外浮顶储罐VOCs排放问题分析及防范措施

陈存法

（中国石化扬子石油化工有限公司，江苏南京 210048）

外浮顶储罐具有储量大、占地小、操作方便等优点，在原油储存中应用广泛。某炼油厂现有外浮顶原油储罐11台，其中9台20 000 m3，2台30 000 m3，总容量24万m3，有效储量约20.4万m3。随着国家安全环保要求的提升，储罐的密封和VOCs排放管理要求均日趋规范严格；储罐投用至今运行已超20年，密封总体性能下降，安全环保问题逐渐暴露，密封技术亟需提升。

1 外浮顶储罐的密封型式

外浮顶储罐的密封主要是浮顶的边缘密封、部分附件的密封。边缘密封用于封闭浮顶与储罐罐壁之间的空间，减少储存介质损耗，防止外部物质进入储罐，同时也保护浮顶在上下移动过程的平稳。边缘密封包含一次、二次密封，一次密封主要型式有机械密封、填料密封、充液密封等，二次密封主要是舌型刮板等。部分附件的密封包含浮盘量油导向管、浮盘支柱、检修人孔等处。该炼油厂11台外浮顶原油储罐的浮盘边缘密封均采用“一次软密封＋二次密封”的结构型式。

1.1 一次软密封

一次软密封全称为“弹性泡沫塑料软密封”，由厚度约1.5 mm的耐油丁腈橡胶袋和硬度120 N的聚氨酯弹性泡沫塑料组成，靠泡沫塑料弹性堵塞边缘缝隙。

1.2 二次密封

二次密封主要由密封刮板、压板等构件组成，安装在一次密封上部的外浮顶边缘板上，依靠密封刮板的弹性与罐壁做滑动接触，利用自身刚性将密封件推向罐壁，从而形成密封。该密封能将一次密封泄漏的油气阻挡在压板下方，进一步阻止泄漏。

2 外浮顶储罐VOCs排放问题分析

2.1 外浮顶罐运行损耗

2.1.1 静止储存

当储存介质处于静止状态，由于外部条件的变化如日照强度、大气压强等，介质挥发的油气会通过密封缝隙泄漏，尤其是当密封件密封不良时，可能会导致大量的VOCs泄漏。

2.1.2 收发油

通常与油罐收发油时的大呼吸相关[1]。由于油面上方空间的油气未达到饱和，加速油品蒸发，使其重新达到饱和，此时罐内压力将再次上升；部分油气因压力过大，从呼吸阀逸出，造成回逆呼出；大部分饱和油气将在下一次收油时被呼出[2]。另外，外浮顶罐在发油时，随着液面的下降罐壁直接暴露在空气中，粘附在罐壁上的液体蒸发导致损耗。

2.1.3 其他

浮盘附件损坏、密封不严或存在开口（如检尺口盖打开）都会增加储存介质的蒸发损耗。根据2020年该炼厂外浮顶罐G805的VOCs实测结果，浮盘附件油气泄漏超标主要体现在浮顶支柱上部及螺栓部位、量油导向管顶部及立柱通过装置部位，以及真空阀、边缘密封（二次密封）等，部分数据见表1。

表1 G805罐量油导向管改造前VOCs检测结果

2.2 外浮顶VOCs排放量核算

2.2.1 核算方法

外浮顶罐的总VOCs排放包括边缘密封损耗、挂壁损耗、浮盘附件损耗和浮盘落底损耗。结合储罐VOCs排放公式[3]可进行相关排放量核算，公式如（1）所示：

式中：LT为总损耗，kg/a；LR为边缘密封损耗，kg/a；LWD为挂壁损耗，kg/a；LF为浮盘附件损耗，kg/a；LTL为浮盘落底损耗，kg/a。

（1）边缘密封损耗LR

外浮顶罐边缘密封包括一、二次密封。损耗根据公式（2）估算：

式中：KRa为边缘密封损耗因子零风速，kmol/m·a；KRb为边缘密封损耗因子有风，kmol/（km/h）n·m·a；v为储罐所在地平均环境风速，km/h；n为密封相关风速指数；D为罐体直径，m；P*为蒸汽压函数；MV为气相分子质量，g/mol；KC为产品因子。

其中，根据炼厂原油相关数据，KRa取值0.4；KRb取值0.96；n取值0.3；P*取值0.003 73；MV此处默认取值50；原油KC取值0.4。

（2）挂壁损耗LWD

由于外浮顶罐浮盘在液面升降过程中部分介质会残留在罐壁上，从而使得VOCs进入大气；罐壁锈蚀情况对挂壁损耗影响较大。挂壁损耗可由公式（3）估算得出：

式中：Q为年周转量，kg/a；CS为罐体油垢因子；WL为特定石油化学品的平均挥发性有机液体密度，kg/m3；D为罐体直径，m；NC为固定顶支撑柱数量；FC为有效柱直径。

其中，对于自支撑固定浮顶或外浮顶罐NC为0；FC取值1；根据现场情况，罐体油垢参数CS取值0.007 5。

（3）浮盘附件损耗LF

浮盘附件由于密封情况、运行参数等问题，造成VOCs从各密封处进入大气。VOCs损耗可由下面的公式估算得出：

式中：FF为总浮盘附件损耗因子，kmol/m·a；

其中FF计算如下：

式中：NF为特定规格的浮盘附件数，无量纲量，NF1～NF6均取值1；KF1为人孔损失系数，此处取值1.6；KF2为计量井损失系数，取值2.8；KF3为采样井损失系数，取值12.0；KF4为导向柱损失系数，取值43.0；KF5为真空阀损失系数，取值0；KF6为固定支腿损失系数，取值0。

（4）浮盘落底损耗LTL

浮盘落底损耗是指在浮盘被支腿撑开，储罐内的介质将直接接触大气，造成油气持续挥发产生的损耗，其值等于落底静置、收油期间的VOCs排放之和。公式表示如式（6）所示：

式中：LSL为浮顶落底期间的静置排放，千克/次浮顶落底；LFL为浮顶落底期间的收油排放，千克/次浮顶落底。

对外浮顶储罐有残液时的损耗量表达式与边缘密封损耗量表达式LR相同，表达式为：

式中：LSLWind为浮顶落底期间风所引起的损耗量，千克/次浮顶落底；nd为浮顶落底天数，天。

2.2.2 炼厂储罐VOCs 排放量核算

炼厂11台储罐的直径参数如下：4台为40.5 m，5台为40 m，2台为46 m。2021年炼厂外浮顶原油罐周转量482.24×104t，密度830 kg/m3。查询2021年当地气象数据，该地平均风速为2.3 m/s，最低年平均气温12 ℃，最高年平均气温21 ℃。将环境参数代入上述公式，2021年炼油厂11台外浮顶原油罐VOCs排放量计算结果如表2所示。

表2 2021年原油外浮顶罐VOCs排放量 t/a

从表2可知，2021年炼油厂11台原油外浮顶储罐VOCs排放量：储罐罐壁为重锈时，排放量为393.87 t；当储罐罐壁为轻锈时，排放量为36.32 t（注：外浮顶检修后第1～3年取轻锈，第4年后取重锈）。

另外可以看出，重锈情况下挂壁损耗是主要的VOCs排放源；当罐壁为轻锈时，浮盘附件损耗是主要的VOCs排放源。

2021年无外浮顶储罐浮盘落底现象，但根据公式，每一次浮盘落底排放量损耗也较大，数据计算结果接近边缘密封损耗，可看出这也是主要的VOCs排放源。且浮盘落底容易产生爆炸气相空间，存在安全隐患，故在储罐正常运行过程中严禁浮盘落底。

2.3 外浮顶VOCs异常排放问题

2.3.1 边缘密封不严

（1）一次密封泡沫软补偿性能差。长期运行中，随着弹性海绵老化，变形补偿能力降低，形成缝隙。

（2）一、二次密封内部存在油气空间。罐壁挂油、一次密封不严等原因导致一、二次密封间油气浓度超标。

2.3.2 浮盘附件无泄漏控制措施

外浮盘上的浮顶支柱、量油导向管等附件处于敞开状态，未做有效的密封处理。

图1和图2中的不完好情况也是当前外浮顶浮盘密封普遍存在的问题。这些问题油气浓度超标，在雷暴天气存在安全风险，且外浮顶储罐浮顶支柱、导向（量油）管等处的VOCs排放浓度较高，按照密封点管理定期进行LDAR检测，可能不满足《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822-2019）8.2条规定的“储罐上的油气泄漏点浓度不应超过5 000 μmol/mol（重点地区为2 000 μmol/mol）”[4]，存在违反国家环保规范的风险。

图1 支腿插销处渗油

图2 量油导向管

3 外浮顶储罐密封提升技术

3.1 抑爆型二次密封技术

如图3所示，在浮盘边缘一次密封（Ⅰ）、二次密封（Ⅱ）之间增加0.6 mm厚的抑爆隔膜（Ⅲ），配重部位采用1.5 mm的齿胶，安装时齿面贴向罐壁，边缘板处进行反包处理，进一步提高橡胶包带的密封性。

图3 抑爆型二次密封示意结构

3.2 浮顶支柱密封技术

支腿顶部加装密封帽，用钢带在插销以下的位置封闭，消除支腿缝隙泄漏。支柱密封帽具有优异的油气抗耐性、耐天候老化性能，在使用过程中能够抵御风吹日晒、气温变化等，如图4所示。通过宽口朝下沿支柱顶部垂直套下安装，底部采用不锈钢扎带锁紧，并用XPE密封垫填充，从而在浮顶支柱和支柱套管间形成良好的密封。

3.3 导向（量油）管密封技术

导向（量油）管密封技术是在侧壁开孔的导向（量油）管上加装可以随浮盘升降的伸缩密封套，可消除导向柱周侧油气泄漏，如图5所示。伸缩密封套采用不锈钢骨架与CSM材质制成，通过粘带和拉链密封。安装过程中，优先进行密封固定罩安装，在分合结构的固定罩与立柱通过装置底座钢板之间安装密封垫，并在螺栓部位涂耐油密封胶。将伸缩密封套套在导向（量油）管上并拉好拉链与密封粘带，顶部与底部均使用不锈钢抱箍锁紧，并用XPE密封垫填充，从而阻绝导向（量油）管油气逸散。

图5 导向（量油）管密封

3.4 运行效果实例验证

该企业响应公司要求，根据《关于外浮顶密封油气超标专项排查意见》，2020年在炼油厂原油罐实施导向（量油）管密封装置改造，如图6所示。

图6 改造后的量油管密封

自2021年11月对原油罐实施外浮顶储罐密封改造技术后的持续数据监测，至2022年1月，导向（量油）管密封使用情况均正常。2021年12月对原油罐顶部VOCs浓度进行检测，数据见表3。对比表1可发现，密封改造实施后，油气泄漏浓度明显降低，罐顶VOCs浓度大幅降低，储罐收付过程满足国家环保规范对泄漏点的排放要求。

表3 G805罐量油导向管改造后VOCs检测结果

4 外浮顶储罐运行防范措施

（1）根据外浮顶罐VOCs异常排放核算，在储罐的正常运行过程中，要加强对储罐罐壁锈蚀情况的跟踪，减少挂壁损耗，即减少VOCs的排放。

（2）当储罐罐壁为轻锈时，边缘密封损耗是主要的VOCs排放源，此时需要做好密封件的改造，考虑外浮顶使用加装抑爆型二次密封装置，大幅缩减浮盘边缘一、二次密封油气空间，杜绝密封圈火灾燃爆事故的发生。加装浮顶支柱密封装置，消除了浮顶支柱处的VOCs泄漏。加装导向（量油）管密封装置，静态条件下可基本消除VOCs泄漏。

（3）浮盘落底容易产生爆炸气相空间，存在安全隐患。

（4）除了对一二次密封、支柱、导向管进行改造以外，平时需加强浮盘上方其他密封点的LDAR监测，跟踪VOCs泄漏情况，发现VOCs超标及时整改闭环，确保满足《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822-2019）的相关要求。

5 结论

通过对某炼厂部分外浮顶储罐VOCs排放量的核算，分析出在储罐正常运行过程中，要加强对储罐罐壁锈蚀情况的跟踪；且避免过度输油造成浮盘落底；也可以通过对外浮顶罐的一二次密封、支柱、导向管进行改造，减少VOCs排放，提升外浮顶储罐的安全环保水平。另外浮顶罐的VOCs排放存在安全环保风险，运行过程中防范措施不能缺少，需要不断完善和提高企业外浮顶罐VOCs的治理水平，保护好生产操作环境。随着国家政府对VOCs排放越来越重视，储罐的VOCs无组织排放等核算体系和规范标准也会相应提高，外浮顶储罐的VOCs排放的防范措施也会逐步推广与应用。