油田站场VOCs排放量核算及减排措施建议

崔 伟，谷梅霞，赵风杰，徐梦瑶，王田丽，高多龙

(1.中国石化西北分公司，新疆乌鲁木齐 830011 2.中国石油化工集团公司碳酸盐岩缝洞型油藏提高采收率重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011 3.中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257000 4.青岛欧赛斯环境与安全技术有限责任公司，山东青岛 266555)

0 前言

国外已对油田VOCs的排放、检测和核算进行了广泛深入研究，出台了一系列限制VOCs排放的法律法规和标准、VOCs监测手段和核算方法，形成了日益完善的VOCs排放清单和油田VOCs排放因子库。PLACET M，等[1]研究提出了油气生产过程中不同源项VOCs排放量的核算方法；Jackson，等[2]应用公式法(TANKS模型)对有机液体储罐的VOCs排放量及扩散风险进行了计算和评估。

国内对油气田VOCs的排放和控制研究尚处于摸索阶段，对其排放环节、估算方法和污染控制措施缺乏系统的研究。孟凡伟，等[3]重点研究了油气田行业VOCs在项目开发建设期和油气生产期的排放来源，探讨了其源头控制和末端治理措施。孙恩呈，等[4]针对油田联合站沉降罐的小呼吸损耗，引入平均液体表面温度和平均气体流速2个影响因子，对美国石油协会(API)小呼吸损耗新核算公式进行了修正。同霄[5]基于美国环保署(EPA)提出的TANKS模型对小型储罐的VOCs排放量进行了核算，发现储罐的工作排放量是静置排放量的约6.7倍，并且地区温度越高、风速越大，太阳能总辐射越大，则排放量越大，同时提出了降低储罐温度和优化储罐类型的减排对策。

1 油田站场VOCs排放源分析

本文选取新疆某油田联合站场作为研究对象，联合站内的原油处理工艺包括油气分离、原油脱水、采出水处理等。原油处理采用两级热化学大罐沉降脱水、负压稳定(脱硫)和两相分离工艺，合格原油通过管道外输至装车末站外销，工艺流程如图1所示。根据工艺特点和VOCs产生量，对联合站VOCs的排放源进行归类解析，如表1所示。

表1 油田站场VOCs排放源清单

图1 油田站场工艺流程

2 VOCs排放量估算方法

美国油田的VOCs排放量估算常采用烟道取样法(实测法)、平均排放系数法、公式法和物料衡算法[6]。各个方法的适用范围如表2所示。

表2 油田站场VOCs排放估算方法及适用范围

本研究中，联合站的挥发性有机液体储存和装载设施采用TANKS模型核算，废水集输和处理系统VOCs排放量采用物料衡算法核算。

3 挥发性有机液体储存VOCs排放量核算研究

联合站储罐包含固定顶罐4座，其中一级沉降罐3座，二级沉降罐1座，内浮顶罐4座。固定顶罐(1#～4#)的存储物质为原油，容积0.5×104m3，年周转量1.2×106t，平均储存温度73 ℃，1#～2#储罐的年平均储存高度为12.5 m，3#～4#储罐的年平均储存高度为7 m。4座内浮顶罐(5#～8#)储存物质为原油，容积1.0×104m3，年周转量4.5×105t，平均储存温度73 ℃。

3.1 VOCs排放量计算

采用TANKS模型核算时，对于未监测但核算排放量需要的参数选用模型默认值。使用TANKS模型核算时需要根据油品雷德蒸气压核算储存温度下的真实蒸气压。模型中原油雷德蒸气压的默认值为41 kPa，但常压储存条件下的高温原油无法用41 kPa进行核算，故采用HJ853—2017《排污许可证申请与核发技术规范 石化工业》中雷德蒸气压的默认值10 kPa。

根据核算，1#～4#固定顶罐的VOCs排放量为777.87 t/a，5#～8#内浮顶罐的VOCs排放量为10.51 t/a，有机液体储罐的VOCs总排放量为788.38 t/a。

3.2 雷德蒸气压对VOCs排放量的影响

依据GB/T 4756—2015《石油液体手工取样法》对储罐内原油进行采样，对于同种物料相同类型的储罐，随机选择其中的1座进行采样，取样点位如图2所示。依据GB/T 8017—2012《石油产品蒸气压测定法 雷德法》对样品进行雷德蒸气压检测，结果如表3所示。

1-顶部样；2-油面；3-撤取样；4-上部样；5-中部样；6-抽吸液位样或出口液面样；7-下部样；8-底部样

根据表3中的雷德蒸气压实测值核算VOCs无组织排放量，1#～4#固定顶罐VOCs排放量为285.74 t/a，5#～8#浮顶罐的VOCs排放量5.02 t/a，总排放量为290.76 t/a。

表3 油田站场储罐雷德蒸气压检测结果

根据核算结果可知，当雷德蒸气压取10 kPa核算时，储罐的VOCs排放量是采用实测值核算VOCs排放量的2.71倍。

采用雷德蒸气压的实测值和默认值分别核算各个储罐VOCs排放量的结果对比如图3所示。

由图3可以看出，采用实测雷德蒸气压核算的储罐VOCs无组织排放总量比采用默认值核算的VOCs无组织排放量小。分析其原因为：油品雷德蒸气压影响油品的真实蒸气压，真实蒸气压越大，油品挥发性越强，VOCs无组织排放量越大。因此在核算联合站VOCs排放量和减排量时，应检测油品雷德蒸气压，使用实测值核算排放量。

图3 不同雷德蒸气压储罐VOCs排放量对比

固定顶罐VOCs无组织排放包含工作损失和静置损失。内浮顶罐VOCs无组织排放包含挂壁损失、边缘密封损失、浮盘附件损失、盘缝损失。

固定顶罐的静置损失和工作损失，浮顶罐的边缘密封损失、浮盘附件损失和盘缝损失均属于静置损失，挂壁损失为工作损失，各类损失的排放量对比如图4所示。

由图4可以看出，固定顶罐的静置损失和工作损失、浮顶罐的边缘密封损失和浮盘附件损失均随雷德蒸气压变化而变化。由于浮顶罐的浮盘为焊接形式，故盘缝损失为0，雷德蒸气压的变化对其不产生影响。浮顶罐的挂壁损失不随油品雷德蒸气压变化而变化，而是主要与储罐的周转和油垢因子有关。在储罐的发料过程中，浮盘随液位下降而下降，浮盘处于低液位，残留在罐内壁上的液体暴露在空气中蒸发造成油气损失，其挥发量主要与原油的周转次数以及罐壁的的锈蚀状况有关，周转次数越大，罐壁锈蚀程度越重，浮顶罐的挂壁损失越大，与油品的雷德蒸气压变化无关。

图4 不同雷德蒸气压固定顶罐和浮顶罐VOCs工作损失和静置损失排放量对比

3.3 储罐罐型对VOCs排放量的影响

假设该联合站1～4#储罐中的原油在相同周转量、储存温度、罐容等条件下采用浮顶罐储存，核算VOCs无组织排放量，核算结果如表4所示。

表4 不同罐型VOCs排放量核算结果 t/a

可知采用浮顶罐储存可降低储罐VOCs无组织排放量，该联合站中采用固定顶罐储存的VOCs排放总量约为浮顶罐储存的30倍。因此采用浮顶罐可降低VOCs无组织排放量。

4 废水集输和处理系统VOCs排放量核算

4.1 物料衡算法核算

根据表2可知，废水集输和处理系统VOCs无组织排放量可采用物料衡算法和系数法核算，物料衡算法公式如(1)和(2)[7]所示。

(1)

式中：E废水——废水收集或处理设施的挥发性有机物逸散量，kg/a；

Qi——第i个收集或处理设施的废水流量，m3/h；

EVOCs进水，i——第i个收集或处理设施进水中的逸散性挥发性有机物浓度，mg/L；

EVOCs出水，i——第i个收集或处理设施出水中的逸散性挥发性有机物浓度，mg/L；

t——废水收集和处理系统各工段年运行时间，h/a；

n——废水收集和处理系统设施的个数。

E废水=EFX×Q

(2)

式中：EFX——排放系数，kg/m3；

Q——水量，m3。

联合站内有1座污水隔油池，属于敞开液面。根据现场采样条件，选取500 m3污水外输缓冲罐出水(污水隔油池进水)和污水隔油池出口，根据HJ 501—2009《水质 总有机碳的测定 燃烧氧化-非分散红外吸收法》的要求，在实验室对逸散性挥发性有机物(EVOCs)进行检测，缓冲罐出水的EVOCs浓度为199 mg/L，隔油池出口EVOCs浓度为48 mg/L，隔油池进水流量为30 m3/h，污水排水时间为500 h，敞开液面VOCs排放量为2.27 t/a。

4.2 系数法核算

《石化行业VOCs污染源排查工作指南》[7]中废水收集系统及油水分离VOCs逸散排放系数0.6 kg/m3，根据进水流量和污水排放时间，核算出敞开液面VOCs排放量为9 t/a。

根据物料衡算法及系数法核算结果可知，采用系数法的核算结果偏大。建议在核算废水集输和处理过程敞开液面VOCs无组织排放量时，应优先采用物料衡算法，在物料衡算法无法满足核算条件时再采用系数法。

5 减排措施建议

a) 按需求检测油田站场原油雷德蒸气压。由于油品的真实蒸气压是根据雷德蒸气压回归计算得出的，以默认油品雷德蒸气压数核算的VOCs排放量远大于采用实测值核算的结果，而VOCs排放量是核算减排量的依据，因此应检测油田站场原油雷德蒸气压，以获得相对准确的VOCs减排基数。

b) 更换储罐罐型或安装油气回收设施。对标GB 39728—2020中挥发性有机液体储存管控要求，建议将原油固定顶罐更换为浮顶罐，或在固定顶罐末端安装油气回收治理设施或大罐抽气装置，以满足达标控制要求并减少VOCs无组织排放。

c) 控制储罐原油周转量。在联合站原油处理工艺条件允许下，控制储罐的原油周转量和周转次数，尽可能采取管输或储罐原油边进边出的方式，减少储罐VOCs工作损失。