chǔ)罐信息和浮頂附件信息，儲(chǔ)罐信息見(jiàn)表1。氣相參數(shù)根據(jù)儲(chǔ)罐所在地國(guó)家氣象中心提供的2021年全年各月最高氣溫、最低氣溫和平均風(fēng)速設(shè)定，儲(chǔ)罐所在地氣溫和風(fēng)速統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1。太陽(yáng)總輻射值根據(jù)地理空間信息云系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)設(shè)定，按照季節(jié)設(shè)定，3—5月為1 200 MJ/(m2·a)，6—8月為1 450 MJ/(m2·a)，9—11月為975 MJ/(m2·a)，12-2月為815 MJ/(m2·a)。儲(chǔ)存介質(zhì)為原油，密度0.89 g/cm3，飽和蒸汽壓55 kPa，液相摩爾質(zhì)量207 g/mol，氣體摩爾質(zhì)量50 g/mol。

表1 儲(chǔ)罐信息Tab.1 VOCs loss of floating roof storage tank

圖1 儲(chǔ)罐所在地氣溫和風(fēng)速統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of air temperature and wind speed at the location of storage tank

4 結(jié)果與討論

4.1 儲(chǔ)罐特性

4.1.1 浮盤(pán)類(lèi)型

采用Tanks軟件計(jì)算得到全年的VOCs損耗情況，內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐VOCs損耗量見(jiàn)表2。浮盤(pán)附件損耗最大，其次為邊緣密封損耗和掛壁損耗，這可能與儲(chǔ)罐未采用二級(jí)密封有關(guān)。

表2 內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐VOCs損耗量Tab.2 VOCs loss under different floating plate installation modes

通過(guò)查詢(xún)，浮筒式浮盤(pán)結(jié)構(gòu)的盤(pán)縫長(zhǎng)度因子為4.8 ft/ft-2，雙層板式浮盤(pán)結(jié)構(gòu)的盤(pán)縫長(zhǎng)度因子為0.8 ft/ft-2，計(jì)算得到除浮盤(pán)密封損耗降為0.12 t外，其余類(lèi)型的損耗量不變，浮盤(pán)密封損耗降低36.8%。

不同的浮盤(pán)安裝方式對(duì)VOCs損耗影響較大，目前大部分在役儲(chǔ)罐采用螺栓連接，而新建儲(chǔ)罐采用焊接連接，采用焊接連接不會(huì)產(chǎn)生浮盤(pán)密封損耗，且會(huì)減少浮盤(pán)附件損耗，不同浮盤(pán)安裝方式下的VOCs損耗量見(jiàn)表3，總的VOCs損耗較螺栓連接減少了30.3%。

表3 不同浮盤(pán)安裝方式下的VOCs損耗量Tab.3 VOCs loss of different oil scale factors

4.1.2 內(nèi)壁腐蝕程度

計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)壁腐蝕程度對(duì)VOCs損耗的影響，不同油垢因子的VOCs損耗量見(jiàn)表4。內(nèi)壁腐蝕程度只影響掛壁損耗，腐蝕越嚴(yán)重，內(nèi)壁的粗糙度越大，在發(fā)油的過(guò)程中，越多的油品附著在腐蝕坑內(nèi)，總的VOCs與油垢因子呈正比。因此，儲(chǔ)罐在日常維護(hù)中要做好防銹防腐工作，采用泄漏檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行定期檢查，尤其是油水、氣水界面處。

表4 不同油垢因子的VOCs損耗量Tab.4 VOCs loss under different seal forms

4.1.3 外壁顏色

計(jì)算外壁顏色對(duì)VOCs損耗的影響不同外壁顏色的VOCs損耗量見(jiàn)圖2。外壁顏色對(duì)掛壁損耗沒(méi)有影響但會(huì)影響邊緣密封損耗和浮盤(pán)附件損耗，顏色越深對(duì)太陽(yáng)熱輻射的吸收強(qiáng)度越大，油品加熱后揮發(fā)氣膨脹，與周?chē)h(huán)境的對(duì)流和傳導(dǎo)作用更明顯，其中紅色時(shí)VOCs損耗最大，白色時(shí)最小。

圖2 不同外壁顏色的VOCs損耗量Fig.2 VOCs loss of different outer wall colors

4.1.4 密封形式

為降低油氣損耗，內(nèi)浮頂內(nèi)壁與浮盤(pán)外緣環(huán)板之間的采用密封，一次密封分為機(jī)械靴式密封、液體填充密封和氣體填充密封，二次密封分為邊緣靴式、邊緣刮板密封，不同密封形式下的VOCs損耗量見(jiàn)表5?？梢?jiàn)密封形式對(duì)掛壁損耗和浮盤(pán)密封損耗沒(méi)有影響，只影響邊緣密封損耗，不采用二次密封的情況下，液體填充的密封效果最好，其次為機(jī)械靴式和氣體填充；采用二次密封的情況下，可大幅降低油氣損耗，液體填充+邊緣刮板的密封效果最好，密封效果較最差的情況提高了41.9%。機(jī)械靴式密封并沒(méi)有從根本上消除氣相空間，且安裝時(shí)對(duì)罐壁橢圓度、垂直度的要求較高，目前已被逐漸淘汰；氣體填充密封是將密封袋置于油液面上，不易老化，但仍然存在氣相空間；液體填充密封是將密封袋置于油品中，不存在氣相空間，故密封效果最好。

表5 不同密封形式下的VOCs損耗量Tab.5 VOCs loss under different seal forms

4.2 氣相條件

4.2.1 溫度

不同月份的溫度有所不同，導(dǎo)致VOCs損耗量也不同，不同月份的VOCs損耗量見(jiàn)圖3。溫度對(duì)掛壁損耗無(wú)影響，只影響邊緣密封損耗和浮盤(pán)附件損耗，兩種損耗方式類(lèi)似，溫度越高，儲(chǔ)罐與大氣之間存在熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致罐內(nèi)原油溫度上升，分子間的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，液體蒸汽壓升高，VOCs損耗量也增大，導(dǎo)致夏季7月份的損耗最大，冬季12月和1月的損耗較小。

圖3 不同月份的VOCs損耗量Fig.3 VOCs loss in different months

4.2.2 風(fēng)速及大氣壓

根據(jù)圖1的條件，雖然不同月份的平均風(fēng)速有所不同，但最大平均風(fēng)速僅為4.9 m/s，根據(jù)GBT 28591—2012《風(fēng)力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的要求僅為3級(jí)，未考慮極端天氣下風(fēng)速對(duì)VOCs損耗量的影響，故以0～7級(jí)的代表風(fēng)速對(duì)儲(chǔ)罐VOCs總損耗量進(jìn)行核算。經(jīng)計(jì)算，不同風(fēng)速下的VOCs總損耗量均為0.69 t，可見(jiàn)風(fēng)速對(duì)內(nèi)浮頂幾乎無(wú)影響，這是由于雖然風(fēng)速增加，會(huì)在儲(chǔ)罐上方形成負(fù)壓區(qū)，但負(fù)壓區(qū)并不與浮盤(pán)接觸，而是與外部的固定頂接觸。在其他條件相同時(shí)，考察環(huán)境大氣壓對(duì)儲(chǔ)罐VOCs總損耗量的影響。環(huán)境大氣壓對(duì)VOCs損耗量的影響見(jiàn)圖4。損耗量與環(huán)境大氣壓呈反比關(guān)系，大氣壓越低，原油蒸汽壓與大氣壓之間的差值越小，導(dǎo)致氣相空間增大，VOCs的損耗量增加。

圖4 環(huán)境大氣壓對(duì)VOCs損耗量的影響Fig.4 Influence of ambient atmospheric pressure on VOCs loss

4.3 操作工況

在其他條件相同時(shí)，考察不同年周轉(zhuǎn)次數(shù)（10、20、30、40、50、60）對(duì)VOCs損耗量的影響，年周轉(zhuǎn)次數(shù)對(duì)VOCs損耗量的影響見(jiàn)圖5。對(duì)于內(nèi)浮頂罐，年周轉(zhuǎn)次數(shù)主要影響掛壁損耗，其余損耗類(lèi)型基本不變。年周轉(zhuǎn)次數(shù)越多，周轉(zhuǎn)量越大，收發(fā)油的時(shí)間內(nèi)越長(zhǎng)，導(dǎo)致原油發(fā)生工作損耗的時(shí)間也越長(zhǎng)，VOCs損耗量越大。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，要盡量選用大排量揚(yáng)程的給油泵，減少收發(fā)油時(shí)間，降低液面升降速度，控制罐頂呼吸閥的開(kāi)度閾值，避免發(fā)油結(jié)束后出現(xiàn)呼吸閥吸入新鮮空氣，導(dǎo)致“回逆呼出”損耗。

圖5 年周轉(zhuǎn)次數(shù)對(duì)VOCs損耗量的影響Fig.5 Influence of annual turnover times on VOCs loss

5 結(jié)論與建議

為降低內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐VOCs損耗量，基于A(yíng)P-42標(biāo)準(zhǔn)，利用Tanks軟件核算了儲(chǔ)罐特性、氣象條件和操作工況對(duì)VOCs損耗量的影響，結(jié)論與建議如下：

1）內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的浮盤(pán)附件損耗最大，其次為邊緣密封損耗和掛壁損耗，浮盤(pán)類(lèi)型對(duì)浮盤(pán)密封損耗影響較大，采用雙層板式浮盤(pán)結(jié)構(gòu)+焊接連接的安裝方式可將浮盤(pán)密封損耗降為0。

2）內(nèi)壁腐蝕程度、外壁顏色、密封形式、年周轉(zhuǎn)次數(shù)等均會(huì)影響VOCs損耗量，但外壁顏色的影響范圍有限，建議定期對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壁進(jìn)行除銹作業(yè)，外壁顏色選擇反射效應(yīng)大的漆面，采用二次密封形式等措施。

3）氣象因素中溫度與VOCs損耗量呈正相關(guān)，大氣壓與VOCs損耗量呈負(fù)相關(guān)，而風(fēng)速不影響損耗量，建議降低儲(chǔ)罐溫度，夏季采用水噴淋或增加隔熱板。