基于AP-42的内浮顶储罐VOCs排放特性定量研究

2022-10-27李春漫祁宝萍冯云龙施昊彤蒋娟梁昌晶

石油石化节能 2022年10期

李春漫祁宝萍冯云龙施昊彤蒋娟梁昌晶

（1.国家管网集团科学技术研究总院分公司；2.中国石油华北油田公司第二采油厂；3.中国石油华北油田公司质量安全环保监督中心；4.国家管网集团山东输油有限公司；5.中国石油华北油田公司工程技术研究院）

1 背景及介绍

随着国家油气资源储备的增加，油库已步入大型化发展阶段，储罐作为油品储存主要容器，其无组织排放情况受到越来越多的关注。储罐的无组织排放主要为挥发性有机物（VOCs），VOCs是一类常见的大气污染物，可与氮氧化物生成臭氧、过氧乙酰硝酸脂等有害物质，对人类生产、生活及健康造成极为严重的影响。据统计数据表明，我国油品储运过程中VOCs排放量约占原油加工量的0.04%～0.08%，其中静置损耗在各环节损耗的占比较大[1-3]。因此，控制储罐VOCs排放现状，准确核算不同工况和外部环境下的排放量，可为管理部门和环境单位控制储罐无组织排放提供实际参考。

目前，储罐VOCs的核算方法有经验和半经验方法两种，其中经验方法基于实测数据回归，包括美国石油协会API方法、日本能源厅方法、中石化核算方法等，半经验方法基于质量守恒、能量守恒、动量守恒核算排放量，包括SHT 3002—2017《石油库节能设计导则》附录方法、瓦里奥夫斯基-切尔尼基方法、美国环保署（EPA）提出的方法[4-6]。其中，EPA参照《Air Emission Factors and Quantification》（AP-42）标准中提出的模型，集成到了Tanks软件中，该软件是目前国际上应用最为广泛的VOCs排放量核算软件，可用于计算不同储罐类型的VOCs损耗。综上所述，以内浮顶储罐为例，从储罐特征、气象因素、操作条件等方面计算VOCs损耗，探讨影响储罐VOCs排放的关键因素，并提出切实可行的排放减缓措施，以期为碳中和、碳达峰的实现提供技术支持。

2 内浮顶储罐VOCs损耗分类

AP-42标准中将内浮顶储罐VOCs损耗分为边缘密封损耗、挂壁损耗、浮盘附件损耗、浮盘密封损耗[7]。

1）边缘密封损耗是挥发性油气通过浮盘与罐壁之前的缝隙排出。

2）挂壁损耗是储罐出料时遗留在罐壁上介质随即蒸发，当储罐内有支撑柱时，原油还会附着在支撑柱上，挂壁损耗与固定顶储罐的工作损耗相同。

3）浮盘附件损耗是指油气通过浮盘上的各类附件（如人孔、计量孔、真空阀、浮盘排水等）排出，其原理与边缘密封损耗相似。

4）浮盘密封损耗与浮盘形式和浮盘构造有关，其中当浮盘为焊接形式时，不存在浮盘密封损耗[8-10]。

3 模型设置

以某油库1×104m3内浮顶储罐为例，在Tanks软件中输入储罐信息和浮顶附件信息，储罐信息见表1。气相参数根据储罐所在地国家气象中心提供的2021年全年各月最高气温、最低气温和平均风速设定，储罐所在地气温和风速统计见图1。太阳总辐射值根据地理空间信息云系统中的数据设定，按照季节设定，3—5月为1 200 MJ/(m2·a)，6—8月为1 450 MJ/(m2·a)，9—11月为975 MJ/(m2·a)，12-2月为815 MJ/(m2·a)。储存介质为原油，密度0.89 g/cm3，饱和蒸汽压55 kPa，液相摩尔质量207 g/mol，气体摩尔质量50 g/mol。

表1 储罐信息Tab.1 VOCs loss of floating roof storage tank

图1 储罐所在地气温和风速统计Fig.1 Statistics of air temperature and wind speed at the location of storage tank

4 结果与讨论

4.1 储罐特性

4.1.1 浮盘类型

采用Tanks软件计算得到全年的VOCs损耗情况，内浮顶储罐VOCs损耗量见表2。浮盘附件损耗最大，其次为边缘密封损耗和挂壁损耗，这可能与储罐未采用二级密封有关。

表2 内浮顶储罐VOCs损耗量Tab.2 VOCs loss under different floating plate installation modes

通过查询，浮筒式浮盘结构的盘缝长度因子为4.8 ft/ft-2，双层板式浮盘结构的盘缝长度因子为0.8 ft/ft-2，计算得到除浮盘密封损耗降为0.12 t外，其余类型的损耗量不变，浮盘密封损耗降低36.8%。

不同的浮盘安装方式对VOCs损耗影响较大，目前大部分在役储罐采用螺栓连接，而新建储罐采用焊接连接，采用焊接连接不会产生浮盘密封损耗，且会减少浮盘附件损耗，不同浮盘安装方式下的VOCs损耗量见表3，总的VOCs损耗较螺栓连接减少了30.3%。

表3 不同浮盘安装方式下的VOCs损耗量Tab.3 VOCs loss of different oil scale factors

4.1.2 内壁腐蚀程度

计算储罐内壁腐蚀程度对VOCs损耗的影响，不同油垢因子的VOCs损耗量见表4。内壁腐蚀程度只影响挂壁损耗，腐蚀越严重，内壁的粗糙度越大，在发油的过程中，越多的油品附着在腐蚀坑内，总的VOCs与油垢因子呈正比。因此，储罐在日常维护中要做好防锈防腐工作，采用泄漏检测与修复技术对储罐进行定期检查，尤其是油水、气水界面处。

表4 不同油垢因子的VOCs损耗量Tab.4 VOCs loss under different seal forms

4.1.3 外壁颜色

计算外壁颜色对VOCs损耗的影响不同外壁颜色的VOCs损耗量见图2。外壁颜色对挂壁损耗没有影响但会影响边缘密封损耗和浮盘附件损耗，颜色越深对太阳热辐射的吸收强度越大，油品加热后挥发气膨胀，与周围环境的对流和传导作用更明显，其中红色时VOCs损耗最大，白色时最小。

图2 不同外壁颜色的VOCs损耗量Fig.2 VOCs loss of different outer wall colors

4.1.4 密封形式

为降低油气损耗，内浮顶内壁与浮盘外缘环板之间的采用密封，一次密封分为机械靴式密封、液体填充密封和气体填充密封，二次密封分为边缘靴式、边缘刮板密封，不同密封形式下的VOCs损耗量见表5。可见密封形式对挂壁损耗和浮盘密封损耗没有影响，只影响边缘密封损耗，不采用二次密封的情况下，液体填充的密封效果最好，其次为机械靴式和气体填充；采用二次密封的情况下，可大幅降低油气损耗，液体填充+边缘刮板的密封效果最好，密封效果较最差的情况提高了41.9%。机械靴式密封并没有从根本上消除气相空间，且安装时对罐壁椭圆度、垂直度的要求较高，目前已被逐渐淘汰；气体填充密封是将密封袋置于油液面上，不易老化，但仍然存在气相空间；液体填充密封是将密封袋置于油品中，不存在气相空间，故密封效果最好。

表5 不同密封形式下的VOCs损耗量Tab.5 VOCs loss under different seal forms

4.2 气相条件

4.2.1 温度

不同月份的温度有所不同，导致VOCs损耗量也不同，不同月份的VOCs损耗量见图3。温度对挂壁损耗无影响，只影响边缘密封损耗和浮盘附件损耗，两种损耗方式类似，温度越高，储罐与大气之间存在热传导，导致罐内原油温度上升，分子间的热运动增强，液体蒸汽压升高，VOCs损耗量也增大，导致夏季7月份的损耗最大，冬季12月和1月的损耗较小。

图3 不同月份的VOCs损耗量Fig.3 VOCs loss in different months

4.2.2 风速及大气压

根据图1的条件，虽然不同月份的平均风速有所不同，但最大平均风速仅为4.9 m/s，根据GBT 28591—2012《风力等级标准》的要求仅为3级，未考虑极端天气下风速对VOCs损耗量的影响，故以0～7级的代表风速对储罐VOCs总损耗量进行核算。经计算，不同风速下的VOCs总损耗量均为0.69 t，可见风速对内浮顶几乎无影响，这是由于虽然风速增加，会在储罐上方形成负压区，但负压区并不与浮盘接触，而是与外部的固定顶接触。在其他条件相同时，考察环境大气压对储罐VOCs总损耗量的影响。环境大气压对VOCs损耗量的影响见图4。损耗量与环境大气压呈反比关系，大气压越低，原油蒸汽压与大气压之间的差值越小，导致气相空间增大，VOCs的损耗量增加。

图4 环境大气压对VOCs损耗量的影响Fig.4 Influence of ambient atmospheric pressure on VOCs loss

4.3 操作工况

在其他条件相同时，考察不同年周转次数（10、20、30、40、50、60）对VOCs损耗量的影响，年周转次数对VOCs损耗量的影响见图5。对于内浮顶罐，年周转次数主要影响挂壁损耗，其余损耗类型基本不变。年周转次数越多，周转量越大，收发油的时间内越长，导致原油发生工作损耗的时间也越长，VOCs损耗量越大。因此，在实际运行中，要尽量选用大排量扬程的给油泵，减少收发油时间，降低液面升降速度，控制罐顶呼吸阀的开度阈值，避免发油结束后出现呼吸阀吸入新鲜空气，导致“回逆呼出”损耗。