基于TANKS模型的儲罐VOCs排放量核算

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國家工程實驗室)

0 引 言

石油化工行業是揮發性有機物(VOCs)排放的重點行業[1-3]，儲罐數量多、容量大，在大呼吸和小呼吸的過程中排放大量的VOCs，浪費了油氣資源，降低了油品質量，污染了大氣環境[4-6]。與石化行業儲罐容量大、年周轉次數相對較低的特點不同，石油從井筒采出，通過地面集輸系統進行輸送和處理，集輸過程中儲罐具有容量較小、年周轉次數較高、工作時間長、靜置時間短的特點。本文采用美國環保署EPA發布的儲罐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]，第一類為純經驗方法，包括美國石油協會API方法、日本資源能源廳方法、歐盟排放系數方法和中國的《散裝液態石油產品損耗》估算方法；第二類為半經驗半理論方法，包括瓦廖夫斯基-契爾尼金方法、中國的《石油庫節能設計導則》方法和美國環保署EPA根據《Air Emissions Factors and Quantification(AP-42)》提出的TANKS模型。TANKS模型雖然計算參數多，使用美制單位，如：美制加侖gal、英尺ft和磅lb等，導致使用過程較為繁瑣，但由于考慮因素全面，計算結果精確，在國際上廣泛使用。劉昭等[8]采用該模型對石化企業輕柴油固定儲罐的總損失進行了估算，并提出了對應措施；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238個有效儲罐的VOCs排放量進行了計算；Jackson[11]應用該模型對坦桑尼亞有機液體儲罐的VOCs排放量及擴散風險進行了計算和評估。

2 計算參數的確定

TANKS模型中計算參數主要分為3類：第1類為罐體參數。在確定了儲罐類型后，需要進一步確定儲罐的罐體參數。儲罐類型有4種，分別為臥式固定頂罐、立式固定頂罐、內浮頂罐和外浮頂罐。第2類為氣象參數。為了確保精確的計算結果，需要確定儲罐所處位置的月氣溫、月風速、月太陽能總輻射等參數。第3類為存儲物質的參數。模型中有內置的儲存物質庫，提供了177種物質的常規參數，也可以根據需要建立新的化學物質，輸入參數包括液體摩爾分子量、黏度、蒸氣分子量、安托尼方程的參數、雷氏蒸氣壓等。

2.1 罐體參數

以西峰地區30 m3儲罐為例進行計算。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。該罐日周轉量為120 m3，年周轉次數為4 380次，年周轉量為4.38×104m3。

計算模型中長度、體積、壓力等參數為美制單位，單位轉換后的計算參數見表1。

表1 單位轉換后的罐體計算參數

2.2 氣象參數

2.2.1 氣溫

統計國家氣相信息中心2017年氣溫數據，得到西峰地區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，單位轉換后的參數見表2。

表2 單位轉換后西峰地區2017年氣溫統計 ℉

2.2.2 風速

根據風力等級劃分[12]，0～7級平均風速分別為0.1，0.95，2.5，4.45，6.75，9.4，12.35，15.55 m/s。根據國家氣相信息中心提供的數據，對2017年西峰地區每個月不同風級出現天數進行統計，得到該地區每個月的平均風速，見圖1。

計算模型中風速單位為mph，單位轉換后的參數見表3。

圖1 2017年西峰地區不同風級天數統計

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，用統計分析和規則樣條函數插值相結合的方法，得到了西北地區四季太陽能總輻射分布云圖。根據其研究成果，西峰地區春季(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，西峰地區太陽能總輻射統計見表4。

表4 西峰地區太陽能總輻射統計 Btu/(ft2·day)

若計算區域沒有太陽輻射的研究數據，周晉等[14]對Angstrom-Prescott型日總太陽輻射月均值估算公式進行了修正，給出了適合國內不同地區使用的統一公式，可以通過該公式估算得到儲罐所處區域較精確的太陽能總輻射參數。

2.3 存儲物質的參數

該儲罐內儲存原油的實測密度約為0.87 t/m3，真實蒸氣壓為40.15 kPa，其余參數選擇模型儲存物質庫中原油的默認參數。

3 結果分析

3.1 計算結果

將上述計算參數代入計算模型中，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次數高，即工作時間較長，所以工作排放量均遠大于靜置排放量。

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%。因為罐體參數和存儲物質不變，所以氣象參數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、平均風速和太陽能總輻射對比曲線，如圖3所示，可以發現，溫度越高，風速越大，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。

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，當儲罐類型和儲存物質一定時，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的VOCs排放量，見圖4。

圖4 不同儲罐體積對應的VOCs排放量

由圖4可知，因為工作條件未發生變化，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。這是因為儲罐體積越大，罐內氣相空間越大，原油的揮發面積越大，導致靜置損失越大。

3.2.3 年周轉量

工作排放量的最大影響因素是儲罐的年周轉量，年周轉量是工作容積和年周轉次數的乘積。在工作容積一定的情況下，設置年周轉次數分別為1 095，2 190，4 380，8 790次，對應的年周轉量分別為1.095×104，2.19×104，4.38×104，8.76×104m3。計算繪制得到不同年周轉量對應的VOCs排放量，見圖5。

圖5 不同年周轉量對應的VOCs排放量

由圖5可知，因為罐體參數未發生變化，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。這是因為年周轉量越大，儲罐在進料和出料的大呼吸過程中油氣揮發損失越大，最終導致工作排放量越大。

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、天藍色和黑色4個50 m3臥式儲罐的罐內溫度，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損失，結果分別為460，550，590，680 kg，表明罐體溫度越高，VOCs排放量越大。當罐內儲存物質溫度一定時，環境氣溫和太陽能總輻射是影響罐體溫度的主要因素，推薦選用反射效應大的漆面顏色和材料。陳志華等[16]對鋼結構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行了太陽輻射吸收系數測試，其中白色漆面和聚氨酯材料的組合太陽輻射吸收系數最低，即太陽能反射效應最大，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]。霍玉俠等[19]研究發現，與拱頂罐相比，采用浮頂罐或內浮頂罐儲存蒸發損耗降低了90%左右；黃維秋[20]研究發現，采用浮頂罐可以大大地抑制固定頂罐的蒸發損耗，其中外浮頂罐的損耗率僅為固定頂罐的5%～7%，內浮頂罐的損耗率約為固定頂罐的4%。由此可見，在經濟條件允許的情況下，盡可能選擇浮頂罐，可降低VOCs排放量。

4 結 論

本文采用EPA推薦的儲罐VOCs排放量計算公式，以西峰地區儲罐為計算對象，分析計算結果，得出以下結論：

1)儲罐VOCs工作排放量遠大于靜置排放量，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生波動，地區溫度越高，風速越大，太陽能總輻射越大，排放量越大，呈正相關。

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，原油揮發面積越大，靜置排放量越大；儲罐年周轉量是影響儲罐VOCs工作排放量的重要因素，年周轉量越大，油氣揮發損失越大，工作排放量越大。