原油船VOC排放控制

2014-03-06大连海事大学轮机工程学院叶朝阳

世界海运 2014年5期

大连海事大学轮机工程学院叶朝阳

原油在进行船舶装载、运输和卸载等操作过程中，挥发性有机化合物（ Volatile Organic Compounds—VOC）会大量从油品中汽化逸出。如果这些VOC气体不加控制排放到大气中，不但会引起货物损失，大量的可燃性气体积聚在作业区也容易引发安全事故，更为严重的是还会造成环境污染。VOC的主要成分为甲烷气体和非甲烷气体NMVOC（Non Methane Volatile Organic Compounds）[1]，其中甲烷是一种温室气体，对大气温室效应的影响高于二氧化碳，而 NMVOC 中含有的多种成分和大气中的氮氧化物在阳光（特别是紫外线）的作用下会发生化学反应，产生光化学氧化物和PM等污染物，形成“光化学污染”。光化学氧化物主要包括醛和臭氧等有害物质，其对人体的危害远远高于其成因物NMVOC，而PM则是形成雾霾天气的主要前置物之一。

一、控制VOC排放的法规

(一) 国际海事组织（IMO）

根据MEPC.176(58)决议修订的MARPOL73 /78附则Ⅵ第15.6条的规定，载运原油的液货船舶，应备有并实施经主管机关或授权组织批准的VOC管理计划，计划应根据IMO制定的相关指南编写，管理计划的要求已于2010年7月1日起实施。为此，IMO第59届海环会于2009年7月17日批准了《VOC管理计划编制指南》，即MEPC.185 (59)。

VOC管理计划的主要目的是通过优化操作程序以最大限度减少VOC的释放，以及利用装置、设备或设计的改变防止或最大限度减少VOC排放[2]。

(二) 欧盟

欧洲经济委员会在1999年的哥特堡草案中决定2010年之前将NMVOC的排放量在 1990年的基础上减少30%。目前挪威凭借其技术优势，尤其是在NMVOC回收管理方面的技术，已经实现了这一目标[1]。

(三) 美国

美国沿岸各州政府从1998年开始，要求进入其港口装货的油船使用油气回收系统，并陆续在各装船港口配备VOC接收装置。美国联邦法典第46卷还对油船货油舱的油气回收要求作了详细规定。目前，美国海岸港口已禁止没有油气收集系统的船舶停靠。

(四) 中国

由国家环保总局和国家质监总局联合发布的《储油库大气污染物排放标准》、《汽油运输大气污染物排放标准》和《加油站大气污染排放标准》已于2007年8月1日起实施。此3项标准为油气回收治理规定了油气排放限值控制技术要求和检测方法。

目前，中国油库炼油厂和加油站都开展了回收油气的工作，但在油品码头装船作业时，其油气回收装置的工艺研发进展缓慢，还没有相关的国家标准或行业标准[3]。

二、控制VOC释放

控制VOC 的排放主要有两条途径：一是控制VOC的释放，即尽量抑制并减少舱内油气的产生；二是回收VOC。后者在技术难度和资金投入上会比前者高一些，但处理效果会优于前者。

(一) 影响VOC释放的因素

降低VOC的排放污染首先应控制VOC释放的速率和总量，其影响因素主要有4点：1.原油的挥发性；2.油舱内原油和原油上部空间蒸气的温度；3.油舱内蒸气容积的变化；4.油舱内蒸气压力设定值或控制值[4]。

油舱内的蒸气由饱和蒸气和非饱和蒸气组成。原油蒸气形成饱和蒸气，理论上饱和蒸气压力不应随蒸气的容积（油舱的剩余容积）的大小改变，仅随原油的温度而改变，温度升高饱和压力增加；非饱和蒸气主要来自惰气（用于液货舱的安全保护），其蒸气压力随容积和温度的变化而变化，容积减少，温度升高，非饱和蒸气压力增加。

油舱内的蒸气压力控制值与饱和蒸气逸出量有关，当蒸气压力降低并低于原油饱和蒸气压力时，VOC会持续生成，直到蒸气系统恢复平衡。

(二) 原油船VOC释放时机

通常原油船VOC的释放主要发生在两个不连续的情况下，分别为装载时和货物运输途中。

1.装载时VOC的释放

装载时，舱内VOC蒸气由两部分组成，一部分为装载前舱内现有的蒸气，来自上一航次卸载过程和/或原油洗舱操作时产生的蒸气，这部分蒸气的压力可以在装载前进行适当控制；另一部分来自装载过程所产生的蒸气，这部分蒸气的产生主要是由于装载中油舱的容积率变化产生湍流，以及由于装载管系中的压差对原油中蒸气产生一定程度的“闪蒸”。

2.运输途中VOC的释放

液货舱内温度的变化会引起VOC释放。运输途中，舱内气态的温度变化较快，一天之内各有不同，船舶在不同经纬度的航行也会导致温度的较大变化；而原油的温度变化相对较慢，主要取决船体的设计和周围海水的温度。

(三) 控制VOC释放的措施

根据影响VOC释放的因素和VOC释放时机，可以通过有针对性地优化蒸气压力控制值和规范操作程序等措施，来降低VOC的释放量。

1.优化蒸气压力控制值

原油船的油舱被设计并建造成可以承受一定值的蒸气压力，一般油舱结构最大允许正压力为25 KN/m2（大约2550 mm WG），负压为700 mm WG。超过最大的允许压力会导致结构故障，严重时会出现通向大气的开口，发生失控的VOC排放可能会对海洋造成油污染。通常原油船安装有独立的油舱压力/真空阀（即P/V Valve，每个油舱配备一个）和共用压力/真空破断装置（即P/V Breaker），用以控制油舱压力，保持其在安全范围内。

典型的原油船有一条共用的油舱透气和惰性气体主管路，同时也用于VOC排放控制。油舱透气/惰性气体总管与一个桅杆透气管相连接，P/V破断装置设置在油舱透气/惰性气体总管与桅杆透气管之间。货油装载过程中，桅杆透气管阀开启（除非进行VOC排放控制）且VOC被排向大气。卸载过程中，桅杆透气管阀关闭，用惰性气体来替换舱内大气。在航行中也使用液货舱透气/惰性气体主管，但仅在蒸气压力增加时对桅杆透气管阀进行操作。除共用的液货舱透气/惰性气体主管外，每个油舱装有一个P/V阀。航行过程中VOC的释放，通常是由于油舱温度的变化引起的。如果舱内温度的变化导致舱内压力超过P/V阀的设定值，在油舱与共用的液货舱透气/惰性气体主管隔离时，P/V阀打开，进行温变呼吸，发生VOC排放。尽管油舱设计压力一般为+2550 mm WG和-700 mm WG，但原油船上P/V阀的设定值一般为+1400 mm WG和-350 mm WG，P/V破断装置的设定值一般为+1800 mm WG和-500 mm WG[5]。

当油舱压力保持并大于原油饱和蒸气压力时，原油液态和气态之间会达到平衡，不会进一步释放VOC。通过提高P/V阀的开启设定值（例如2100 mm WG），则原油的饱和蒸气压力将会低于此设定值，VOC不会产生。同理，P/V破断装置则可设置为2400 mm WG。对压力设定值进行合理增加，使其高于载运原油的饱和蒸气压力，VOC的释放则得到控制。增加压力设定值，首先不应超过许用最大设计压力（2550 mm WG）并留有一定的安全裕量；其次应考虑配置P/V阀的结构，如不能调整到理想的设定值则需要更换；压力设定值的调整需要得到船舶入籍船级社的同意和认可。各船级社对采取VOC控制和回收系统的船舶都有特定的附加符号，如DNV船级社对符合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.安装货油管路部分压力控制系统（KVOC）

KVOC系统可以通过舱内压力平衡技术，尽量抑制并减少舱内VOC的产生。其基本原理是安装一个依据货油预期装载速率设计的特别下降管柱，此下降管柱比普通下降管柱直径更大，管柱直径的增加可以降低管柱内货油流速，从而使货油压力自身调节至货油的饱和蒸气压力（SVP），压力平衡就意味着油、气两相达到了平衡，不再有额外的VOC生成。此系统能一定程度减少VOC的释放，且结构简单，投入资金少。目前不少航行于北海水域的穿梭油船配置了KVOC系统[1]。

3.规范操作程序

在保证人命、船舶和货物安全的前提下，在进行装载、运输、卸载、排气和原油洗舱等操作时，应尽可能采用科学合理的操作程序，减少VOC的释放和排放。当释放和排放出现矛盾时，应优先考虑排放的可能。船舶配备的设备不同，操作程序也不尽相同，但仍然有相同的最佳管理方法。

装载时，尽量避免或减少原油在管内过度节流和高流速，防止低压产生潜在的VOC释放；在装载和运输原油时，应尽可能将舱压维持在较高的安全值；进行必要的排气以降低舱压时，排气应尽可能的少，维持安全的高舱压，同时也可以避免温度降低时补充惰气来维持正压；在安全的范围内，减少充惰的数量，充惰可以增加舱压抑制VOC释放，但同时也增加了由于舱压过高而不得不进行排气（VOC排放）的机会；在进行原油洗舱作业时，在保证洗舱效果的前提下，通过优化洗舱程序，缩短洗舱持续时间或使用闭合循环原油洗舱程序，减少VOC的释放。

三、VOC的回收

VOC不可避免的释放必然会导致其向大气中排放，如果对VOC蒸气进行回收，在保护环境的同时，也能减少经济损失。一份来自挪威海洋工程研究中心（MARINTEK）的研究报告表明，离岸装载的穿梭油船在恶劣天气下，其VOC释放率为2.8 kg/t，一艘载重10万t原油的船舶在装载时，将会有约2200桶的原油被释放成VOC，以每桶100美元计算，其经济价值达22万美元。

(一) 港口码头建立VOC回收系统

在液体散货码头配备VOC回收设备，可以将原油船装载、运输和原油洗舱等作业产生的VOC进行回收，再通过冷凝、吸收、吸附和膜分离等技术将VOC蒸气变成液体。瑞典已在50 多个液体散货装船码头上建造VOC回收系统，采用的技术之一就是利用低温煤油吸收蒸气，然后再将其分离出来，冷却凝结成液体，回收率达到98%[3]。

(二) 船舶进行VOC回收

20世纪90年代后期，欧洲经济委员会要求使用岸上回收装置减少VOC排放，这促进了航行在北海地区的穿梭油船安装回收系统，相对成熟的岸上回收技术和船舶特点相结合，产生了多种不同的回收技术并得到实际装船试验和应用[1]。

1.凝结回收系统

该系统的工作原理与LPG运输船的再液化装置类似。通过VOC回收装置里的压缩机、冷凝器以及分离器，VOC被冷凝、加压后存储在液态储存罐中。随着相关技术的不断完善成熟，VOC液化后可以作为燃料被锅炉、主机等使用。

2.吸收回收系统

系统的主要设备是吸收柱。油舱内的VOC蒸气和惰气混合物被压缩机加压后，从吸收柱底部进入；一部分原油被油泵从装油主管路上的支路吸入，加压后从吸收柱上部进入，吸收逆流的VOC蒸气，然后从管柱底部回到装油主管路上，与装载原油混合后进入油舱内；未被吸收的气体（主要成分为惰气）通过货油透气桅杆排放至大气。

3.活性炭吸收系统

系统的主要设备是炭过滤器、真空泵和吸收器。基本工作原理是炭真空吸附技术，首先由炭过滤器过滤吸收舱内产生的油气；随后该炭过滤器由一个真空泵降压再生，以恢复其吸附能力，并在下一环节吸附油气；最后所释放出来的高浓油气进入吸收器，被舱内来的原油吸收后返回到舱内。

四、控制VOC排放的措施

(一) 健全控制船舶VOC排放制度

目前实施的《大气污染防治法》是2000年修订的，对于VOC的控制并没有提出具体要求；2012年10月环境保护部向社会公布了《重点区域大气污染防治“十二五”规划》，规划中首次提出了减少VOC排放目标，对VOC的治理提出了开展重点行业治理，完善VOC污染防治体系的相关措施。但其仅是一个计划，规划中各项目标的实现，要靠相应法律法规和标准加以保障[6]。原油船的VOC排放仅是工业排放中的一小部分，但鉴于其涉及国际贸易的特殊性，应在《大气污染防治法》再次修订时得到关注，或制定实施专门法规，避免中国航运企业一直处于被动接受国际和地区相关法规的窘境。

(二) 航运企业积极控制VOC排放

随着国际社会对环境保护的日趋重视，可以预见控制VOC排放的国际、地区和国家法规会越来越严格。为避免被动应对，增强可持续发展能力，航运企业应积极开发和采用新技术、新措施控制VOC的释放和排放。同时，应加强员工培训，规范操作程序，确保船舶“VOC 管理计划”得到高效实施。

(三) 逐步建立和完善港口VOC回收系统

根据对沿海、沿江各液体散货装船港的调查，采用码头油气回收技术进行VOC回收的范例较少，且应用效果并不理想。如天津港、厦门港和广州港的油气回收设备因设计选型和多种化工废气混杂原因未使用；南京港设备因管道运输替代船舶运输而停用；青岛港黄岛化工厂码头石脑油油气回收设备直接采用国外技术，处于使用状态且效果良好；宁波港及大连港的新建油码头均建立了油气回收系统；而国内其他大型港口的气体回收装置仅安装在个别装载毒性强的液体化工码头[3]。

2013年9月国务院印发的《大气污染防治行动计划》中，明确提出“在原油成品油码头积极开展油气回收治理”。港口城市环保部门和港口企业应重视原油VOC排放的回收治理，逐步建立和完善港口VOC回收系统。