石化企業浮頂罐大呼吸損耗核算方法分析

劉敏敏，王永強，劉 芳，段濰超，王 婧，陳 曦

（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） 安全環保與節能技術中心，山東 青島 266580；3. 中國石油工程建設有限公司 華東設計分公司，山東 青島 266071）

環境評價

石化企業浮頂罐大呼吸損耗核算方法分析

劉敏敏1，王永強1，劉 芳1，段濰超2，王 婧3，陳 曦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） 安全環保與節能技術中心，山東 青島 266580；3. 中國石油工程建設有限公司 華東設計分公司，山東 青島 266071）

石化企業儲罐無組織排放揮發性有機物（VOCs）帶來嚴重的環境問題和油品損耗問題，以浮頂罐的大呼吸損耗為代表。在概述浮頂罐大呼吸損耗機理的基礎上，以北京某石化企業的甲苯內浮頂罐為基準案例，對國內外4種核算公式進行了對比分析，考察了影響浮頂罐大呼吸損耗的因素，并提出有效的減耗措施。結果表明：采用我國推薦的公式進行核算更符合我國實際，需建立和完善以我國有機液體理化參數和儲罐構造為基準的核算方法和軟件；影響浮頂罐大呼吸損耗的主要因素包括油品性質、周轉量、罐體直徑、罐壁黏附系數等，其中罐壁黏附系數為關鍵影響因素。

石化企業；浮頂罐；揮發性有機物；大呼吸損耗；核算

隨著我國油品需求量的不斷增加，油品儲罐的數量也逐漸增多。石化企業步入大型化發展階段，在推動社會進步的同時也帶來了嚴重的環境問題和油品損耗問題，而儲罐無組織排放揮發性有機物（VOCs）是該問題的主要成因［1］。據統計，我國平均每年有千萬噸級的VOCs從有機液體儲罐中散逸到大氣中［2］，不但會造成油氣資源的浪費［3］，也會導致油品質量的下降［4］，如辛烷值降低、氧化速率加快、膠質含量增加等。此外，油蒸氣散發到大氣中，還會嚴重污染環境，危害人類健康［5］，且在局部地區構成潛在的火災危險［6］。因此，石化企業儲罐VOCs的排放受到社會的廣泛關注［7-8］。

常見的儲罐形式包括固定頂罐、浮頂罐和球形罐等。研究發現，與固定頂罐相比，浮頂罐的蒸發損耗降低了90%左右［9］，故20世紀80年代以來，浮頂罐成為主要的油品儲存設施。正常工況下，浮頂罐的蒸發損耗主要分為收發油操作時的大呼吸損耗和靜置儲存時的小呼吸損耗。多年來，國內外相關學者針對后者采取了許多措施，如密封等，使得其在總蒸發損耗中的比例大幅降低，但大呼吸損耗仍有待進一步控制。因此，對浮頂罐的大呼吸損耗進行精確核算顯得尤為重要。

本工作在概述浮頂罐大呼吸損耗機理的基礎上，以北京某石化企業的甲苯內浮頂罐為基準案例，對國內外4種核算公式進行了對比分析，考察了影響浮頂罐大呼吸損耗的因素，并提出有效的減耗措施，以期為環評或相關部門控制浮頂罐無組織排放提供依據。

1 浮頂罐大呼吸損耗機理

對于浮頂罐，其大呼吸損耗又稱為掛壁損失。在浮頂罐發料過程中，當儲罐處于低液位時，由于在工作過程中浮頂隨液位下降，殘留在罐內壁上的有機液體隨即蒸發，由此造成的損耗稱為掛壁損失。對于有支柱支撐的大型內浮頂罐，隨著液面的下降，儲液也會黏附在支柱表面而產生損耗［2，10］。

2 浮頂罐大呼吸損耗核算方法

2.1 核算公式

對于浮頂罐大呼吸損耗的核算，國內外已開展了許多相關研究，主要的核算公式有美國石油學會（API）的經驗公式［11］、美國環保署（EPA）推薦的經驗公式［12］、中國石油化工集團公司（以下簡稱中石化）經驗公式［13］和《石油庫節能設計導則》（SH/T 3002—2000）（以下簡稱《導則》）公式［14］。

2.1.1 API公式

API對內浮頂罐和外浮頂罐的大呼吸損耗核算方法相同，其公式為：

式中：LW為浮頂罐大呼吸損耗量，t/a；1.37×10-4為常數，t/m2；V為油品泵送入罐量，m3/a；D為罐體直徑，m。

2.1.2 EPA公式

EPA發布的液體儲罐中浮頂罐大呼吸損耗的核算方法是基于多年理論推導和現場試驗研究建立起來的，其公式為：

式中：Q為周轉量，m3/a；CS為罐壁黏附系數，m3/103m2，詳見表1；WL為有機液體密度，kg/m3；NC為固定頂支撐柱數量（對于自支撐固定浮頂或外浮頂罐NC=0），無量綱；FC為柱的有效直徑，m；0.943為系數，根據美國儲罐及油品性質換算而來。

表1 浮頂罐的罐壁黏附系數 m3/103m2

2.1.3 中石化公式

對于浮頂罐大呼吸損耗的核算，中石化系統編制的經驗公式如下：

式中：4為系數，根據我國儲罐及油品性質換算而來。

2.1.4 《導則》公式

《導則》中對于浮頂罐大呼吸損耗的核算方法見式（4）。由式4可見，對于外浮頂罐大呼吸損耗的核算方法，《導則》與中石化經驗公式相同，而對于用固定支撐柱支撐固定浮頂的內浮頂罐則略有不同。

2.2 核算實例

以北京某石化企業典型甲苯內浮頂罐作為基準案例進行大呼吸損耗核算，該儲罐的基準數據見表2（式（1）中的V在此案例中與Q相等）。

表2 北京某石化企業典型甲苯內浮頂罐的基準數據

分別按照式（1）～（4）對上述甲苯內浮頂罐的大呼吸損耗進行核算，結果見表3。由表3可見，API公式核算結果與EPA公式結果相近，而中石化公式和《導則》公式核算結果接近，且比API和EPA結果都要大。以上結果是由于每種核算方法考察的因素、儲罐特性及油品參數存在差異而導致的。

表3 不同核算公式的計算結果 LW，t/a

2.3 核算公式的對比分析

通過對上述浮頂罐大呼吸損耗核算方法的對比可知，API的計算公式相對簡單，僅考慮了油品泵送入罐量和罐體直徑兩個因素，適用于儲存原油、汽油及揮發性有機溶劑時的大呼吸損耗估算。該公式是在大量實驗的基礎上，通過統計分析得出的純經驗公式，且均以美國現狀為基礎，其罐體特性、工藝水平、操作條件等均與我國有很大差異，因此，該公式在我國的適用性較差［15］。

EPA公式的浮頂罐大呼吸損耗量計算方法考慮的因素全面，除了油品的周轉量和罐體直徑外，還包括罐壁狀況及存儲有機液體的物化性質等，計算結果精度高，具有適用油品、化學品范圍廣的優點，且所附的參數選取表、化學品物性數據表都較為詳盡，對于無法獲得或難以獲得的數據可用現有的排放因子、系數（默認值）代替［16］。該公式是基于理論分析推導出理論方程式，然后借助于大量實驗及實測數據，經過統計分析，對公式中的相關參數進行修正，整理出包括主要影響因素的經驗公式和損耗系數，并以此為基礎，開發了對應的TANKS 4.09D軟件，使用者只需輸入儲罐和儲存液體等參數信息，就可得到其大呼吸損耗量［17］。該方法和軟件得到了廣泛認可，歐盟和澳大利亞等均使用該軟件對有機液體浮頂罐的VOCs無組織排放進行定量估算，體現了該方法的權威性［18-19］。李靖等［20］詳細介紹了該軟件及其應用方法，并結合儲罐VOCs排放實例進行了計算分析，指出了該軟件的適用性。但由于工藝條件、環境和氣象條件等因素的差異，該方法在美國以外的其他地區直接應用的估算結果精度較差。研究發現，在英國的估算結果只有實測值的1/3［21］。2015年，我國先后發布的《揮發性有機物排污收費試點辦法》及《石化行業VOCs污染源排查工作指南》（以下簡稱《排查指南》）中的儲罐蒸發損耗核算方法也是以美國EPA推薦方法為基準建立的。但是《排查指南》公式中所用到的相關損耗系數均是基于美國儲罐構造的現狀推導出的，并采用美國單位標準體系，而我國在儲罐設計標準規范、維護水平等方面與美國有較大差異。因此，我國需要借鑒美國的諸多經驗開展“本土化”工作，結合我國國情，建立以我國有機液體理化參數和儲罐構造為基準的核算方法。由于美國EPA核算公式涉及的參數較多，為方便計算，我國環境保護部環境工程評估中心基于此公式，利用Excel軟件創建參數列表，并利用軟件中設定的公式函數建立各種參數間的邏輯關系，編制出計算程序，使用者只需輸入必要的數據，就可直接得出儲罐的大呼吸損耗量。

中石化公式和《導則》公式均是由中石化系統主編的，是結合我國石化企業現狀，以理想氣體狀態方程為基礎，通過理論分析而提出的半經驗半理論計算公式，且公式中很多參數借助API的試驗測定值或經驗參數，推導過程較嚴謹，可信度較高［9］。中石化系統編制的這兩個公式考慮的因素也比較全面，除了考慮浮頂罐的周轉量、罐體直徑和有機液體密度外，主要考慮了罐壁黏附系數，計算相對簡單［17］。由表1可以看出，黏附系數因罐壁狀況不同而存在較大差異，進而會導致浮頂罐大呼吸損耗核算結果產生數量級的差別。《導則》公式對罐型分類更準確，使計算結果更精確，常被用來計算我國石化企業輕質油品儲罐的排放量［21-22］。但該方法計算中需要的參數較多，部分參數較難獲取，且計算過程較復雜，會給計算工作帶來不便，如有計算機輔助則會更加便利［23］。

上述4種推薦方法應用于我國石化企業浮頂罐大呼吸損耗核算過程中，既有區別又有聯系。根據各公式函數關系分析可以看出，API公式只考慮儲罐規格和儲存液體體積，而美國EPA、中石化和《導則》推薦的公式均考慮到了儲罐規格、儲存液體性質、周轉量、罐體狀況等因素。研究發現：中石化公式和《導則》公式的計算結果較接近，API公式和EPA公式的計算結果較接近［24］；但美國的這兩種方法計算結果總體小于中國的這兩種方法［21，25］。這與本研究核算實例的結果相一致。由于我國與國外的儲罐構建標準以及水平、維修、環境等方面均存在差異，以上4種核算方法相比較，部分研究者認為采用我國推薦的計算浮頂罐大呼吸損耗的公式更符合我國的實際狀況［23，26］。

上述4種常見核算方法各有優缺點，根據多年的研究成果和實際情況，建議在美國EPA推薦公式的基礎上，結合我國石化企業的實際情況，研究公式中參數的相關性，調整參數范圍，并建立和完善我國的氣象信息庫以及油品和有機液體物性數據庫，構建適合我國國情的儲罐大呼吸損耗核算方法和軟件。

3 浮頂罐大呼吸損耗影響因素

通過對浮頂罐大呼吸損耗核算方法的研究分析可知，油品的大呼吸損耗是內因和外因共同作用的結果，內因是油品的性質，如黏度、密度等，外因是發油速率、周轉量、罐體直徑、罐壁黏附系數等。當儲罐的周轉量、罐體直徑、油品密度確定時，浮頂罐大呼吸損耗量主要取決于罐壁黏附系數。

由表1可以看出，罐壁狀況不同，其黏附系數相差較大，進而影響儲罐大呼吸損耗量。研究發現，罐壁黏附系數與油品的黏度、罐壁粗糙程度及邊緣密封裝置對罐壁的壓緊程度有關［27］。油品的黏度影響油品與罐壁之間的附著力，從而影響其掛壁沾油量；而罐壁的粗糙程度與油罐的腐蝕程度密切相關。楊占品等［27］的研究表明：對不同罐壁黏附系數情況下的理論發油損耗進行核算，重銹時的損耗是輕銹時的18倍；浮頂罐內壁進行涂層處理后可使表面摩擦系數大幅降低，明顯改善罐壁表面粗糙度，且使浮盤邊緣密封裝置對罐壁的壓緊程度得到明顯提高，罐壁沾油量下降90%以上，發油損耗僅為處理前的3.1%，周轉損耗可降低62.7%。吳成華等［28］的研究表明，對于罐壁上部2 m和下部2 m外的與油接觸的其他絕大部分罐內壁，由于原油中含有蠟質，會在其表面形成蠟膜保護層，可以不采用涂刷防腐涂料的措施，僅對其腐蝕部位做除銹處理即可。該工藝節能減耗，值得采納。

邊緣密封材料與罐壁的緊實程度影響浮頂罐大呼吸損耗的原因則在于邊緣密封材料起到刮片的作用，發油時浮盤隨液面下降，邊緣密封材料會將一部分掛壁油品刮入剩余油品中。密封材料與罐壁之間的相互作用越強，則暴露在空氣中的掛壁油品就會越少，進而減少掛壁損失。因此，可以通過增加二次邊緣密封來加強邊緣密封材料與罐壁的緊實程度，進而達到減小掛壁損失的目的。

4 降低浮頂罐大呼吸損耗的措施

根據以上分析結果，有針對性地提出以下有效減耗措施：發油操作時，應放慢作業速度，以減緩罐內氣體濃度的下降速率，減少工作蒸發損耗；新建浮頂罐時，在其他條件不變的情況下，擴大罐體直徑可以減少大呼吸損耗；盡量減少儲罐間油品的周轉頻次，可有效降低大呼吸損耗；在一次密封的基礎上采用二次密封，通過增強邊緣密封來增加密封裝置對罐壁的壓緊程度，進而減小掛壁沾油量；為降低罐壁的黏附系數，可在儲罐內壁使用防腐涂層材料或定期對罐壁進行除銹，防止罐體金屬的腐蝕，以達到減少工作損失的目的；此外，通過在罐區將罐頂之間連接形成氣連通管網，相連兩個罐之間形成“呼與吸”的關系［29］，也可以有效減少儲罐的大呼吸損耗。

5 結論

a）國內外浮頂罐大呼吸損耗核算公式主要有API公式、EPA公式、中石化公式和《導則》公式。采用我國推薦的公式進行核算更符合我國實際。需建立和完善以我國有機液體理化參數和儲罐構造為基準的核算方法和軟件。

b）影響浮頂罐大呼吸損耗的主要因素包括油品性質、周轉量、罐體直徑、罐壁黏附系數等，其中罐壁黏附系數為關鍵影響因素。

c）降低浮頂罐大呼吸損耗的有效措施主要為放慢發油速率、增加罐體直徑、減少儲罐間周轉頻次、增加邊緣密封裝置、罐內壁涂刷防腐涂層材料或定期除銹、設置罐區罐頂氣連通管網等。

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Analysis on calculation methods for big breathing loss of floating roof tanks in petrochemical industry

Liu Minmin1，Wang Yongqiang1，Liu Fang1，Duan Weichao2，Wang Jing3，Chen Xi1
（1. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China；2. Center for Safety，Environmental and Energy Conservation Technology，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China；3. Huadong Design Branch，China Petroleum Engineering and Construction Corporation，Qingdao Shandong 266071，China）

Basing on mechanism summary of big breathing loss of fl oating roof tanks and taking a fl oating roof tank for toluene storage in a petrochemical enterprise in Beijing as basic examples，4 kind of calculation formulas at home and abroad were compared，the factors affecting big breathing loss of floating roof tanks were investigated，and effective measures for decreasing breathing loss were proposed. The results showed that：The calculation using the domestic suggested formula was more suitable for actual conditions in China，so the calculation methods and software based on physicochemical parameter of organic liquids and structure of storage tanks in China were needed to establish and improve；Oil property，turnover volume，tank diameter，tank-wall sticking coefficient were the main factors affecting big breathing loss of floating roof tanks，and tank-wall sticking coefficient was the key factor among them.

petrochemical industry； floating roof tank；volatile organic compound；big breathing loss；calculation

X511

A

1006-1878（2017）05-0587-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.05.018

2017 - 03 - 06；

2017 - 06 - 09。

劉敏敏（1991—），女，山東省濱州市人，碩士生，電話 18354285368，電郵 lmm0920@126.com。聯系人：王永強，電話 0532 - 86984668，電郵 wyqupc@163.com。

國家自然科學基金項目（51202294）；山東省自然科學基金項目（ZR2014EEM011）。

（編輯 魏京華）