粗苯固定顶储罐挥发性有机物(VOCs)排放强度核算研究

尉中伟， 王 浩

(山西省生态环境研究中心，山西 太原 030009)

粗苯固定顶储罐挥发性有机物(VOCs)排放强度核算研究

尉中伟， 王 浩

(山西省生态环境研究中心，山西 太原 030009)

基于近期开展的山西省重点行业挥发性有机物摸底调查工作中获得的基础调查资料，结合《石化行业VOCs污染源排查工作指南》中的核算方法、粗苯固定顶储罐类型及当地气候条件，分别得出单个储罐年排放量。通过相关性分析及回归分析等手段，从储罐静置储藏损失与工作损失两方面入手，最终得出粗苯储罐VOCs排放源强的简化核算方法。

挥发性有机物;固定顶储罐;粗苯;核算方法

1 研究背景

1.1 VOCs定义及危害

目前，国内尚无统一官方VOCs(挥发性有机物)定义。本次工作使用《大气挥发性有机物源排放清单编制技术指南》［1］中的定义:“挥发性有机物指在标准状态下饱和蒸汽压较高(标准状态下大于13.33 Pa)、沸点较低、分子量小、常温状态下易挥发的有机化合物。本指南适用的挥发性有机物包括烷烃、烯烃、芳香烃、炔烃的C2～C12非甲烷碳氢化合物，醛、酮、醇、醚、酯、酚等C1～C10含氧有机物，卤代烃，含氮有机化合物，含硫有机化合物等几类152种化合物。”该定义对于VOCs物质范围的边界进行了较为明确的说明，便于后续工作开展。

VOCs种类较多，一般具有较强的刺激性和毒性，部分种类具有“三致”作用，相当一部分种类在生产和运输过程中存在很高的安全隐患。卤代烃类VOCs可破坏臭氧层，引起温室效应等全球性环境问题。最近几年，我国多地在冬季出现了持续的严重雾霾天气，VOCs作为PM2.5的先导因子之一，对民众生活、身心健康产生了巨大危害。总之，VOCs的排放对人体和生物健康生态环境都产生了极大的影响［2］。

1.2 焦化行业相关情况

焦化行业是山西省的支柱产业之一，据《山西省焦化行业兼并重组的指导意见》要求，到2015年，山西省焦炭实际产能约1.2亿t［3］。而粗苯作为焦化行业的重要化学产品，年产能约为120万t。企业生产的粗苯需在储罐中储存，粗苯中的部分挥发性有机物会在储存过程中逸散到空气中。对全省粗苯储罐挥发性有机物排放量进行核算，获得排放总量水平，将对后续挥发性有机物管控工作有着至关重要的意义。

1.3 粗苯储罐排放强度研究意义

固定顶储罐排放的VOCs分为2部分:静置储藏损失(小呼吸)和工作损失(大呼吸)。其中，静置储藏损失与当地气温、光照强度、储罐尺寸及颜色、储存物料种类等因素有一定关系;工作损失与储存物料种类、储罐尺寸、年周转量等因素有一定关系。

对于山西省而言，各地市年均温度差异较大，总体介于4℃ ～14℃，呈现南高北低的气温分布趋势。同时，气温的分布也受到地势的影响。省境中部的东西山区和北部大同盆地区，年均温在8℃以下。其中，晋北地区4℃ ～6℃，中高山区4℃以下。忻州、太原、晋西北黄河沿岸以及阳泉、长治、晋城等大部分地区为8℃ ～10℃。临汾、运城等地包括中条山以南的河谷地带，由于海拔和纬度均为全省最低，年均温达12℃ ～14℃［4］。不同地市的光照强度也有所不同。刘振宇、冯华、杨仁刚等［5］研究指出，山西省各地区平均日辐射量最低的是大同市［17.81 MJ/(m2·d)］，最高的是运城市［19.83 MJ/(m2·d)］。由此可见，由于山西省各区域气候条件存在差异，不宜针对全省制定粗苯储罐排放系数，完全依据区域气候条件制定缺乏可操作性，故建议分地市制定排放系数。

本次研究工作所参考学习的核算方法包括，北京市VOCs排污收费储油罐核算方法［6］、台湾VOCs排放系数及核算方法［7］和《石化行业VOCs污染源排查工作指南》［8］中关于储罐的核算方法。这些方法存在下列不足之处:首先，对于地下储罐，由于地下土层的绝缘作用，昼夜温差的变化对卧式罐没有产生太大影响，一般可以认为静置储藏损失为0［8］。而北京和台湾的核算方法并未区分静置储藏损失与工作损失。其次，《石化行业VOCs污染源排查工作指南》中的核算方法适用于单一储罐排放量的核算，该法较为复杂，需要的基础参数较多，不适合大面积推广估算应用。所以，有必要建立一套适合山西省使用的、由静置储藏损失与工作损失2部分组成的简易核算体系，并保证一定准确率的同时简化核算方法。

2 工作过程

2.1 调查内容

本文选取了在山西省重点行业挥发性有机物摸底调查工作中某市19家炼焦企业的22种不同尺寸和工作条件的粗苯固定顶储罐为研究对象。调查储罐相关参数包括，储罐类型、储存物料名称、使用天数、罐体颜色、容积、直径、罐体高度、呼吸阀压力设定、呼吸阀真空设定、年均液体高度、年周转量等，调查基准年为2015年。具体情况详见表1。

核算采用《石化行业VOCs污染源排查工作指南》中参考美国环保署发布的AP－42中的评价公式、以我国储罐为基准、结合当地环境温度及日照强度等气象参数的计算方法［8］。

2.2 分析工具

基础计算采用EXCEL2010，非线性曲线拟合采用OriginPro 7.5，统计分析采用SPSS 19进行。

表1 山西省某市粗苯固定顶储罐调查结果汇总

2.3 核算过程

固定顶储罐的总排放(LT)由静置储藏损失(LS)和工作损失(LW)2部分组成，计算公式如式(1)～(3)。由于公式计算要求，式中参数需要换算为美制单位，各参数由调研所得储罐参数计算而来。

式中:LS为静置储藏损失，lb/a;LW为工作损失，lb/a; VV为气相空间容积，ft3;WV为储藏气相密度，lb/ft3;KE为气相空间膨胀因子，无量纲;KS为排放蒸汽饱和因子，无量纲;MV为气相相对分子质量，lb/lb－mol; PVA为真实蒸汽压，psia;Q为年周转量，bbl/a;KN为工作排放周转因子，无量纲;KP为工作损耗产品因子，无量纲;KB为呼吸阀工作校正因子，无量纲。

2.3.1 静置储藏损失核算

对于静置储藏损失，结合某市粗苯储罐及气候特征，可将公式简化为式(4)，同时将参数换算为国际标准单位。

式中:LS为静置储藏损失，t/a;D为储罐直径，m;H△为罐体高度与年均液体高度差值，m;K为罐漆太阳能吸收率与当地太阳辐射强度的乘积，MJ·m－2· d－1。

式(4)能够较为准确地简化该市粗苯固定顶储罐静置储藏损失的量，通过OriginPro 7.5软件非线性曲线拟合后，可以使相关度达到0.999 98。但是，所需基础数据较多，为了简化计算过程，并且尽可能使计算结果接近核算值，将储罐直径、罐体高度与年均液体高度差值、罐漆太阳能吸收率与当地太阳辐射强度的乘积分别与储罐静置储藏损失进行相关性分析，得出如表2所示结果。

表2 储罐静置储藏损失与相应参数相关性分析结果

表2表明，储罐直径与储罐静置储藏损失呈显著相关，其余2项参数与储罐静置储藏损失非显著相关。为达到简化计算过程且保证一定准确率的目的，将储罐直径与静置储藏损失进行回归拟合。拟合结果如图1所示，回归方程为y=－0.001 8x3+ 0.048 8x2－0.145x+0.177 3(R2=0.801 4)。

图1 储罐容积与年静置损失关系图

2.3.2 工作损失核算

与储罐工作损失关系密切的几个参数分别是年周转量(Q)、工作排放周转(饱和)因子(KN)和呼吸阀工作校正因子(KB)。其中，工作排放周转(饱和)因子(KN)与周转数有关，具体核算过程见式(5)～(7)。由于公式计算要求，式中参数需要换算为美制单位。

式中:N为周转数;Q为年周转量，bbl/a;V为储罐最大储存容积，如果最大储存容积未知，取公称容积的0.85倍，bbl。

分别将年周转量(Q)、工作排放周转(饱和)因子(KN)和呼吸阀工作校正因子(KB)与储罐工作损失(Lw)进行相关性分析，结果如表3所示。

表3表明，年周转量、工作排放周转(饱和)因子与储罐工作损失显著相关，而且年周转量在0.01水平显著相关。分别将年周转量、工作排放周转(饱和)因子与储罐工作损失进行回归分析，得出图2、图3结果，其回归方程分别为y=0.000 5x+0.233 2(R2=0.968 5)、y=142.04x2－267.17x+126.99 (R2=0.345)。可见，使用年周转量与储罐工作损失的回归方程更能体现储罐实际工作排放情况。

表3 储罐工作损失与相应参数相关性分析结果

图2 储罐年周转量与年工作损失关系图

图3 工作排放周转(饱和)因子与年工作损失关系图

3 核算过程中存在的问题

炼焦产业的化学产品主要包括焦炉气、粗苯和煤焦油。其中，需要关注粗苯、煤焦油储罐的排放情况。但是，由于粗苯、煤焦油的密度、摩尔质量、蒸汽压等参数并非定值，若做到“一罐一测”需要投入大量的人力、物力和财力，所以，目前采用的是《炼焦化产理化常数》［9］中参数进行核算，并没有体现不同粗苯物化性质的差异。

4 结论

1)对山西省某市粗苯固定顶储罐的VOCs排放核算及后期的统计、回归分析可知，可以将核算结果简化。简化结果如式(8)～(10)。

式中:LT为储罐总排放，t/a;LS为静置储藏损失，t/a;D为储罐直径，m;LW为工作损失，t/a;Q为年周转量，t/a。

2)储罐周转量、储罐尺寸与VOCs排放量呈正相关关系。其余因素对于排放量大小均有一定影响，但影响程度较弱。

［1］环境保护部.大气挥发性有机物源排放清单编制技术指南(试行)［EB/OL］.http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bgg/201408/W020140828351293705457.pdf，2014－08－20/2016－08－02.

［2］ 王铁宇，李奇锋，吕永龙.我国VOCs的排放特征及控制对策研究［J］.环境科学，2013，34(12):4756－4763.

［3］山西省人民政府.关于印发山西省焦化行业兼并重组实施方案的通知［J］.山西省人民政府公报，2012(9): 24－28.

［4］王华芳.山西省旅游气候舒适度分析与评价研究［D］.太原:山西大学，2007.

［5］刘振宇，冯华，杨仁刚.山西不同地区太阳辐射量及最佳倾角分析［J］.山西农业大学学报:自然科学版，2011(3):272－276.

［6］北京市环境保护局.北京市环境保护局关于印发《挥发性有机物排污费征收细则》的通知［EB/OL］.http://www. bjepb. gov. cn/bjepb/413526/413560/ 413590/414960/4381311/index.html，2015－12－04/ 2016－08－01.

［7］台湾环境保护署，空气污染物排放量推估手册［EB/ OL］.http://mommath.cy1000.com.tw/air－ei/new_ main2－0.htm，2010－02－06/2016－08－01.

［8］ 环境保护部办公厅.关于印发《石化行业VOCs污染源排查工作指南》及《石化企业泄漏检测与修复工作指南》的通知.［EB/OL］.http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bgt/201511/t20151124_317577.htm，2015－11－18/2016－08－01.

［9］炼焦化产理化常数编写组.炼焦化产理化常数［M］.北京:冶金工业出版社，1980:38－39.

Study on volatile organic compounds(VOCs)emission intensity of crude benzol fixed roof tank

YU Zhongwei，WANG Hao

(Shanxi Ecological Environment Research Center，Taiyuan Shanxi 030009，China)

Based on the survey data from the recent investigation of volatile organic compounds in Shanxi key industries，combined with the accounting methods from the Petrochemical Industry’s VOCs Pollution Source Investigation Guide，crude benzene fixed roof tank types and local climate conditions，annual emissions of single tank is concluded.Finally，the study simplifies calculation method about VOCs emission intensity of crude benzol fixed roof tank in two parts:standing storage loss and working loss，by means of correlation and regression analysis.

volatile organic compounds;fixed roof tank;crude benzol;calculation method

X51;X131

A

1004－7050(2016)06－0060－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.18

2016－08－08

尉中伟，男，1989年出生，2014年毕业于西安建筑科技大学，硕士学位，工程师，现从事大气环境治理工作。