中美儲罐呼吸排放量計算方法對比

林 立，魯 君，何校初，鄔堅平，伏晴艷

（1. 上海市環(huán)境科學研究院，上海 200233；2. 上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200030）

中美儲罐呼吸排放量計算方法對比

林 立1，魯 君1，何校初1，鄔堅平1，伏晴艷2

（1. 上海市環(huán)境科學研究院，上海 200233；2. 上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200030）

論述了我國和美國幾種常見儲罐的呼吸排放量計算方法，應用SH/T3002—2000《石油庫節(jié)能設(shè)計導則》和美國TANK4.0.9模型對拱頂罐和內(nèi)浮頂油罐的“大呼吸”和“小呼吸”排放量進行實例計算，具體分析了我國和美國在儲罐呼吸排放量計算方法上的異同，提出了我國儲罐呼吸排放量計算模式改進的方向。

儲罐；拱頂罐；內(nèi)浮頂罐；呼吸排放量；石油庫

石油化工生產(chǎn)過程中的無組織排放日益受到人們關(guān)注，主要排放源包括原油、餾分油、成品油的儲罐，廢水集中輸送系統(tǒng)中的地漏、池、連接井、觀察井， 廢水處理系統(tǒng)中的廢水儲罐、池、廢水處理設(shè)施，設(shè)備、閥門、法蘭泄漏等［1］。以油品為例，我國每年蒸發(fā)排放的輕質(zhì)油為4.7×105t［2］。石油化工無組織排放過程主要產(chǎn)生揮發(fā)性有機物（VOCs）。VOCs種類繁多，包括各種烴類、醇類、酮類、醛類、醚類、酸類和胺類等，多數(shù)會危害人類健康，污染環(huán)境［3-4］。儲罐無組織排放中產(chǎn)生的VOCs不僅浪費了資源，而且嚴重污染環(huán)境，因此越來越受到人們的關(guān)注［5-6］。

儲罐的排放主要來自工作排放（裝卸過程）、呼吸排放（存儲排放）、閃蒸、密封系統(tǒng)氣體去除過程、儲罐清洗等。其中，最為常見的是儲罐的工作排放和呼吸排放。加強對于儲罐呼吸排放的控制，可較為有效地改善石油化工區(qū)無組織排放的現(xiàn)狀。因此，準確計算儲罐呼吸排放量顯得尤為重要，它能夠為相關(guān)管理部門控制儲罐無組織排放提供重要依據(jù)。

本文對石油化工企業(yè)無組織排放中的有機液體儲罐排放量的計算方法進行了研究。

1 儲罐分類及其排放源

1.1 儲罐分類

美國將儲罐分為七大類，即固定頂罐、外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐、圓形外浮頂罐、臥式罐（地上、地下）、壓力罐、蒸氣空間可變罐（圓柱體或球體）。我國SH/T3002—2000《石油庫節(jié)能設(shè)計導則》（簡稱《導則》）中主要包括拱頂罐、浮頂油罐和內(nèi)浮頂油罐三大類儲罐［7-8］。

1.2 儲罐排放源

當油品靜止存于儲罐中時，油品蒸氣充滿儲罐氣體空間，由于儲罐內(nèi)溫度和壓力的晝夜變化而引起的蒸發(fā)損失稱為儲罐的“小呼吸”排放。儲罐的“大呼吸”排放是指液體儲罐接收液體時，由于液面不斷上升，罐內(nèi)混合氣體被壓縮，導致壓力不斷升高，當氣體空間的壓力大于壓力閥的控制值時，壓力閥開啟，混合氣體溢出罐外，從而產(chǎn)生蒸發(fā)損失［9-10］。

2 中美儲罐呼吸排放量計算方法

基于美國環(huán)保署（EPA）的排放因子文件AP-42第七章中的理論，美國開發(fā)了TANK4.0.9模型，主要用于計算固定頂罐、外浮頂罐、圓形外浮頂罐、臥式罐以及內(nèi)浮頂罐五大類儲罐的呼吸排放量。我國在《導則》的基礎(chǔ)上開發(fā)了一款“環(huán)評助手小軟件”（試用版）用于計算拱頂罐、浮頂罐、內(nèi)浮頂罐的“大、小呼吸”排放量。

2.1 美國EPA中的儲罐呼吸排放量計算公式

2.1.1 固定頂罐的呼吸排放量

固定頂罐的“小呼吸”排放量和“大呼吸”排放量計算公式分別見式（1）和式（2）。

式中：LS為固定頂罐的“小呼吸”排放量，lb/a（1 lb/a= 453.6 g/a，下同）；DS為罐直徑，ft（1 ft= 304.8 mm，下同）；Hvo為蒸氣空間高度，ft；Wv為存儲液體的蒸氣密度，l b/ft3（1 lb/ft3=16.02 kg/m3）；KE為蒸氣膨脹系數(shù)，無量綱；Ks為蒸氣飽和系數(shù)，無量綱；Lw為固定頂罐的“大呼吸”排放量，lb/a；Mv為存儲液體的相對分子質(zhì)量，無量綱；PVA為日均液體表面溫度所對應的蒸氣壓，psi（1 psi=6.895 kPa）；Q為液體儲存體積，bbl/a （1 bbl/a=0.159 m3/a）；KN為周轉(zhuǎn)量系數(shù)，無量綱；KP為排放系數(shù)，Kp（原油）=0.75，Kp（其他有機液體）=1，無量綱。

2.1.2 浮頂罐的呼吸排放量

浮頂罐 （包括外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐和圓形外浮頂罐） 的總呼吸排放量計算公式見式（3）。

式中：LT為浮頂罐總呼吸排放量，lb/a；LR為邊緣密封排放量，lb/a；LWD為黏滯排放量，lb/a；LF為附件類型排放量，lb/a；LD為夾層密封排放量，lb/a。

2.2 我國《導則》中的儲罐呼吸排放量計算公式

2.2.1 拱頂罐的呼吸排放量

拱頂罐的“大呼吸”排放量計算公式見式（4）～式（8）。

式中：LDW為拱頂罐“大呼吸”排放量，m3/a；KT為周轉(zhuǎn)系數(shù)，無量綱；K1為油品系數(shù)，K1（汽油）=1，K1（原油）=0.75，無量綱；Py為油品平均溫度下的蒸氣壓，kPa；μy為油蒸氣相對分子質(zhì)量，無量綱；K為單位換算常數(shù)，K=51.6，無量綱；V1為泵送液體入罐量，m3；N為油罐周轉(zhuǎn)次數(shù)，無量綱；Q為油罐周轉(zhuǎn)量，m3/a；V為油罐體積，m3；Py1為油罐內(nèi)液面最低溫度對應的蒸氣壓，kPa；Py2為油罐內(nèi)液面最高溫度對應的蒸氣壓，kPa。

拱頂罐的“小呼吸”排放量計算公式見式（9）。

式中：LDS為拱頂罐“小呼吸”排放量，m3/a；K2為單位換算系數(shù)，K2=3.05，無量綱；K3為油品系數(shù)， K3（汽油）=1，K3（原油）=0.58，無量綱；P為油罐內(nèi)油品本體溫度下的蒸氣壓，kPa；Pa為當?shù)卮髿鈮海琸Pa；D為罐直徑，m；H為油罐內(nèi)氣體空間高度，m；ΔT為大氣溫度的平均日溫差，℃；Fp為涂料系數(shù)，無量綱；C1為小直徑油罐修正系數(shù)，無量綱。

2.2.2 內(nèi)浮頂油罐的呼吸排放量

內(nèi)浮頂油罐的“大呼吸”排放量計算公式見式（10）。

式中：LWF為內(nèi)浮頂油罐“大呼吸”排放量，kg/a；Q1為油罐周轉(zhuǎn)量，103m3/a；C為油罐壁的黏附系數(shù)，10-3m3/m2；ρy為油品的密度，kg/m3；NC為支柱個數(shù)， 無量綱；FC為支柱有效直徑，m。

內(nèi)浮頂油罐的“小呼吸”排放量計算公式見式（11）～式（13）。

式中：LSF為內(nèi)浮頂油罐“小呼吸”排放量，kg/a；K8為單位換算系數(shù)，K8=0.45，無量綱；Ke為邊緣密封排放系數(shù)，無量綱；Fm為浮盤附件總排放系數(shù)，無量綱；Fd為頂板接縫長度系數(shù)，無量綱；Kd為頂板接縫排放系數(shù)，Kd（焊接頂板）=0，Kd（非焊接頂板）=3.66，無量綱；P*為蒸氣壓函數(shù)，無量綱；mv為油氣相對分子質(zhì)量，無量綱；Kc為油品系數(shù)，Kc（原油）=0.4，Kc（汽油）=1，無量綱；Nmj為某種附件個數(shù)，無量綱；Kmj為某種附件的排放系數(shù)，無量綱。

2.3 中美儲罐呼吸排放量計算公式對比

美國EPA中的儲罐呼吸排放量計算方法考慮因素全面，包括儲罐的地理位置、氣象條件、罐體（類型、構(gòu)造、邊緣密封、夾層等）以及存儲化學品的物理化學性質(zhì)等，可用現(xiàn)有的排放因子、系數(shù)（默認值）代替無法獲得的數(shù)據(jù)。但TANK4.0.9模型中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫僅適合美國儲罐和常見化學品的特點。

我國的《導則》對美國EPA中的固定頂罐和浮頂罐的“大、小呼吸”排放量計算公式進行了修正，可較為方便地直接應用于我國常見拱頂罐和內(nèi)、外浮頂油罐的“大、小呼吸”排放量的計算。但《導則》中儲罐存儲液體的排放因子只包括了汽油和原油兩類，無其他原油副產(chǎn)品及有機化學物的相關(guān)系數(shù)。因此，應用《導則》計算汽油和原油的“大、小呼吸”排放量較為準確，但若用《導則》計算存儲其他有機液體的拱頂罐和浮頂油罐的“大、小呼吸”排放量時，會產(chǎn)生較大誤差，計算值只能作為參考使用。

3 儲罐呼吸排放量計算實例

3.1 參數(shù)設(shè)置

分別按照《導則》和美國TANK4.0.9模型對某真實儲罐的呼吸排放量進行計算。本文中的部分參數(shù)由工程師的經(jīng)驗獲得，可能存在一定誤差。拱頂罐的計算參數(shù)和儲存液體參數(shù)分別見表1和表2；內(nèi)浮頂油罐的計算參數(shù)和儲存液體參數(shù)分別見表3和表4。

表1 拱頂罐計算參數(shù)

表2 拱頂罐儲存液體參數(shù)

表3 內(nèi)浮頂油罐的計算參數(shù)

表4 內(nèi)浮頂油罐儲存液體參數(shù)

3.2 《導則》計算結(jié)果

拱頂罐的“大呼吸”排放量為256.75 kg/a，“小呼吸”排放量為116.86 kg/a，總呼吸排放量為373.61 kg/a。

內(nèi)浮頂油罐的“大呼吸”排放量為58.8 kg/a，“小呼吸”排放量為266.30 kg/a，總呼吸排放量為325.10 kg/a。

3.3 TANK 4.0.9模型計算結(jié)果

拱頂罐的“大呼吸”排放量為134.76 kg/a，“小呼吸”排放量為9.27 kg/a，總呼吸排放量為144.02 kg/a。

內(nèi)浮頂油罐的“大呼吸”排放量即浮盤著落排放量為61.02 kg/a，“小呼吸”排放量為邊緣密封排放量（164.67 kg/a）與夾層排放量（302.89 kg/a）之和，總呼吸排放量為528.58 kg/a。

3.4 中美儲罐呼吸排放量計算結(jié)果對比

關(guān)于拱頂罐的呼吸排放量，《導則》與TANK4.0.9模型均考慮了“大呼吸”和“小呼吸”兩部分，并且計算結(jié)果在同一個數(shù)量級上。關(guān)于內(nèi)浮頂油罐的呼吸排放量，分別按照《導則》與TANK4.0.9模型計算得出的“大呼吸”排放量較為接近；按照《導則》計算得出的總呼吸排放量低于TANK4.0.9模型的計算值。由于未對兩國的氣象參數(shù)進行校準，運用TANK4.0.9模型計算時，氣象數(shù)據(jù)取自與中國上海氣象條件較為接近的美國華盛頓，造成計算結(jié)果存在一定差異。

4 我國儲罐呼吸排放量計算方法的完善方向

（1） 對于內(nèi)浮頂油罐呼吸排放量的計算方法可參考美國，將呼吸排放分為邊緣密封排放、浮盤著落排放、夾層排放和夾層密封排放，這樣計算結(jié)果更為細化、清晰。

（2） 對國內(nèi)常見的儲罐類型、常用存儲物料的物理化學性質(zhì)、各城市的溫度、輻射強度、風速等氣象參數(shù)進行調(diào)研，建立完整的數(shù)據(jù)庫。

（3） 本文中計算案例的罐區(qū)沒有任何控制措施，對于有控制措施的罐區(qū)，需考慮控制措施的控制效率。可考慮建立儲罐控制措施信息庫，這不僅可以精確計算呼吸排放量，也可用于對儲罐排放的實際控制。

（4） 由于《導則》中的儲罐存儲液體排放因子只包括了汽油和原油兩類，無其他原油副產(chǎn)品及有機化學物的相關(guān)系數(shù)，因此還需進一步研究普遍適用于我國化學品的儲罐呼吸排放量計算方法。

5 結(jié)語

分別采用我國《導則》和美國EPA中的儲罐呼吸排放量計算方法計算拱頂罐和內(nèi)浮頂罐的呼吸排放量。結(jié)果表明，兩種方法的計算結(jié)果在同一數(shù)量級上。但《導則》中的計算公式缺乏物種性質(zhì)、氣象參數(shù)等系數(shù)，因此還需進一步完善適于我國的儲罐呼吸排放量計算方法。

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Com parative Study on Tank Breathing Em ission Calculation M ethods in China and US

Lin Li1，Lu Jun1，He Xiaochu1，Wu Jianping1，F(xiàn)u Qingyan2

（1. Shanghai Academy of Environmental Science，Shanghai 200233，China；2. Shanghai Environmental Monitoring Center，Shanghai 200030，China）

The calculation methods for breathing em issions from several common tanks used in China and US are discussed. The Chinese standard SH/T 3002-2000“Design guideline for energy conservation of petroleum depots”and the US TANK 4.0.9 model are used to calculate the“l(fā)arge”and“small”breathing emissions from domed fixed roof tanks and internal floating roof tanks. The calculation methods in China and US are analyzed and compared with each other，and the direction for improvement of tank breathing em ission calculation method in China is proposed.

storage tank；domed fixed roof tank；internal floating roof tank；breathing em ission；petroleum depot

X511

A

1006 - 1878（2012）02 - 0137 - 04

2011 - 09 - 02；

2011 - 12 - 10。

林立（1985—），女，上海市人，碩士，助理工程師，主要從事大氣化學、大氣氣溶膠、大氣污染控制的研究工作。電話 18217416638，電郵 linl@saes.sh.cn。

上海市環(huán)境保護局科研項目（ZX30914）。

（編輯 王 馨）