固定顶储罐油品蒸发损耗影响因素分析

董 瑞

(中石化安全工程研究院有限公司，山东 青岛 266104)

石油产品本质上都是混合物，其中的轻烃组分极易挥发，在油品生产、储存和输转过程中，部分液态烃组分会汽化并逸散到环境中，产生损耗。油品的蒸发损耗属于自然损耗，一定数量的损耗是合理的。由于过程缓慢且持续，油品的蒸发损耗量常常被计量误差掩盖，不易引起人们注意。但是，蒸发损耗的累积量是十分惊人的，其中，油品储存过程中产生的损耗是石化企业VOCs排放的重要组成部分，约占总排放量的29%[1]。以我国2019年原油产量1.91亿吨计算，储运过程的蒸发损耗量在200万吨以上，经济损失达数十亿元。

当前，我国使用中的钢质储罐多为固定顶罐和浮顶罐。固定顶储罐具有节约材料、投资小、配件少的优点，同时能够应对恶劣的环境条件，但在相同量级及存储条件下，固定顶罐的VOCs排放量要远远超过浮顶罐。因此，本文以固定顶储罐为研究对象，叙述了其蒸发损耗类型、损耗过程及影响因素，提出有效的降耗措施。

1 固定顶储罐蒸发损耗类型

固定顶储罐油品的蒸发损耗主要分为三种类型：小呼吸损耗、大呼吸损耗以及自然通风损耗。

1.1 小呼吸损耗

储罐的小呼吸损耗是指罐内油品处于静止状态下，受昼夜温度变化引起的损耗，也称为静置损耗。其具体过程为：日出后，太阳辐射强度增强，环境温度上升，罐内气体空间及油品温度随之上升，油品蒸发速度加快，气体空间体积膨胀，混合气体压力升高，当混合气体压力大于呼吸阀压力与大气压之和时，呼吸阀被顶开，混合气体逸出至罐外，吸气过程与呼出过程相反。小呼吸的呼气持续时间较吸气时间长，呼气一般发生在日出后的2 h内，到正午后结束，吸气多发生在每日气温急剧下降的一段时间，即日落前后的几个小时内[2]，储罐的“呼气”和“吸气”过程是在规律性进行。

1.2 大呼吸损耗

大呼吸损耗是储罐进行收发油作业时产生的损耗，也称为工作损耗，是储液高度的显著变化引起的。储罐收油时，油品发生对流、撞击罐底及罐壁，高速运动的气体分子和低速油品液体撞击，对流撞击时产生能量交换，低速油品获得能量后从液态中逸出，由液相进入气相，气体空间压力变大，同时液面上升导致气体空间减小，油气被压缩，压力进一步升高，当罐内混合气体压力超过呼吸阀的压力设定时，压力阀盘被顶起，将混合气体排出；储罐发油时，液面下降，气体空间增大，油气浓度降低，罐内气体压力减小，当混合气压力小于呼吸阀的真空设定时，真空阀盘自动打开，将外界空气吸入罐内。

1.3 自然通风损耗

自然通风损耗是由于储罐破损或腐蚀，在罐顶不同高度处出现孔隙，因混合气体密度比空气大，导致罐内油气通过低处孔隙流到罐外，外界空气由高处孔隙流入罐顶气体空间，如此连续不断的对流，导致的油品损耗。若罐顶不同高度处出现多个孔隙，当孔隙间高度差为0.5 m，孔隙面积1 cm2，罐顶油气浓度为5%时，每昼夜自然通风损耗约为16 kg，在有风条件下，储罐四周压力分布不均，自然通风损耗加剧[2]。

研究表明[2-5]，储罐油品蒸发损耗主要发生在小呼吸和大呼吸过程中，自然通风损耗一般发生在容器破损、罐顶和罐体腐蚀穿孔或焊缝有砂眼以及呼吸阀阀盘、量油孔、透光孔等未盖严等情况下，与大小呼吸相比，自然通风损耗量较小。对于一般储罐，只要加强设备管理，及时检查维修，自然通风损耗是可以避免的。

2 固定顶储罐蒸发损耗影响因素分析

2.1 小呼吸损耗影响因素

(1)温度。温度是物质分子平均平动动能大小的宏观表现，温度升高使油品蒸发速度加快，油品中液态轻烃分子的平均平动动能增大，克服表层分子引力进入气相的分子数增多，同时也使气体空间中油气分子平均平动动能增加，混合气体的压力增大，呼出罐外的油气增多[6]。温度与油品饱和蒸气压成正比关系，温度越高，油品饱和蒸气压越大，在不同温度下对4种油品的蒸发量进行测试，储存温度由80 ℃降到30 ℃，降耗率约为70%[7]。环境温度、油品温度高或昼夜温差大，都会使小呼吸损耗增加。实验显示，我国北方地区汽油储罐小呼吸年损耗率约为0.70%，南方地区约为0.79%[8]；以3000 m3储罐为实验对象，在相同液面高度和外界温度条件下，油温为52 ℃和56 ℃时，呼气速度分别为1.50 m/s及2.88 m/s[9]；一般认为，小呼吸仅占固定顶储罐蒸发损耗量的10%[10-11]，但在新疆地区，昼夜温差变化大，小呼吸损耗是油品损耗的主要原因，对塔里木一储罐群进行测试，测得小呼吸占蒸发损耗的近90%[12]。

(2)油品存储周期。储罐存储油品的周期越长，罐内油气浓度越大，小呼吸损耗随之增加。通过对固定顶储罐不同储存时间下的罐顶油气浓度进行取样分析，得出油品静置储存24 h和72 h后，罐顶气体空间平均浓度由0.62 kg/m3升高为1.26 kg/m3，随储存时间增加，罐顶气体空间油气浓度分布趋于均匀，各高度油气浓度梯度减小，平均浓度升高[13]。

(3)储罐尺寸。一般来说，储罐越大，敞口面(蒸发面积)越大，小呼吸损耗就越大，油品蒸发速率与蒸发面积成正比关系。但储存相同数量油品时，尽量使用大罐，使用多个小罐会使蒸发面积增大，损耗增加。如使用设计能力为1200 m3和400 m3的储罐储存1000 m3汽油，后者蒸发损耗是前者的 1.52倍[14]。

(4)太阳辐射。太阳辐射是影响罐顶气体空间温度梯度分布和温度场变化的关键因素，储罐小呼吸与太阳辐射线性相关。白天随阳光照射，太阳辐射热量的80%由罐顶传入罐内[14]，油气被迅速加热，同时热量通过气体空间传递到油品表面，使液面温度升高，形成指向油品的由高到低的温度梯度。太阳辐射增加，小呼吸损耗逐渐增大，油品蒸发速度加快，损耗增加[15-16]。

(5)罐漆颜色。储罐外层涂料对罐内温度有很大影响，对 4个50 m3的银灰色、绿色、天蓝色及黑色卧式罐测温，测得罐内温度分别为11，14.7，20.3，30 ℃，使用上述4个储罐装满汽油储存一年后，其呼吸损耗分别为460，550，590， 680 kg，其中银灰色储罐损耗率为1.3%，黑色油罐的损耗率为1.9%[14]。

(6)油品性质。在同样的温度条件下，油品组分中碳原子数小于8的轻烃含量越多，沸点越低，蒸发损耗就越大。例如，使用固定顶储罐分别储存汽油、煤油和柴油时，汽油的小呼吸损耗是煤油及柴油的10倍[13]。

其中，油品性质和温度是影响固定顶储罐小呼吸损耗的主要因素。

2.2 大呼吸损耗影响因素

(1)油品性质。油品性质决定了大呼吸损耗量的多少。油品密度越小，轻烃组分越多，越容易挥发；油品沸点低，饱和蒸气压就低，气化能力就越强，损耗越多。

(2)收发油速度。收油时，油品液面扰动剧烈，若收油流量小，导致操作时间增加，使油品大量蒸发，呼吸损耗增大；发油时，如果流量过大，罐顶气体空间浓度急剧下降，使回逆呼气损失大大增加[17]。

(3)储罐周转次数和时间间隔。储罐收发油次数越多，罐顶油气空间体积及浓度改变越频繁，其大呼吸损耗量就越大；收发油时间间隔时间长，罐顶气体空间浓度变化幅度大，呼吸损耗增加。

(4)输油口高度及储罐初始油气浓度。收发油过程中，输油口越高，油品损耗越大，随装油速度增大，高输油口损耗率最大为0.34%，低输油口为0.025%；增大储罐初始油气浓度，高中低输油口损耗率分别为0.44%、0.21%和0.043%[18-20]。

此外，储罐所处的地理位置、气象条件及管理水平也会影响其蒸发损耗[21-23]。

在影响固定顶储罐大呼吸损耗的所有因素中，油品性质和储罐周转次数是主要影响因素。

3 降低固定顶储罐油品损耗的措施

3.1 合理选择罐型

做好储罐选型及设计是从源头控制油品损耗，降低VOCs排放的关键措施，应根据储存物料的真实蒸气压等理化性质进行合理选择。使用浮顶罐储存时，应采用全接液式浮盘及高效密封形式；使用固定顶罐储存时，排放废气应进行密闭收集处理或其他等效措施，此外，企业也可使用压力罐、浮顶罐替代固定顶储罐。

3.2 选用防腐浅色罐漆或阳光反射涂料

罐壁使用白色或灰铝等浅色涂料，能减少太阳辐射，有效控制罐内温度变化；此外，由于储罐长期处于露天环境，防腐涂料能防止日晒雨淋对罐体的影响；使用阳光反射涂料，能有效反射太阳辐射，降低储罐温度，减小损耗。由于罐顶是储罐传热的主要途径，是造成罐内油气空间温度梯度的主要影响因素，故为了节约成本，降低损耗，可以选择在罐顶使用高效太阳反射涂料以此来阻挡绝大部分的热量输入。

3.3 采取隔热措施

对储罐采取各种隔热措施，能显著降低小呼吸损耗，如在罐顶或罐壁外侧安装隔热板，其与储罐之间形成的空气夹层使油品和罐壁温度保持恒定，从而降低储罐气体空间的温度及其变化幅度，对单罐大于2000 m3，小于等于5000 m3的中型储罐进行实测，小呼吸损耗降低50%。

3.4 改进储罐承压性能

适当提高储罐承压性能，不仅能完全消除小呼吸损耗，也能使大呼吸损耗有所下降。储罐承压性能越好，气体空间压强越高，蒸发速率越小；储罐承压能力较低，罐顶混合气体在较短时间就能达到呼吸阀的开启压力，增加呼吸阀的开启频率，油品蒸发速度加快，损耗增加。相关资料表明，储罐承压为 5 kPa时，大呼吸损耗降为原来的75%，承压达到26 kPa时，小呼吸损耗可忽略不计，同时大大减少大呼吸损耗。目前广泛使用的固定顶罐承压能力为2 kPa，通过适当改造可大大增强其承压性能，大容积罐可提高至10～20 kPa，小容积罐可提高到30～40 kPa。

3.5 合理安排储罐使用及输油管理

储罐周转量和周转次数是影响大呼吸损耗的主要因素，可利用呼吸损耗规律进行储存管理和收发油作业。尽量保持高液位储存，减少罐顶气体空间体积，科学调度储罐，减少倒罐次数和中间环节；储存相同数量的油品时，尽量使用大罐；选择适宜的收发油时间，在降温时收油，温升时发油；控制收发油速度，快速收油，缩短操作时间，使油品来不及大量蒸发而减少呼吸损耗，缓慢发油，气体空间油气浓度下降减缓，以减少回逆回逆呼气损失，发油后尽快安排收油，缩短周转时间间隔。另外，由于清晨和傍晚储罐内外压差最小，故可选择该时段进行取样或人工检尺作业时，降低油气损耗量。

3.6 选用有效的油气回收技术

油气回收技术是控制油气排放，提高能源利用率，减小经济损失的有效措施，应结合安全环保及油品储罐管理要求合理选用。目前国内外油气回收技术主要有冷凝法、吸收法、吸附法、膜分离法及多种方法的组合技术，可根据处理介质、工作参数、处理量、占地、价格及管理维护复杂程度等选择单一或集成的油气回收方法。

4 结 论

油品损耗与企业效益，社会效益及环境效益直接相关，油品储存和输转过程中的损耗量十分可观，针对固定顶储罐的蒸发损耗，分析了损耗的类型及其影响因素，为了加强油品管理，节能降耗，可根据储存物料合理选择罐型，选用防腐浅色罐漆或阳光反射涂料，并采取有效的隔热措施，同时改进储罐承压性能，合理安排储罐使用及输油管理，采用气相平衡系统，选择有效的油气回收技术等，根据企业需要选择科学有效的降耗措施，提高油品利用率，对固定顶储罐进行全过程控制，实现企业的安全、健康、可持续发展。