原油船VOC排放控制

大連海事大學輪機工程學院 葉朝陽

原油在進行船舶裝載、運輸和卸載等操作過程中，揮發性有機化合物（ Volatile Organic Compounds—VOC）會大量從油品中汽化逸出。如果這些VOC氣體不加控制排放到大氣中，不但會引起貨物損失，大量的可燃性氣體積聚在作業區也容易引發安全事故，更為嚴重的是還會造成環境污染。VOC的主要成分為甲烷氣體和非甲烷氣體NMVOC（Non Methane Volatile Organic Compounds）[1]，其中甲烷是一種溫室氣體，對大氣溫室效應的影響高于二氧化碳，而 NMVOC 中含有的多種成分和大氣中的氮氧化物在陽光（特別是紫外線）的作用下會發生化學反應，產生光化學氧化物和PM等污染物，形成“光化學污染”。光化學氧化物主要包括醛和臭氧等有害物質，其對人體的危害遠遠高于其成因物NMVOC，而PM則是形成霧霾天氣的主要前置物之一。

一、控制VOC排放的法規

(一) 國際海事組織（IMO）

根據MEPC.176(58)決議修訂的MARPOL73 /78附則Ⅵ第15.6條的規定，載運原油的液貨船舶，應備有并實施經主管機關或授權組織批準的VOC管理計劃，計劃應根據IMO制定的相關指南編寫，管理計劃的要求已于2010年7月1日起實施。為此，IMO第59屆海環會于2009年7月17日批準了《VOC管理計劃編制指南》，即MEPC.185 (59)。

VOC管理計劃的主要目的是通過優化操作程序以最大限度減少VOC的釋放，以及利用裝置、設備或設計的改變防止或最大限度減少VOC排放[2]。

(二) 歐盟

歐洲經濟委員會在1999年的哥特堡草案中決定2010年之前將NMVOC的排放量在 1990年的基礎上減少30%。目前挪威憑借其技術優勢，尤其是在NMVOC回收管理方面的技術，已經實現了這一目標[1]。

(三) 美國

美國沿岸各州政府從1998年開始，要求進入其港口裝貨的油船使用油氣回收系統，并陸續在各裝船港口配備VOC接收裝置。美國聯邦法典第46卷還對油船貨油艙的油氣回收要求作了詳細規定。目前，美國海岸港口已禁止沒有油氣收集系統的船舶停靠。

(四) 中國

由國家環保總局和國家質監總局聯合發布的《儲油庫大氣污染物排放標準》、《汽油運輸大氣污染物排放標準》和《加油站大氣污染排放標準》已于2007年8月1日起實施。此3項標準為油氣回收治理規定了油氣排放限值控制技術要求和檢測方法。

目前，中國油庫煉油廠和加油站都開展了回收油氣的工作，但在油品碼頭裝船作業時，其油氣回收裝置的工藝研發進展緩慢，還沒有相關的國家標準或行業標準[3]。

二、控制VOC釋放

控制VOC 的排放主要有兩條途徑：一是控制VOC的釋放，即盡量抑制并減少艙內油氣的產生；二是回收VOC。后者在技術難度和資金投入上會比前者高一些，但處理效果會優于前者。

(一) 影響VOC釋放的因素

降低VOC的排放污染首先應控制VOC釋放的速率和總量，其影響因素主要有4點：1.原油的揮發性；2.油艙內原油和原油上部空間蒸氣的溫度；3.油艙內蒸氣容積的變化；4.油艙內蒸氣壓力設定值或控制值[4]。

油艙內的蒸氣由飽和蒸氣和非飽和蒸氣組成。原油蒸氣形成飽和蒸氣，理論上飽和蒸氣壓力不應隨蒸氣的容積（油艙的剩余容積）的大小改變，僅隨原油的溫度而改變，溫度升高飽和壓力增加；非飽和蒸氣主要來自惰氣（用于液貨艙的安全保護），其蒸氣壓力隨容積和溫度的變化而變化，容積減少，溫度升高，非飽和蒸氣壓力增加。

油艙內的蒸氣壓力控制值與飽和蒸氣逸出量有關，當蒸氣壓力降低并低于原油飽和蒸氣壓力時，VOC會持續生成，直到蒸氣系統恢復平衡。

(二) 原油船VOC釋放時機

通常原油船VOC的釋放主要發生在兩個不連續的情況下，分別為裝載時和貨物運輸途中。

1.裝載時VOC的釋放

裝載時，艙內VOC蒸氣由兩部分組成，一部分為裝載前艙內現有的蒸氣，來自上一航次卸載過程和/或原油洗艙操作時產生的蒸氣，這部分蒸氣的壓力可以在裝載前進行適當控制；另一部分來自裝載過程所產生的蒸氣，這部分蒸氣的產生主要是由于裝載中油艙的容積率變化產生湍流，以及由于裝載管系中的壓差對原油中蒸氣產生一定程度的“閃蒸”。

2.運輸途中VOC的釋放

液貨艙內溫度的變化會引起VOC釋放。運輸途中，艙內氣態的溫度變化較快，一天之內各有不同，船舶在不同經緯度的航行也會導致溫度的較大變化；而原油的溫度變化相對較慢，主要取決船體的設計和周圍海水的溫度。

(三) 控制VOC釋放的措施

根據影響VOC釋放的因素和VOC釋放時機，可以通過有針對性地優化蒸氣壓力控制值和規范操作程序等措施，來降低VOC的釋放量。

1.優化蒸氣壓力控制值

原油船的油艙被設計并建造成可以承受一定值的蒸氣壓力，一般油艙結構最大允許正壓力為25 KN/m2（大約2550 mm WG），負壓為700 mm WG。超過最大的允許壓力會導致結構故障，嚴重時會出現通向大氣的開口，發生失控的VOC排放可能會對海洋造成油污染。通常原油船安裝有獨立的油艙壓力/真空閥（即P/V Valve，每個油艙配備一個）和共用壓力/真空破斷裝置（即P/V Breaker），用以控制油艙壓力，保持其在安全范圍內。

典型的原油船有一條共用的油艙透氣和惰性氣體主管路，同時也用于VOC排放控制。油艙透氣/惰性氣體總管與一個桅桿透氣管相連接，P/V破斷裝置設置在油艙透氣/惰性氣體總管與桅桿透氣管之間。貨油裝載過程中，桅桿透氣管閥開啟（除非進行VOC排放控制）且VOC被排向大氣。卸載過程中，桅桿透氣管閥關閉，用惰性氣體來替換艙內大氣。在航行中也使用液貨艙透氣/惰性氣體主管，但僅在蒸氣壓力增加時對桅桿透氣管閥進行操作。除共用的液貨艙透氣/惰性氣體主管外，每個油艙裝有一個P/V閥。航行過程中VOC的釋放，通常是由于油艙溫度的變化引起的。如果艙內溫度的變化導致艙內壓力超過P/V閥的設定值，在油艙與共用的液貨艙透氣/惰性氣體主管隔離時，P/V閥打開，進行溫變呼吸，發生VOC排放。盡管油艙設計壓力一般為+2550 mm WG和-700 mm WG，但原油船上P/V閥的設定值一般為+1400 mm WG和-350 mm WG，P/V破斷裝置的設定值一般為+1800 mm WG和-500 mm WG[5]。

當油艙壓力保持并大于原油飽和蒸氣壓力時，原油液態和氣態之間會達到平衡，不會進一步釋放VOC。通過提高P/V閥的開啟設定值（例如2100 mm WG），則原油的飽和蒸氣壓力將會低于此設定值，VOC不會產生。同理，P/V破斷裝置則可設置為2400 mm WG。對壓力設定值進行合理增加，使其高于載運原油的飽和蒸氣壓力，VOC的釋放則得到控制。增加壓力設定值，首先不應超過許用最大設計壓力（2550 mm WG）并留有一定的安全裕量；其次應考慮配置P/V閥的結構，如不能調整到理想的設定值則需要更換；壓力設定值的調整需要得到船舶入籍船級社的同意和認可。各船級社對采取VOC控制和回收系統的船舶都有特定的附加符號，如DNV船級社對符合IMO Guideline MSC/Circ.585的船舶附加VCS-1，符合USCG regulation 46 CFR Part 33的船舶附加VCS-2。

2.安裝貨油管路部分壓力控制系統（KVOC）

KVOC系統可以通過艙內壓力平衡技術，盡量抑制并減少艙內VOC的產生。其基本原理是安裝一個依據貨油預期裝載速率設計的特別下降管柱，此下降管柱比普通下降管柱直徑更大，管柱直徑的增加可以降低管柱內貨油流速，從而使貨油壓力自身調節至貨油的飽和蒸氣壓力（SVP），壓力平衡就意味著油、氣兩相達到了平衡，不再有額外的VOC生成。此系統能一定程度減少VOC的釋放，且結構簡單，投入資金少。目前不少航行于北海水域的穿梭油船配置了KVOC系統[1]。

3.規范操作程序

在保證人命、船舶和貨物安全的前提下，在進行裝載、運輸、卸載、排氣和原油洗艙等操作時，應盡可能采用科學合理的操作程序，減少VOC的釋放和排放。當釋放和排放出現矛盾時，應優先考慮排放的可能。船舶配備的設備不同，操作程序也不盡相同，但仍然有相同的最佳管理方法。

裝載時，盡量避免或減少原油在管內過度節流和高流速，防止低壓產生潛在的VOC釋放；在裝載和運輸原油時，應盡可能將艙壓維持在較高的安全值；進行必要的排氣以降低艙壓時，排氣應盡可能的少，維持安全的高艙壓，同時也可以避免溫度降低時補充惰氣來維持正壓；在安全的范圍內，減少充惰的數量，充惰可以增加艙壓抑制VOC釋放，但同時也增加了由于艙壓過高而不得不進行排氣（VOC排放）的機會；在進行原油洗艙作業時，在保證洗艙效果的前提下，通過優化洗艙程序，縮短洗艙持續時間或使用閉合循環原油洗艙程序，減少VOC的釋放。

三、VOC的回收

VOC不可避免的釋放必然會導致其向大氣中排放，如果對VOC蒸氣進行回收，在保護環境的同時，也能減少經濟損失。一份來自挪威海洋工程研究中心（MARINTEK）的研究報告表明，離岸裝載的穿梭油船在惡劣天氣下，其VOC釋放率為2.8 kg/t，一艘載重10萬t原油的船舶在裝載時，將會有約2200桶的原油被釋放成VOC，以每桶100美元計算，其經濟價值達22萬美元。

(一) 港口碼頭建立VOC回收系統

在液體散貨碼頭配備VOC回收設備，可以將原油船裝載、運輸和原油洗艙等作業產生的VOC進行回收，再通過冷凝、吸收、吸附和膜分離等技術將VOC蒸氣變成液體。瑞典已在50 多個液體散貨裝船碼頭上建造VOC回收系統，采用的技術之一就是利用低溫煤油吸收蒸氣，然后再將其分離出來，冷卻凝結成液體，回收率達到98%[3]。

(二) 船舶進行VOC回收

20世紀90年代后期，歐洲經濟委員會要求使用岸上回收裝置減少VOC排放，這促進了航行在北海地區的穿梭油船安裝回收系統，相對成熟的岸上回收技術和船舶特點相結合，產生了多種不同的回收技術并得到實際裝船試驗和應用[1]。

1.凝結回收系統

該系統的工作原理與LPG運輸船的再液化裝置類似。通過VOC回收裝置里的壓縮機、冷凝器以及分離器，VOC被冷凝、加壓后存儲在液態儲存罐中。隨著相關技術的不斷完善成熟，VOC液化后可以作為燃料被鍋爐、主機等使用。

2.吸收回收系統

系統的主要設備是吸收柱。油艙內的VOC蒸氣和惰氣混合物被壓縮機加壓后，從吸收柱底部進入；一部分原油被油泵從裝油主管路上的支路吸入，加壓后從吸收柱上部進入，吸收逆流的VOC蒸氣，然后從管柱底部回到裝油主管路上，與裝載原油混合后進入油艙內；未被吸收的氣體（主要成分為惰氣）通過貨油透氣桅桿排放至大氣。

3.活性炭吸收系統

系統的主要設備是炭過濾器、真空泵和吸收器。基本工作原理是炭真空吸附技術，首先由炭過濾器過濾吸收艙內產生的油氣；隨后該炭過濾器由一個真空泵降壓再生，以恢復其吸附能力，并在下一環節吸附油氣；最后所釋放出來的高濃油氣進入吸收器，被艙內來的原油吸收后返回到艙內。

四、控制VOC排放的措施

(一) 健全控制船舶VOC排放制度

目前實施的《大氣污染防治法》是2000年修訂的，對于VOC的控制并沒有提出具體要求；2012年10月環境保護部向社會公布了《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》，規劃中首次提出了減少VOC排放目標，對VOC的治理提出了開展重點行業治理，完善VOC污染防治體系的相關措施。但其僅是一個計劃，規劃中各項目標的實現，要靠相應法律法規和標準加以保障[6]。原油船的VOC排放僅是工業排放中的一小部分，但鑒于其涉及國際貿易的特殊性，應在《大氣污染防治法》再次修訂時得到關注，或制定實施專門法規，避免中國航運企業一直處于被動接受國際和地區相關法規的窘境。

(二) 航運企業積極控制VOC排放

隨著國際社會對環境保護的日趨重視，可以預見控制VOC排放的國際、地區和國家法規會越來越嚴格。為避免被動應對，增強可持續發展能力，航運企業應積極開發和采用新技術、新措施控制VOC的釋放和排放。同時，應加強員工培訓，規范操作程序，確保船舶“VOC 管理計劃”得到高效實施。

(三) 逐步建立和完善港口VOC回收系統

根據對沿海、沿江各液體散貨裝船港的調查，采用碼頭油氣回收技術進行VOC回收的范例較少，且應用效果并不理想。如天津港、廈門港和廣州港的油氣回收設備因設計選型和多種化工廢氣混雜原因未使用；南京港設備因管道運輸替代船舶運輸而停用；青島港黃島化工廠碼頭石腦油油氣回收設備直接采用國外技術，處于使用狀態且效果良好；寧波港及大連港的新建油碼頭均建立了油氣回收系統；而國內其他大型港口的氣體回收裝置僅安裝在個別裝載毒性強的液體化工碼頭[3]。

2013年9月國務院印發的《大氣污染防治行動計劃》中，明確提出“在原油成品油碼頭積極開展油氣回收治理”。港口城市環保部門和港口企業應重視原油VOC排放的回收治理，逐步建立和完善港口VOC回收系統。

(四) 加大控制VOC排放技術的研發和應用

中國目前在油船VOC產生機理和處理技術以及回收裝置的研發和制造等方面處于起步階段[7]，《大氣污染防治行動計劃》中也提及“加強揮發性有機物控制技術研發，推進技術成果轉化應用”，相關職能部門和研究機構在VOC釋放和排放控制等方面亟需組織力量進行深入、系統的研究。

[1]朱杰. NMVOC減排回收系統在穿梭油輪上的應用[J]. 船舶工程，2011（3）.

[2]IMO. MEPC.185 (59)：Guidelines for the Development of a VOC Management Plan [S]. 2009.

[3]喬建哲等. 碼頭油氣回收技術的發展及問題探討[J]. 綠色科技，2013（1）.

[4]IMO. MEPC.1/Circ.680：Technical Information on Systems and Operation to Assist Development of VOC Management Plants[S]. 2009.

[5]郭領軍，羅志農. 《VOC管理計劃》規則在52300DWT液貨船的實施[J]. 廣船科技，2013（2）.

[6]王鐵宇等. 中國VOCs的排放特征及控制對策研究[J]. 環境科學，2013（12）.

[7]武士坤. 油船油氣揮發的危害與處理措施的研究[J]. 中國水運，2011（10）.