石化企业储罐呼吸损耗计算及比较分析

2018-09-14张华东

中国资源综合利用 2018年8期

张华东

（湛江市环境科学技术研究所，广东湛江 524022）

随着湛江石化企业迅速发展，石化产品在生产、储存过程中产生的有机气体逐年增加，带来了很多环境问题。近年来，许多学者对中国部分城市的挥发性有机物进行了源解析。张靖利用CMB模式对北京VOCs进行来源研究，发现对于大气VOCs的贡献率，汽油挥发占10.3%、液化石油气占6.0%、炼油厂占4.5%、沥青2.9%，未知源为4.9%[1]。陆思华等对北京中关村空气中VOCs各污染源的贡献率进行分析得到的结果与之相似[2]。刘刚等用吸附/热脱附-GC/MS方法研究了茂名市大气中的VOCs，研究结果表明，茂名市大气中VOCs主要来源依次是石油化工企业、机动车尾气和茂名炼油厂[3]。石油化工企业对城市大气中VOCs的贡献率仅次于机动车尾气排放，湛江的石油化工企业较为发达，石油化工企业的贡献率会更大。

美国环保局2003年调查某石油企业VOCs的排放情况，发现因储存而导致VOCs的排放量占总排放量的28%，可见，各类储罐的呼吸损失是石油化工企业VOCs重要的排放来源。准确核算出各类储罐的呼吸损失，并加强控制储罐的无组织排放，不仅可以减少石油化工企业的经济损失和保障企业安全生产，还能有效改善厂区周围的VOCs污染现状[4]。

本文以中国石化湛江东兴石油化工有限公司的储罐为案例对象，采用多种方法计算不同储罐、不同油品的VOCs的排放量，通过与国家推荐的财政部核算方法的计算结果相比较，分析各方法之间的差异，必要时赋予部分公式修正系数，找到一种简便的、与湛江石化企业VOCs真实排放情况拟合度高的核算方法。

1 储罐损耗计算方法

目前，常用储罐VOCs排放量的核算方法均为经验公式法，主要有《石油库节能设计导则》推荐方法、中国石油化工系统经验公式法、美国EPA推荐的方法、美国石油协会（API）推荐方法和日本《减少污染物排放和转移登记物质排放的成功案例》中VOCs排放计算方法。

1.1 《石油库节能设计导则》核算方法

该公式结合了理论分析和经验值，考虑因素全面，适应性好[5]。具体内容如表1所示。

表1 《石油库节能设计导则》呼吸损耗计算公式

表中，LDW和LDS分别为拱顶罐年工作蒸发损耗量和拱顶罐年静置损耗，m3/a；Lw和LS为浮顶罐年工作损耗量和浮顶罐年静置损耗量，kg/a；V1为泵送液体入罐量，m3/a；Q为油罐年周转量，m3/a；V为油罐容积，m3；KT为周转系数；K1为油品系数，汽油K1=1，原油K1=O.75；Py为油品平均温度下的蒸汽压，kPa；Mv为油蒸汽摩尔质量，kg/kmol；D为油罐直径，m；ρy为油品的密度，kg/m3；C为油罐壁的黏附系数，m3/m2；Nc为内浮顶罐内支柱个数；Fc为支柱有效直径，m；Pa为当地大气压，kPa；H为油罐内气体空间高度，m；ΔT为大气温度的平均日温差，℃；Fp为涂料系数；K2取3.05；K3为油品系数，汽油K3=1，原油K3=0.58；C1为小直径油罐修正系数；Fr为密封损耗系数；Kc为油品系数，原油Kc=O.4，汽油Kc=1；K4为单位换算系数，K4=0.46；K5为单位换算系数，K5=3.28；Ff为浮盘附件总损耗系数；Fd为顶板接缝长度系数；Kd为顶板接缝损耗系数，焊接顶板，Kd=0，非焊接顶板，Kd=3.66；Ke为边圈密封损耗系数；K8=0.45；Fm浮盘附件总损耗系数。

1.2 中国石油化工系统（CCPC）经验公式法

该方法对各类储罐的工作损耗和静置损耗的具体具体计算过程如表2所示[6]。

表中，Lw为储罐年工作损耗量，kg/a；Ls为储罐年静置损耗量，m3/a；v为罐外平均风速，m/s；n为与密封有关的风速指数；EF单层密封时，取1，二次密封时，取0.25；P为油品平均温度下的蒸汽压，Pa；Mv、KT、Kc、Q、C、ρy、D、H、ΔT、Fp、C1、Kc、和P*同表1。

1.3 美国石油协会推荐方法

美国石油协会提出该方法以来，一直广泛应用于石化行业，具体计算过程如表3所示[7]。

表2 中国石油化工系统（CCPC）蒸发损耗经验公式法

表中，Lw（API）为储罐年工作损耗量，m3/a；Ls（API）为储罐年静置损耗量，m3/a；Ke为油品挥发校正系数；KE取24；Ks为密封系数；Kf为储罐结构系数；P、v同表2，其余参数同表1。

表3 美国石油协会（API）推荐的蒸发损耗方法

1.4 日本《减少污染物排放和转移登记物质排放的成功事例》中VOCs排放公式

2010年日本出版的《减少污染物排放和转移登记物质排放的成功事例》讲解日本VOCs的核算经验，对于固定顶罐的核算采用公式法，浮顶罐采用排污系数法。具体内容如表4所示。

表4 日本《事例》中VOCs排放量计算公式

表中，Lw（日）为储罐年工作损耗量，kg/a；Ls（日）为储罐年静置损耗量，kg/a；Pta为储罐内部压强，Pa；Ht为储罐总高度，m；Hsa为储存物质平均高度，m；α为储罐外壳颜色系数，无量纲，白色储罐取1，银色储罐取1.2；β为储罐直径系数，无量纲；F为浮顶罐总VOCs排放量系数；Mv、Py、ΔT、Q同表1，P同表2。

1.5 美国国家环保局（EPA）推荐方法

表5 美国国家环保局（EPA）推荐方法计算公式

表中，M为油品摩尔质量（磅/磅-摩尔）；Pv为真实蒸气压（磅/平方英寸）；Q1年周转量，桶/年）；KP为工作损失产品因子，原油KP=0.75，其他有机液体KP=1；KB为呼吸阀工作校正因子；T为日平均液体表面温度（兰氏度）；Vv为气相空间容积（立方英尺）；Wv为储藏气相密度（磅/立方英尺）；KE为气相空间膨胀因子（无量纲）；KS为排放蒸气饱和因子（无量纲）；L浮为浮顶罐总损失（磅/年）；LR为边缘密封损失（磅/年）；LWD为挂壁损失（磅/年）；LF为浮盘附件损失（磅/年）；LD为浮盘缝隙损失（磅/年）。

2 计算结果对比及公式分析

2.1 固定顶罐

中国石化湛江东兴石油化工有限公司固定储罐储存的油品多为加氢柴油和燃料油。因此，以加氢柴油储罐和燃料油储罐为例，分别选择11 000 m3和2 000 m3两种规模的固定顶罐，应用上述方法分别进行呼吸损耗量计算。储罐和储存油品的主要基础数据如表6、表7所示。

表6 固定顶罐参数

表7 固定顶罐储存液体参数

根据上述的5种方法对表6、表7中参数进行计算，得到的固定顶罐的年工作损耗量和年静置损耗量如表8所示。

利用国家推荐的财政部核算方法对表6、表7中的固定顶罐进行计算，储存加氢柴油的固定顶罐年工作损耗量为47.87 t，年静置损耗为2.09 t；储存燃料油固定顶罐年工作损耗为0.56 t，年静置损耗量为0.20 t。

对于储存加氢柴油的固定顶罐，计算年工作损耗量时，CCPC公式、日本《事例》中公式和EPA推荐法的结果与财政部核算方法结果接近，其中日本《事例》中公式最为接近。而《导则》推荐法有所偏大，这与张明辉等研究成果相似[7]。计算年静置损耗量时，EPA推荐法的结果与财政部公式结果相近，其次是API公式和日本《事例》中的公式，而《导则》推荐法和CCPC公式的结果均偏大。通过比较公式形式可发现除EPA推荐法以外，其他公式均考虑了Mv、KT、Kc、D、H、ΔT、Fp等因素，计算结果的差异是由公式的系数差异造成的。

对于储存燃料油的固定顶罐，计算工作损耗时，《导则》推荐法的结果与财政部方法发的结果最为接近，CCPC公式、日本《事例》中公式和EPA推荐法的结果偏小，这可能因为燃料油需要加热66℃储存，财政部方法中有考虑温度因素的影响，其他公式并未考虑温度，所以导致其他公式的计算结果普遍偏低。而API公式在计算年工作损耗时，两种油品的计算结果都远大于其他核算方法，这是因为API公式相对简单，仅考虑了周转量和油品蒸气压两个因素，其结果与储罐周转量成正比，当储罐周转量较大时，其结果会严重失真[8-9]。各方法计算年静置损耗结果与储存加氢柴油固定顶罐基本相同，《导则》推荐法和CCPC公式的计算结果也偏大。

2.2 内浮顶罐

中国石化湛江东兴石油化工有限公司中内浮罐储存的油品多为成品汽油。因此，以成品汽油储罐为例，选择20 000 m3规模的内浮顶罐，应用上述方法分别进行呼吸损耗量计算。内浮顶罐和储存液体的主要基础数据如表9、表10所示。

根据上述的5种方法对表9、表10参数进行计算，得到的内浮顶罐罐的年工作损耗量和年静置损耗量如表所示。

表8 固定顶罐损耗计算结果比较

表9 内浮顶罐参数

表10 内浮顶罐储存液体参数

表11 内浮顶罐各核算方法结果比较

采用国家推荐的财政部核算方法，在计算内浮顶罐的损耗时完全借鉴EPA推荐法，因此两者结果相同。由此可以发现，在计算内浮顶罐工作损耗时，四种方法的结果与财政部方法的结果的绝对差值都不大，主要原因是各方法考虑的因素基本相同，差异仅为系数取值略有不同。其中，API公式的结果略有偏大，是由于API公式没有考虑储罐壁的特性，直接用常数系数代替。对于内浮顶罐的年静置损耗量的计算，各方法的结果存在较大的差异，CCPC公式和API公式侧重于考虑油品的物化性质和大气环境的影响，《导则》和EPA推荐的方法侧重于储罐的特性对静置损耗的影响。