同 霄 張海玲 邱 奇 周 娟

(1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(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]，儲罐數(shù)量多、容量大，在大呼吸和小呼吸的過程中排放大量的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)儲罐容量大、年周轉(zhuǎn)次數(shù)相對較低的特點(diǎn)不同，石油從井筒采出，通過地面集輸系統(tǒng)進(jìn)行輸送和處理，集輸過程中儲罐具有容量較小、年周轉(zhuǎn)次數(shù)較高、工作時間長、靜置時間短的特點(diǎn)。本文采用美國環(huán)保署EPA發(fā)布的儲罐VOCs排放量計算模型，以小型儲罐為計算對象，研究了模型參數(shù)的確定方法，估算得到了儲罐VOCs排放量，分析了儲罐VOCs排放量的影響因素，針對性地提出了減排對策。

1 儲罐VOCs排放量計算方法

目前，儲罐VOCs排放量估算方法可分為兩類[7]，第一類為純經(jīng)驗(yàn)方法，包括美國石油協(xié)會API方法、日本資源能源廳方法、歐盟排放系數(shù)方法和中國的《散裝液態(tài)石油產(chǎn)品損耗》估算方法；第二類為半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，包括瓦廖夫斯基-契爾尼金方法、中國的《石油庫節(jié)能設(shè)計導(dǎo)則》方法和美國環(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)致使用過程較為繁瑣，但由于考慮因素全面，計算結(jié)果精確，在國際上廣泛使用。劉昭等[8]采用該模型對石化企業(yè)輕柴油固定儲罐的總損失進(jìn)行了估算，并提出了對應(yīng)措施；李靖等[9]基于該模型試算了臥式固定儲罐、立式固定儲罐、內(nèi)浮頂罐和外浮頂罐的VOCs排放量；辛梓弘[10]基于該模型對上海市排放企業(yè)238個有效儲罐的VOCs排放量進(jìn)行了計算；Jackson[11]應(yīng)用該模型對坦桑尼亞有機(jī)液體儲罐的VOCs排放量及擴(kuò)散風(fēng)險進(jìn)行了計算和評估。

2 計算參數(shù)的確定

TANKS模型中計算參數(shù)主要分為3類：第1類為罐體參數(shù)。在確定了儲罐類型后，需要進(jìn)一步確定儲罐的罐體參數(shù)。儲罐類型有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類為氣象參數(shù)。為了確保精確的計算結(jié)果，需要確定儲罐所處位置的月氣溫、月風(fēng)速、月太陽能總輻射等參數(shù)。第3類為存儲物質(zhì)的參數(shù)。模型中有內(nèi)置的儲存物質(zhì)庫，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儲罐為例進(jìn)行計算。所選擇儲罐為地上臥式固定頂罐，儲罐長6 m，寬2 m，高2.5 m，罐體狀況良好，顏色為灰色，計算其等效直徑為2.52 m，平均儲油量為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。

計算模型中長度、體積、壓力等參數(shù)為美制單位，單位轉(zhuǎn)換后的計算參數(shù)見表1。

表1 單位轉(zhuǎn)換后的罐體計算參數(shù)

2.2 氣象參數(shù)

2.2.1 氣溫

統(tǒng)計國家氣相信息中心2017年氣溫數(shù)據(jù)，得到西峰地區(qū)12個月的最低氣溫和最高氣溫，用于后期的計算。

計算模型中的溫度為華氏溫度，單位轉(zhuǎn)換后的參數(shù)見表2。

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

2.2.2 風(fēng)速

根據(jù)風(fēng)力等級劃分[12]，0～7級平均風(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)國家氣相信息中心提供的數(shù)據(jù)，對2017年西峰地區(qū)每個月不同風(fēng)級出現(xiàn)天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到該地區(qū)每個月的平均風(fēng)速，見圖1。

計算模型中風(fēng)速單位為mph，單位轉(zhuǎn)換后的參數(shù)見表3。

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

mph

2.2.3 太陽能總輻射

周楊等[13]基于西北5省27個輻射站逐日太陽總輻射和163個氣象站逐日日照時數(shù)，用統(tǒng)計分析和規(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計算時使用的Btu/ft2·day，西峰地區(qū)太陽能總輻射統(tǒng)計見表4。

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

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

2.3 存儲物質(zhì)的參數(shù)

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

3 結(jié)果分析

3.1 計算結(jié)果

將上述計算參數(shù)代入計算模型中，得到儲罐VOCs排放量，見圖2。

圖2 儲罐VOCs排放量計算結(jié)果

儲罐VOCs排放量分為靜置排放量和工作排放量兩類。由圖2可知，儲罐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%。這是由于小型儲罐的年周轉(zhuǎn)次數(shù)高，即工作時間較長，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

儲罐VOCs排放量隨著時間的變化發(fā)生波動，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)和存儲物質(zhì)不變，所以氣象參數(shù)的改變引起了排放量的波動。繪制儲罐VOCs總排放量、平均溫度、平均風(fēng)速和太陽能總輻射對比曲線，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，溫度越高，風(fēng)速越大，太陽能總輻射越大(日照時間越長)，VOCs的排放量越大，呈正相關(guān)。

圖3 儲罐VOCs排放量和氣象條件對比曲線

3.2.2 儲罐體積

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

圖4 不同儲罐體積對應(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種工況下儲罐的工作排放量相等，均為2.34 t，靜置排放量隨著儲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摅w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，對應(yīng)的年周轉(zhuǎn)量分別為1.095×104，2.19×104，4.38×104，8.76×104m3。計算繪制得到不同年周轉(zhuǎn)量對應(yīng)的VOCs排放量，見圖5。

圖5 不同年周轉(zhuǎn)量對應(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種工況下儲罐的靜置排放量相等，均為0.35 t，工作排放量隨著儲罐年周轉(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，儲罐在進(jìn)料和出料的大呼吸過程中油氣揮發(fā)損失越大，最終導(dǎo)致工作排放量越大。

3.3 減排對策與建議

3.3.1 降低儲罐溫度

閆嘯[15]測試了漆面顏色為銀灰色、綠色、天藍(lán)色和黑色4個50 m3臥式儲罐的罐內(nèi)溫度，分別為11，14.7，20.3，30℃，并跟蹤測試了4種儲罐裝滿汽油儲存一年后的蒸發(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)儲存物質(zhì)溫度一定時，環(huán)境氣溫和太陽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試件進(jìn)行了太陽輻射吸收系數(shù)測試，其中白色漆面和聚氨酯材料的組合太陽輻射吸收系數(shù)最低，即太陽能反射效應(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)選儲罐類型

油田場站常見的儲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，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推薦的儲罐VOCs排放量計算公式，以西峰地區(qū)儲罐為計算對象，分析計算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

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

3)儲罐體積是影響儲罐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；儲罐年周轉(zhuǎn)量是影響儲罐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。