石化企業(yè)浮頂罐大呼吸損耗核算方法分析

劉敏敏，王永強(qiáng)，劉 芳，段濰超，王 婧，陳 曦

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 安全環(huán)保與節(jié)能技術(shù)中心，山東 青島 266580；3. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071）

環(huán)境評(píng)價(jià)

石化企業(yè)浮頂罐大呼吸損耗核算方法分析

劉敏敏1，王永強(qiáng)1，劉 芳1，段濰超2，王 婧3，陳 曦1

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 安全環(huán)保與節(jié)能技術(shù)中心，山東 青島 266580；3. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071）

石化企業(yè)儲(chǔ)罐無(wú)組織排放揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和油品損耗問(wèn)題，以浮頂罐的大呼吸損耗為代表。在概述浮頂罐大呼吸損耗機(jī)理的基礎(chǔ)上，以北京某石化企業(yè)的甲苯內(nèi)浮頂罐為基準(zhǔn)案例，對(duì)國(guó)內(nèi)外4種核算公式進(jìn)行了對(duì)比分析，考察了影響浮頂罐大呼吸損耗的因素，并提出有效的減耗措施。結(jié)果表明：采用我國(guó)推薦的公式進(jìn)行核算更符合我國(guó)實(shí)際，需建立和完善以我國(guó)有機(jī)液體理化參數(shù)和儲(chǔ)罐構(gòu)造為基準(zhǔn)的核算方法和軟件；影響浮頂罐大呼吸損耗的主要因素包括油品性質(zhì)、周轉(zhuǎn)量、罐體直徑、罐壁黏附系數(shù)等，其中罐壁黏附系數(shù)為關(guān)鍵影響因素。

石化企業(yè)；浮頂罐；揮發(fā)性有機(jī)物；大呼吸損耗；核算

隨著我國(guó)油品需求量的不斷增加，油品儲(chǔ)罐的數(shù)量也逐漸增多。石化企業(yè)步入大型化發(fā)展階段，在推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和油品損耗問(wèn)題，而儲(chǔ)罐無(wú)組織排放揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是該問(wèn)題的主要成因［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)平均每年有千萬(wàn)噸級(jí)的VOCs從有機(jī)液體儲(chǔ)罐中散逸到大氣中［2］，不但會(huì)造成油氣資源的浪費(fèi)［3］，也會(huì)導(dǎo)致油品質(zhì)量的下降［4］，如辛烷值降低、氧化速率加快、膠質(zhì)含量增加等。此外，油蒸氣散發(fā)到大氣中，還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，危害人類健康［5］，且在局部地區(qū)構(gòu)成潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)［6］。因此，石化企業(yè)儲(chǔ)罐VOCs的排放受到社會(huì)的廣泛關(guān)注［7-8］。

常見(jiàn)的儲(chǔ)罐形式包括固定頂罐、浮頂罐和球形罐等。研究發(fā)現(xiàn)，與固定頂罐相比，浮頂罐的蒸發(fā)損耗降低了90%左右［9］，故20世紀(jì)80年代以來(lái)，浮頂罐成為主要的油品儲(chǔ)存設(shè)施。正常工況下，浮頂罐的蒸發(fā)損耗主要分為收發(fā)油操作時(shí)的大呼吸損耗和靜置儲(chǔ)存時(shí)的小呼吸損耗。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)后者采取了許多措施，如密封等，使得其在總蒸發(fā)損耗中的比例大幅降低，但大呼吸損耗仍有待進(jìn)一步控制。因此，對(duì)浮頂罐的大呼吸損耗進(jìn)行精確核算顯得尤為重要。

本工作在概述浮頂罐大呼吸損耗機(jī)理的基礎(chǔ)上，以北京某石化企業(yè)的甲苯內(nèi)浮頂罐為基準(zhǔn)案例，對(duì)國(guó)內(nèi)外4種核算公式進(jìn)行了對(duì)比分析，考察了影響浮頂罐大呼吸損耗的因素，并提出有效的減耗措施，以期為環(huán)評(píng)或相關(guān)部門控制浮頂罐無(wú)組織排放提供依據(jù)。

1 浮頂罐大呼吸損耗機(jī)理

對(duì)于浮頂罐，其大呼吸損耗又稱為掛壁損失。在浮頂罐發(fā)料過(guò)程中，當(dāng)儲(chǔ)罐處于低液位時(shí)，由于在工作過(guò)程中浮頂隨液位下降，殘留在罐內(nèi)壁上的有機(jī)液體隨即蒸發(fā)，由此造成的損耗稱為掛壁損失。對(duì)于有支柱支撐的大型內(nèi)浮頂罐，隨著液面的下降，儲(chǔ)液也會(huì)黏附在支柱表面而產(chǎn)生損耗［2，10］。

2 浮頂罐大呼吸損耗核算方法

2.1 核算公式

對(duì)于浮頂罐大呼吸損耗的核算，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了許多相關(guān)研究，主要的核算公式有美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）的經(jīng)驗(yàn)公式［11］、美國(guó)環(huán)保署（EPA）推薦的經(jīng)驗(yàn)公式［12］、中國(guó)石油化工集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱中石化）經(jīng)驗(yàn)公式［13］和《石油庫(kù)節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SH/T 3002—2000）（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》）公式［14］。

2.1.1 API公式

API對(duì)內(nèi)浮頂罐和外浮頂罐的大呼吸損耗核算方法相同，其公式為：

式中：LW為浮頂罐大呼吸損耗量，t/a；1.37×10-4為常數(shù)，t/m2；V為油品泵送入罐量，m3/a；D為罐體直徑，m。

2.1.2 EPA公式

EPA發(fā)布的液體儲(chǔ)罐中浮頂罐大呼吸損耗的核算方法是基于多年理論推導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究建立起來(lái)的，其公式為：

式中：Q為周轉(zhuǎn)量，m3/a；CS為罐壁黏附系數(shù)，m3/103m2，詳見(jiàn)表1；WL為有機(jī)液體密度，kg/m3；NC為固定頂支撐柱數(shù)量（對(duì)于自支撐固定浮頂或外浮頂罐NC=0），無(wú)量綱；FC為柱的有效直徑，m；0.943為系數(shù)，根據(jù)美國(guó)儲(chǔ)罐及油品性質(zhì)換算而來(lái)。

表1 浮頂罐的罐壁黏附系數(shù) m3/103m2

2.1.3 中石化公式

對(duì)于浮頂罐大呼吸損耗的核算，中石化系統(tǒng)編制的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：4為系數(shù)，根據(jù)我國(guó)儲(chǔ)罐及油品性質(zhì)換算而來(lái)。

2.1.4 《導(dǎo)則》公式

《導(dǎo)則》中對(duì)于浮頂罐大呼吸損耗的核算方法見(jiàn)式（4）。由式4可見(jiàn)，對(duì)于外浮頂罐大呼吸損耗的核算方法，《導(dǎo)則》與中石化經(jīng)驗(yàn)公式相同，而對(duì)于用固定支撐柱支撐固定浮頂?shù)膬?nèi)浮頂罐則略有不同。

2.2 核算實(shí)例

以北京某石化企業(yè)典型甲苯內(nèi)浮頂罐作為基準(zhǔn)案例進(jìn)行大呼吸損耗核算，該儲(chǔ)罐的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2（式（1）中的V在此案例中與Q相等）。

表2 北京某石化企業(yè)典型甲苯內(nèi)浮頂罐的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)

分別按照式（1）～（4）對(duì)上述甲苯內(nèi)浮頂罐的大呼吸損耗進(jìn)行核算，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，API公式核算結(jié)果與EPA公式結(jié)果相近，而中石化公式和《導(dǎo)則》公式核算結(jié)果接近，且比API和EPA結(jié)果都要大。以上結(jié)果是由于每種核算方法考察的因素、儲(chǔ)罐特性及油品參數(shù)存在差異而導(dǎo)致的。

表3 不同核算公式的計(jì)算結(jié)果 LW，t/a

2.3 核算公式的對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)上述浮頂罐大呼吸損耗核算方法的對(duì)比可知，API的計(jì)算公式相對(duì)簡(jiǎn)單，僅考慮了油品泵送入罐量和罐體直徑兩個(gè)因素，適用于儲(chǔ)存原油、汽油及揮發(fā)性有機(jī)溶劑時(shí)的大呼吸損耗估算。該公式是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出的純經(jīng)驗(yàn)公式，且均以美國(guó)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，其罐體特性、工藝水平、操作條件等均與我國(guó)有很大差異，因此，該公式在我國(guó)的適用性較差［15］。

EPA公式的浮頂罐大呼吸損耗量計(jì)算方法考慮的因素全面，除了油品的周轉(zhuǎn)量和罐體直徑外，還包括罐壁狀況及存儲(chǔ)有機(jī)液體的物化性質(zhì)等，計(jì)算結(jié)果精度高，具有適用油品、化學(xué)品范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，且所附的參數(shù)選取表、化學(xué)品物性數(shù)據(jù)表都較為詳盡，對(duì)于無(wú)法獲得或難以獲得的數(shù)據(jù)可用現(xiàn)有的排放因子、系數(shù)（默認(rèn)值）代替［16］。該公式是基于理論分析推導(dǎo)出理論方程式，然后借助于大量實(shí)驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)公式中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，整理出包括主要影響因素的經(jīng)驗(yàn)公式和損耗系數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的TANKS 4.09D軟件，使用者只需輸入儲(chǔ)罐和儲(chǔ)存液體等參數(shù)信息，就可得到其大呼吸損耗量［17］。該方法和軟件得到了廣泛認(rèn)可，歐盟和澳大利亞等均使用該軟件對(duì)有機(jī)液體浮頂罐的VOCs無(wú)組織排放進(jìn)行定量估算，體現(xiàn)了該方法的權(quán)威性［18-19］。李靖等［20］詳細(xì)介紹了該軟件及其應(yīng)用方法，并結(jié)合儲(chǔ)罐VOCs排放實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算分析，指出了該軟件的適用性。但由于工藝條件、環(huán)境和氣象條件等因素的差異，該方法在美國(guó)以外的其他地區(qū)直接應(yīng)用的估算結(jié)果精度較差。研究發(fā)現(xiàn)，在英國(guó)的估算結(jié)果只有實(shí)測(cè)值的1/3［21］。2015年，我國(guó)先后發(fā)布的《揮發(fā)性有機(jī)物排污收費(fèi)試點(diǎn)辦法》及《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》（以下簡(jiǎn)稱《排查指南》）中的儲(chǔ)罐蒸發(fā)損耗核算方法也是以美國(guó)EPA推薦方法為基準(zhǔn)建立的。但是《排查指南》公式中所用到的相關(guān)損耗系數(shù)均是基于美國(guó)儲(chǔ)罐構(gòu)造的現(xiàn)狀推導(dǎo)出的，并采用美國(guó)單位標(biāo)準(zhǔn)體系，而我國(guó)在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、維護(hù)水平等方面與美國(guó)有較大差異。因此，我國(guó)需要借鑒美國(guó)的諸多經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展“本土化”工作，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，建立以我國(guó)有機(jī)液體理化參數(shù)和儲(chǔ)罐構(gòu)造為基準(zhǔn)的核算方法。由于美國(guó)EPA核算公式涉及的參數(shù)較多，為方便計(jì)算，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心基于此公式，利用Excel軟件創(chuàng)建參數(shù)列表，并利用軟件中設(shè)定的公式函數(shù)建立各種參數(shù)間的邏輯關(guān)系，編制出計(jì)算程序，使用者只需輸入必要的數(shù)據(jù)，就可直接得出儲(chǔ)罐的大呼吸損耗量。

中石化公式和《導(dǎo)則》公式均是由中石化系統(tǒng)主編的，是結(jié)合我國(guó)石化企業(yè)現(xiàn)狀，以理想氣體狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，通過(guò)理論分析而提出的半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算公式，且公式中很多參數(shù)借助API的試驗(yàn)測(cè)定值或經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，推導(dǎo)過(guò)程較嚴(yán)謹(jǐn)，可信度較高［9］。中石化系統(tǒng)編制的這兩個(gè)公式考慮的因素也比較全面，除了考慮浮頂罐的周轉(zhuǎn)量、罐體直徑和有機(jī)液體密度外，主要考慮了罐壁黏附系數(shù)，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單［17］。由表1可以看出，黏附系數(shù)因罐壁狀況不同而存在較大差異，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致浮頂罐大呼吸損耗核算結(jié)果產(chǎn)生數(shù)量級(jí)的差別?！秾?dǎo)則》公式對(duì)罐型分類更準(zhǔn)確，使計(jì)算結(jié)果更精確，常被用來(lái)計(jì)算我國(guó)石化企業(yè)輕質(zhì)油品儲(chǔ)罐的排放量［21-22］。但該方法計(jì)算中需要的參數(shù)較多，部分參數(shù)較難獲取，且計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜，會(huì)給計(jì)算工作帶來(lái)不便，如有計(jì)算機(jī)輔助則會(huì)更加便利［23］。

上述4種推薦方法應(yīng)用于我國(guó)石化企業(yè)浮頂罐大呼吸損耗核算過(guò)程中，既有區(qū)別又有聯(lián)系。根據(jù)各公式函數(shù)關(guān)系分析可以看出，API公式只考慮儲(chǔ)罐規(guī)格和儲(chǔ)存液體體積，而美國(guó)EPA、中石化和《導(dǎo)則》推薦的公式均考慮到了儲(chǔ)罐規(guī)格、儲(chǔ)存液體性質(zhì)、周轉(zhuǎn)量、罐體狀況等因素。研究發(fā)現(xiàn)：中石化公式和《導(dǎo)則》公式的計(jì)算結(jié)果較接近，API公式和EPA公式的計(jì)算結(jié)果較接近［24］；但美國(guó)的這兩種方法計(jì)算結(jié)果總體小于中國(guó)的這兩種方法［21，25］。這與本研究核算實(shí)例的結(jié)果相一致。由于我國(guó)與國(guó)外的儲(chǔ)罐構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)以及水平、維修、環(huán)境等方面均存在差異，以上4種核算方法相比較，部分研究者認(rèn)為采用我國(guó)推薦的計(jì)算浮頂罐大呼吸損耗的公式更符合我國(guó)的實(shí)際狀況［23，26］。

上述4種常見(jiàn)核算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)多年的研究成果和實(shí)際情況，建議在美國(guó)EPA推薦公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)石化企業(yè)的實(shí)際情況，研究公式中參數(shù)的相關(guān)性，調(diào)整參數(shù)范圍，并建立和完善我國(guó)的氣象信息庫(kù)以及油品和有機(jī)液體物性數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建適合我國(guó)國(guó)情的儲(chǔ)罐大呼吸損耗核算方法和軟件。

3 浮頂罐大呼吸損耗影響因素

通過(guò)對(duì)浮頂罐大呼吸損耗核算方法的研究分析可知，油品的大呼吸損耗是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果，內(nèi)因是油品的性質(zhì)，如黏度、密度等，外因是發(fā)油速率、周轉(zhuǎn)量、罐體直徑、罐壁黏附系數(shù)等。當(dāng)儲(chǔ)罐的周轉(zhuǎn)量、罐體直徑、油品密度確定時(shí)，浮頂罐大呼吸損耗量主要取決于罐壁黏附系數(shù)。

由表1可以看出，罐壁狀況不同，其黏附系數(shù)相差較大，進(jìn)而影響儲(chǔ)罐大呼吸損耗量。研究發(fā)現(xiàn)，罐壁黏附系數(shù)與油品的黏度、罐壁粗糙程度及邊緣密封裝置對(duì)罐壁的壓緊程度有關(guān)［27］。油品的黏度影響油品與罐壁之間的附著力，從而影響其掛壁沾油量；而罐壁的粗糙程度與油罐的腐蝕程度密切相關(guān)。楊占品等［27］的研究表明：對(duì)不同罐壁黏附系數(shù)情況下的理論發(fā)油損耗進(jìn)行核算，重銹時(shí)的損耗是輕銹時(shí)的18倍；浮頂罐內(nèi)壁進(jìn)行涂層處理后可使表面摩擦系數(shù)大幅降低，明顯改善罐壁表面粗糙度，且使浮盤邊緣密封裝置對(duì)罐壁的壓緊程度得到明顯提高，罐壁沾油量下降90%以上，發(fā)油損耗僅為處理前的3.1%，周轉(zhuǎn)損耗可降低62.7%。吳成華等［28］的研究表明，對(duì)于罐壁上部2 m和下部2 m外的與油接觸的其他絕大部分罐內(nèi)壁，由于原油中含有蠟質(zhì)，會(huì)在其表面形成蠟?zāi)けＷo(hù)層，可以不采用涂刷防腐涂料的措施，僅對(duì)其腐蝕部位做除銹處理即可。該工藝節(jié)能減耗，值得采納。

邊緣密封材料與罐壁的緊實(shí)程度影響浮頂罐大呼吸損耗的原因則在于邊緣密封材料起到刮片的作用，發(fā)油時(shí)浮盤隨液面下降，邊緣密封材料會(huì)將一部分掛壁油品刮入剩余油品中。密封材料與罐壁之間的相互作用越強(qiáng)，則暴露在空氣中的掛壁油品就會(huì)越少，進(jìn)而減少掛壁損失。因此，可以通過(guò)增加二次邊緣密封來(lái)加強(qiáng)邊緣密封材料與罐壁的緊實(shí)程度，進(jìn)而達(dá)到減小掛壁損失的目的。

4 降低浮頂罐大呼吸損耗的措施

根據(jù)以上分析結(jié)果，有針對(duì)性地提出以下有效減耗措施：發(fā)油操作時(shí)，應(yīng)放慢作業(yè)速度，以減緩罐內(nèi)氣體濃度的下降速率，減少工作蒸發(fā)損耗；新建浮頂罐時(shí)，在其他條件不變的情況下，擴(kuò)大罐體直徑可以減少大呼吸損耗；盡量減少儲(chǔ)罐間油品的周轉(zhuǎn)頻次，可有效降低大呼吸損耗；在一次密封的基礎(chǔ)上采用二次密封，通過(guò)增強(qiáng)邊緣密封來(lái)增加密封裝置對(duì)罐壁的壓緊程度，進(jìn)而減小掛壁沾油量；為降低罐壁的黏附系數(shù)，可在儲(chǔ)罐內(nèi)壁使用防腐涂層材料或定期對(duì)罐壁進(jìn)行除銹，防止罐體金屬的腐蝕，以達(dá)到減少工作損失的目的；此外，通過(guò)在罐區(qū)將罐頂之間連接形成氣連通管網(wǎng)，相連兩個(gè)罐之間形成“呼與吸”的關(guān)系［29］，也可以有效減少儲(chǔ)罐的大呼吸損耗。

5 結(jié)論

a）國(guó)內(nèi)外浮頂罐大呼吸損耗核算公式主要有API公式、EPA公式、中石化公式和《導(dǎo)則》公式。采用我國(guó)推薦的公式進(jìn)行核算更符合我國(guó)實(shí)際。需建立和完善以我國(guó)有機(jī)液體理化參數(shù)和儲(chǔ)罐構(gòu)造為基準(zhǔn)的核算方法和軟件。

b）影響浮頂罐大呼吸損耗的主要因素包括油品性質(zhì)、周轉(zhuǎn)量、罐體直徑、罐壁黏附系數(shù)等，其中罐壁黏附系數(shù)為關(guān)鍵影響因素。

c）降低浮頂罐大呼吸損耗的有效措施主要為放慢發(fā)油速率、增加罐體直徑、減少儲(chǔ)罐間周轉(zhuǎn)頻次、增加邊緣密封裝置、罐內(nèi)壁涂刷防腐涂層材料或定期除銹、設(shè)置罐區(qū)罐頂氣連通管網(wǎng)等。

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Analysis on calculation methods for big breathing loss of floating roof tanks in petrochemical industry

Liu Minmin1，Wang Yongqiang1，Liu Fang1，Duan Weichao2，Wang Jing3，Chen Xi1
（1. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China；2. Center for Safety，Environmental and Energy Conservation Technology，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China；3. Huadong Design Branch，China Petroleum Engineering and Construction Corporation，Qingdao Shandong 266071，China）

Basing on mechanism summary of big breathing loss of fl oating roof tanks and taking a fl oating roof tank for toluene storage in a petrochemical enterprise in Beijing as basic examples，4 kind of calculation formulas at home and abroad were compared，the factors affecting big breathing loss of floating roof tanks were investigated，and effective measures for decreasing breathing loss were proposed. The results showed that：The calculation using the domestic suggested formula was more suitable for actual conditions in China，so the calculation methods and software based on physicochemical parameter of organic liquids and structure of storage tanks in China were needed to establish and improve；Oil property，turnover volume，tank diameter，tank-wall sticking coefficient were the main factors affecting big breathing loss of floating roof tanks，and tank-wall sticking coefficient was the key factor among them.

petrochemical industry； floating roof tank；volatile organic compound；big breathing loss；calculation

X511

A

1006-1878（2017）05-0587-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.05.018

2017 - 03 - 06；

2017 - 06 - 09。

劉敏敏（1991—），女，山東省濱州市人，碩士生，電話 18354285368，電郵 lmm0920@126.com。聯(lián)系人：王永強(qiáng)，電話 0532 - 86984668，電郵 wyqupc@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51202294）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014EEM011）。

（編輯 魏京華）