石化企業固定頂儲罐揮發性有機物排放量影響因素的分析

劉 昭，趙東風，孫 慧，李 石，韓豐磊

（1. 中國石油大學（華東） 化學工程學院，山東 青島 266580；2. 中國石油大學（華東） 環境與安全技術中心，山東 青島 266580）

環境評價

石化企業固定頂儲罐揮發性有機物排放量影響因素的分析

劉 昭1，趙東風1，孫 慧2，李 石1，韓豐磊1

（1. 中國石油大學（華東） 化學工程學院，山東 青島 266580；2. 中國石油大學（華東） 環境與安全技術中心，山東 青島 266580）

采用美國國家環保局推薦的儲罐揮發性有機物（VOCs）排放量定量計算方法，以北京某石化企業輕柴油固定頂儲罐為案例對象，計算了固定頂儲罐的總損失。通過對不同參數進行調節，比較分析了各變量對損失量的影響程度，得出了影響固定頂儲罐靜置儲藏損失和工作損失的關鍵參數和次要參數。并在此基礎上，提出了降低固定頂儲罐VOCs排放量的對應措施。實驗結果表明：影響固定頂儲罐靜置儲藏損失的關鍵參數為油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度和液體存儲高度，次要參數為日環境溫差和罐漆太陽能吸收率；影響工作損失的關鍵參數為油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度和年凈周轉量。

固定頂儲罐；揮發性有機物；影響因素；靜置儲藏損失；工作損失；環境影響評價

石油化工企業通常擁有大量原料儲罐、中間產品儲罐和成品儲罐。儲運作業及環境溫度和壓力的改變會導致儲罐中的油品產生蒸發損耗。油品的蒸發損耗不僅會帶來經濟損失和安全隱患［1］，而且排放出的大量揮發性有機物（VOCs）還會對周圍環境產生影響。VOCs被認為是促進臭氧和PM2.5形成的主要前體物之一。因此，石油化工企業的VOCs排放情況日益受到社會的關注［2］。

固定頂儲罐由于具有節省鋼材、投資小、配件少、費用低等優點［3］，被廣泛應用于油田開采和石化加工行業。但固定頂儲罐的蒸發損失比其他類型儲罐都大［4］。因此，對固定頂儲罐的蒸發損失進行精確計算，并確定主要影響參數，對環境管理部門及石化企業控制儲罐無組織排放具有重要的現實意義。

美國國家環保局（EPA）采用國際上廣泛認可的固定頂儲罐和浮頂罐的VOCs排放定量計算方法。EPA在該計算方法的基礎上開發出了相應的計算軟件“TANKS4.09d”。歐盟、澳大利亞、中國臺灣等國家和地區均使用該模型對VOCs的排放量進行精確計算［5］，其計算結果具有權威性［6］。

本工作采用美國EPA推薦的儲罐VOCs排放量定量計算方法計算北京某石化企業固定頂儲罐的VOCs排放量，并對參數進行分析，總結影響固定頂儲罐VOCs排放量的關鍵參數，進而提出降低固定頂儲罐蒸發損失的措施，為后續研究和環境管理提供依據。

1 固定頂儲罐的排放機理

固定頂儲罐的兩種典型排放為靜置儲藏損失和工作損失。靜置儲藏損失是由于溫度和氣壓變化使得罐內氣相膨脹，氣體溢出罐體。工作損失是由于有機溶劑注入和排出儲罐時罐中液位變化而引起的蒸發損失。注入操作時，罐中液位上升，罐內壓力超過釋放壓，導致蒸氣排出儲罐；排出操作時，空氣注入罐內，導致有機蒸氣飽和并擴散，從而超出氣相空間容積，造成蒸發損失［7］。

固定頂儲罐的VOCs排放受容器容積、所儲液體的蒸氣壓、罐體的利用率和罐體所處環境的大氣狀況等因素的影響。

2 固定頂儲罐VOCs排放量的計算及影響因素分析

2.1 儲罐基準數據

選取北京某石化企業的固定頂儲罐為基礎案例對象，存儲油品為輕柴油。儲罐的基準數據見表1。

2.2 VOCs排放量的計算

2.2.1 固定頂儲罐總損失的計算方法

固定頂儲罐的總損失為靜置儲藏損失（小呼吸損失）和工作損失（大呼吸損失）的和［8-9］，計算式見式（1）。

表1 儲罐的基準數據

2.2.2 靜置儲藏損失的計算方法及影響因素分析

靜置儲藏損失是指由于罐體氣相空間呼吸導致的儲存氣相的損失，計算式見式（2）。

式中：ρV與油品蒸氣相對分子質量、日平均液面溫度下的蒸氣壓、日平均液體表面溫度有關；KE的計算依賴于罐中液體的特性和呼吸排放附件，如已知罐所儲位置，KE與日環境溫差和罐漆太陽能吸收率有關；KS與日平均液面溫度下的蒸氣壓和液體存儲高度有關。

采用上述計算式時，選取影響固定頂儲罐靜置儲藏損失的主要參數為油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度、日環境溫差、罐漆太陽能吸收率、液體存儲高度。固定頂儲罐靜置儲藏損失的主要參數基準值及變化范圍見表2。

表2 固定頂儲罐靜置儲藏損失的主要參數基準值及變化范圍

將目標參數在變化范圍內取值，其他參數設定為基準值，代入式（2）計算靜置儲藏損失。油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度、日環境溫差、罐漆太陽能吸收率、液體存儲高度對靜置儲藏損失的影響分別見圖1～5。

圖1 油品蒸氣相對分子質量對靜置儲藏損失的影響

圖2 日平均液體表面溫度對靜置儲藏損失的影響

圖3 日環境溫差對靜置儲藏損失的影響

2.2.3 工作損失的計算方法及影響因素分析

工作損失與裝料或卸料時所儲蒸氣的排放有關，計算式見式（3）。

式中：PVA與日平均液體表面溫度有關；當N＞36時，KN=（180+N）/6N，當N≤36時，KN=1；原油的KP為0.75，其他有機液體的KP為1。

圖4 罐漆太陽能吸收率對靜置儲藏損失的影響

圖5 液體存儲高度對靜置儲藏損失的影響

選取影響固定頂儲罐工作損失的主要參數為油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度、年凈周轉量。固定頂儲罐工作損失的主要參數基準值及變化范圍見表3。

表3 固定頂儲罐工作損失的主要參數基準值及變化范圍

將目標參數在變化范圍內取值，其他參數設定為基準值，代入式（3）計算工作損失。油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度、年凈周轉量對工作損失的影響分別見圖6～8。

圖6 油品蒸氣相對分子質量對工作損失的影響

圖7 日平均液體表面溫度對工作損失的影響

圖8 年凈周轉量對工作損失的影響

2.3 參數影響的對比

對圖1～8中的數據進行擬合，得到各目標參數與損失量之間的關系式，并由此對各參數對損失量的影響程度進行評價，結果見表4。由表4可見：影響固定頂儲罐靜置儲藏損失的關鍵參數為油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度和液體存儲高度，次要參數為日環境溫差和罐漆太陽能吸收率；影響工作損失的關鍵參數為油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度和年凈周轉量。通過對比可知，油品蒸氣相對分子質量對靜置儲藏損失和工作損失均有影響，且影響程度相似；日平均液體表面溫度對工作損失的影響大于對靜置儲藏損失的影響。

3 降低固定頂儲罐蒸發損失的措施

1）儲罐罐體噴涂淺色罐漆。儲罐的靜置儲藏損失與罐漆顏色有關。罐漆的顏色越淺，越易反射陽光，從而減少熱能的吸收，防止儲罐內液體因溫度升高而轉化為氣態，減少損失量［10］。常見的儲罐罐漆顏色對應的罐漆太陽能吸收率和靜置儲藏損失見表5。

表4 參數影響的評價結果

表5 儲罐罐漆顏色對應的罐漆太陽能吸收率和靜置儲藏損失

由表5可見，白色罐漆的太陽能吸收率最低，而顏色最深的綠色罐漆的太陽能吸收率最高。

2）采用水噴淋。通過水吸熱蒸發，可在很大程度上降低儲罐表面溫度。尤其在高溫季節或日溫差較大的地區，可延長儲罐淋水期。這樣既可降低儲罐內液體的表面溫度，也可縮小罐內液體溫度差值，降低固定頂儲罐的蒸發損失。有研究表明，未采取水噴淋的金屬固定頂儲罐氣相空間的最高溫度比日最高氣溫高約20 ℃，而采用水噴淋的儲罐氣相空間的最高溫度則低于日最高氣溫［11］。

3）盡量選擇在溫度較低時進行油罐裝卸料操作。溫度對固定頂儲罐的VOCs工作損失影響較大。降低溫度可以促進罐內氣體分子的凝結，減慢蒸發，從而大幅降低固定頂儲罐的蒸發損失［12］。

4）使用浮頂罐儲存。固定頂儲罐的靜置儲藏損失與儲罐內的氣相空間容積有關。出料時固定頂儲罐內的液面降低，氣相空間容積增大，靜置儲藏損失增加。而浮頂罐的罐頂會隨液面的下降而下降，氣相空間容積基本保持不變，靜置儲藏損失較小［13］。據統計，外浮頂罐的損失率約為固定頂儲罐的5%～7%，內浮頂罐的損失率約為固定頂儲罐的4%［14］。

4 結論

a）通過分析美國EPA推薦的VOCs定量計算方法，計算北京某石化企業輕柴油固定頂儲罐的總損失。

b）影響固定頂儲罐靜置儲藏損失的關鍵參數為油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度和液體存儲高度，次要參數為日環境溫差和罐漆太陽能吸收率；影響工作損失的關鍵參數為油品蒸氣相對分子質量、日平均液體表面溫度和年凈周轉量。

c）根據計算結果和參數對比分析，提出了降低固定頂儲罐蒸發損失的措施主要為儲罐罐體噴涂淺色罐漆、采用水噴淋、盡量選擇在溫度較低時進行油罐裝卸料操作和使用浮頂罐儲存。

符 號 說 明

HL液體存儲高度，m

KE氣相空間膨脹因子，無量綱

KN工作損失周轉（飽和）因子，無量綱

KP工作損失產量因子，無量綱

KS排放蒸氣飽和因子，無量綱

LS靜置儲藏損失，t/a

LT總損失，t/a

LW工作損失，t/a

MV油品蒸氣相對分子質量，無量綱

N 年周轉次數，無量綱

PVA日平均液面溫度下的蒸氣壓，Pa

Q 年凈周轉量，t/a

VV氣相空間容積，m3

α 罐漆太陽能吸收率，無量綱

⊿θA日環境溫差，℃

θLA日平均液體表面溫度，℃

ρV儲藏氣相密度，kg/m3

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（編輯 王 馨）

Analysis on Factors Affecting VOCs Emissions from Fixed Roof Tanks in Petrochemical Plant

Liu Zhao1，Zhao Dongfeng1，Sun Hui2，Li Shi1，Han Fenglei1
（1. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao Shandong 266580，China；2. Environmental and Safety Technology Center，China University of Petroleum（East China），Qingdao Shandong 266580，China）

Taking a fi xed roof tank for light diesel oil storage in a petrochemical enterprise of Beijing as an example，the total loss of volatile organic compounds （VOCs）from the fi xed-roof tank was calculated using the quantitative calculation method recommended by US Environmental Protection Agency. The effects of the parameters on loss amount were compared with each other by adjusting different parameter，and the key parameters and secondary parameters affecting static storage loss and work loss of fi xed roof tank were conf i rmed. Based on these results，measures for decreasing of VOCs emissions of fi xed roof tank were proposed. The experimental results show that：For static storage loss，relative molecular mass of oil vapor，daily average liquid surface temperature and daily average liquid storage height are the key parameters，daily environmental temperature and tank paint solar absorption rate are the secondary parameters；For work loss，relative molecular mass of oil vapor，daily average liquid surface temperature and annual pure turnover volume are the key parameters.

fixed roof tank；volatile organic compound；influencing factor；static storage loss；work loss；environmental impact assessment

X511

A

1006-1878（2015）05-0531-05

2015 - 04 - 23；

2015 - 07 - 24。

劉昭（1990—），女，山東省淄博市人，碩士生，電話 18661964706，電郵 liuzhao0722@sina.com。聯系人：趙東風，電話 13905460127，電郵 zhaodf@vip.sina.com。

山東省自然基金項目（ZR2014EEM011，ZR2014BQ020）。