油田含油污水池VOCs治理技術(shù)研究

曲虎，付瑩瑩，劉靜

油田含油污水池VOCs治理技術(shù)研究

曲虎，付瑩瑩，劉靜

（中國石油工程建設(shè)有限公司 華北分公司，河北 任丘 062550）

為了解決目前油田站場(chǎng)敞口式污水池中可揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）散發(fā)問題，對(duì)物料平衡法、地面濃度反推法、排放系數(shù)法、類比估算法等VOCs計(jì)算方法進(jìn)行介紹，對(duì)比和討論了鋼筋混凝土密閉、彩鋼板密閉、玻璃鋼板密閉、反吊膜密閉和全接液式浮蓋等污水池密閉處理方法，并提出了不同密閉方式配套的VOCs回收和處理方案。通過對(duì)比可知，在對(duì)VOCs進(jìn)行精確計(jì)算時(shí)，推薦采用物料平衡法和地面濃度反推法；在僅需要粗略計(jì)算時(shí)，推薦采用排放系數(shù)法和類比估算法。在污水池密閉工程中，推薦采用造價(jià)較低、施工方便、密閉性好、造型美觀的反吊膜密閉方案；在污水池全部密閉的基礎(chǔ)上，推薦采用造價(jià)較低、工藝較為簡(jiǎn)單的揮發(fā)氣回收裝置。

油田； 含油污水池； VOCs計(jì)算方法； 密閉； VOCs回收

目前油田站場(chǎng)內(nèi)的含油污水池大部分為敞口設(shè)置，不能做到防風(fēng)、防雨、防曬，含油污水儲(chǔ)存過程中有大量可揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放到周圍環(huán)境中[1?2]。根據(jù)相關(guān)法律、法規(guī)以及近兩年地方政府制定的各項(xiàng)環(huán)保政策，對(duì)工廠廢氣的控制標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，各油田對(duì)油田揮發(fā)氣的治理力度也越來越大。特別是含油量較高的污水池，散發(fā)到大氣中的VOCs很難及時(shí)擴(kuò)散，在污水池周圍彌漫，低洼死角處積聚，如遇到點(diǎn)火源很有可能發(fā)生著火爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患，污水池的密閉問題亟待解決[3?5]。

目前在VOCs回收、VOCs揮發(fā)控制以及VOCs揮發(fā)量和揮發(fā)濃度的計(jì)算方面存在很大的技術(shù)問題，本文通過對(duì)油田含油污水池VOCs揮發(fā)量計(jì)算及回收治理方法進(jìn)行研究，提出油田污水池的VOCs治理解決方案[6]。

1 含油污水池VOCs揮發(fā)量計(jì)算

目前，對(duì)未進(jìn)行密閉處理的污水池VOCs計(jì)算方法主要有四種，分別為物料平衡法、源強(qiáng)反推法、排放系數(shù)法和類比估算法。其中物料平衡法和源強(qiáng)反推法計(jì)算較為嚴(yán)謹(jǐn)，但需要基礎(chǔ)參數(shù)較多，計(jì)算過程繁瑣；排放系數(shù)法和類比估算法計(jì)算過程簡(jiǎn)單，但多用于估算[7?8]。

1.1 物料平衡法

物料平衡法VOCs排放量計(jì)算見式（1）：

式中，污水、油、水分別表示污水池VOCs排放總量、污水池（隔油池）中油層的VOCs排放量以及廢水收集支線和廢水處理廠水相中VOCs排放量，kg/a，其中油計(jì)算見固定頂罐VOCs揮發(fā)量計(jì)算（式（2）），無浮油真實(shí)蒸氣壓的情況，按85 kPa計(jì)算。

1.1.1油相中VOCs排放量計(jì)算

式中，g、s、w分別表示固定頂罐總損失、靜置損失和工作損失，kg/a，其中s計(jì)算見靜置損失的計(jì)算（式（3）），w計(jì)算見工作損失的計(jì)算（式（4））。

（1）靜置損失的計(jì)算。

式中，s表示靜置損失（地下臥式罐的s取0），kg/a；V表示氣相空間容積，m3；V表示儲(chǔ)藏氣相密度，kg/m3；e、s分別表示氣相空間膨脹因子和排放蒸氣飽和因子。

（2）工作損失的計(jì)算。

1.1.2水相中VOCs排放量計(jì)算

式中，水表示廢水收集或處理設(shè)施的揮發(fā)性有機(jī)物年排放量，kg/a；Q表示廢水收集或處理設(shè)施的廢水流量，m3/h；進(jìn)水,i表示廢水收集或處理設(shè)施進(jìn)水中的逸散性揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)量濃度，mg/L；出水,i表示廢水收集或處理設(shè)施出水中的逸散性揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)量濃度，mg/L；t表示廢水處理設(shè)施的年運(yùn)行時(shí)間，h/a。

其中，進(jìn)水,i計(jì)算參照《水質(zhì)總有機(jī)碳的測(cè)定燃燒氧化?非分散紅外吸收法》HJ501-2009中可吹脫有機(jī)碳（POC）的測(cè)試和計(jì)算方法，其中POC為總有機(jī)碳（TOC）與不可吹脫有機(jī)碳（NPOC）的差值。

1.2 地面濃度反推法

地面濃度反推的計(jì)算方法以高斯擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)，根據(jù)大氣擴(kuò)散理論，污染源下風(fēng)向某一位置的污染物濃度與污染源的排放量成正比。若已知影響排放的相關(guān)因素信息，則可以根據(jù)該位置的污染物濃度計(jì)算出污染源的排放量。面源無組織排放量的計(jì)算見式（6）。

1.3 排放系數(shù)法

式中，污水表示污水池VOCs排放總量，kg/a；表示排放系數(shù)，kg/m3，取值見表1；Q表示廢水處理設(shè)施的處理量，m3/h；t表示廢水處理設(shè)施的年運(yùn)行時(shí)間，h/a。

1.4 類比估算法

污水池VOCs廢氣處理裝置設(shè)計(jì)規(guī)模宜按典型工況實(shí)測(cè)氣量的110%設(shè)計(jì)，無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可參考表2或類比同等規(guī)模污水處理場(chǎng)確定。

1.5 VOCs計(jì)算方法的選用

以上幾種污水池VOCs計(jì)算方法的適用情況對(duì)比見表3。

2 含油污水池VOCs治理方案

根據(jù)《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》GB37822—2019中9.2.2關(guān)于廢水儲(chǔ)存、處理設(shè)施的規(guī)定，含VOCs廢水儲(chǔ)存和處理設(shè)施敞開液面上方100 mm處VOCs檢測(cè)濃度≥200 μmol/mol，應(yīng)符合下列規(guī)定之一：

（1）采用浮動(dòng)頂蓋；

（2）采用固定頂蓋，收集廢氣至VOCs廢氣收集處理系統(tǒng)；

（3）其他等效措施。

因此，對(duì)于油田敞開式含油污水池可以根據(jù)以上規(guī)定進(jìn)行治理和改造。

注：此處產(chǎn)污系數(shù)摘自環(huán)保部《石油煉制、石油化學(xué)工業(yè)VOCs排放量簡(jiǎn)化核算方法》。

表2　污水處理場(chǎng)VOCs廢氣排放量估算

表3　VOCs計(jì)算方法對(duì)比

2.1 油田污油污水池密閉方案

目前污水池密閉方案主要有鋼筋混凝土密閉方案、彩鋼板密閉方案、玻璃鋼板密閉方案、反吊膜密閉方案等[9?13]。

2.1.1鋼筋混凝土密閉方案 圖1為污水池鋼筋混凝土密閉縱斷面圖。在池底、邊坡頂設(shè)置鋼筋混凝土立柱，柱頂之間現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁、頂板，完成對(duì)上口的框架密閉，在邊緣處適當(dāng)加大梁高，布置HDPE防滲膜，對(duì)邊緣處進(jìn)行防滲、密閉處理。其優(yōu)點(diǎn)為耐火性能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)完全密閉，后期無需維護(hù)，但工程量相對(duì)較大，投資相對(duì)較高。

2.1.2彩鋼板密閉方案 圖2為污水池彩鋼板密閉縱斷面圖和平面圖。在池底、邊坡頂設(shè)置鋼筋混凝土立柱，柱頂連接鋼桁架檁條、彩鋼板，形成對(duì)上口的鋼結(jié)構(gòu)屋面密閉。

該方案缺點(diǎn)為因材料自身因素，耐火極限時(shí)間受限制，受板材接縫影響，不能實(shí)現(xiàn)完全密閉，后期需定期維護(hù)、更換彩板，但工程量相對(duì)混凝土少，投資相對(duì)較低。鋼支撐部分封閉在陽光板下方，而污水池封閉后會(huì)產(chǎn)生大量的腐蝕性氣體，加上外部強(qiáng)烈的陽光直射，整個(gè)結(jié)構(gòu)都很容易腐蝕老化。

圖1　污水池鋼筋混凝土密閉縱斷面

圖2　污水池彩鋼板密閉縱斷面和平面

2.1.3玻璃鋼板密閉方案 玻璃鋼密閉同彩鋼板密閉方式類似，將上口密閉材料由彩鋼板改為玻璃鋼板。

優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于普通碳鋼骨架＋陽光板封閉法耐腐蝕性會(huì)更好一些，所以壽命比第一種方法會(huì)更長一些。缺點(diǎn)是成本比較高，而且在對(duì)大跨度的污水池進(jìn)行封閉的時(shí)候，由于玻璃鋼板自重太大，其對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的要求會(huì)更高，用鋼量會(huì)大量增加，而且維修不易。

2.1.4反吊膜密閉方案 反吊膜加蓋是采用抗腐蝕能力非常強(qiáng)的氟碳纖膜把廢氣罩住，鋼結(jié)構(gòu)在外面將膜懸吊。這樣既發(fā)揮了氟碳纖膜的抗腐蝕性能，又從根本上解決了鋼結(jié)構(gòu)由于與腐蝕性氣體接觸而帶來的腐蝕問題，因而鋼結(jié)構(gòu)可以按普通建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐等級(jí)考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)的性能，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)骨架與覆蓋材料的完美結(jié)合。圖3為污水池反吊膜密平面圖。

圖3　污水池反吊膜密平面圖

反吊膜密閉方案主要特點(diǎn)如下：（1）膜材抗腐蝕能力強(qiáng)，解決了鋼結(jié)構(gòu)由于與腐蝕性氣體接觸而帶來的腐蝕問題；（2）膜材自身輕，抗拉強(qiáng)度大，適合大跨度池體使用；（3）使用年限長，膜結(jié)構(gòu)部分在15 a以上，鋼結(jié)構(gòu)部分在50 a以上；（4）反吊膜結(jié)構(gòu)安裝便捷，鋼結(jié)構(gòu)和膜體的加工均在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，加工質(zhì)量得到保證，減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝的突發(fā)事件；（5）反吊膜結(jié)構(gòu)造型美觀新穎，造型多樣，適合大建筑使用。

2.1.5污水池密閉方案對(duì)比 污水池密閉方案對(duì)比見表4。

2.2 全接液式浮蓋方案

與在儲(chǔ)罐內(nèi)設(shè)置浮盤的原理類似，在污水罐液面設(shè)置全接液式浮蓋，使浮蓋隨著介質(zhì)的液面升降，同時(shí)考慮浮盤的密封，并設(shè)置排雨水孔蓋，在減少VOCs的揮發(fā)、減少損失的同時(shí)，防止空氣、雨水污染，達(dá)到節(jié)能減排的目的。全接液式浮蓋有如下特點(diǎn)：

（1）全接液式設(shè)計(jì)，可隨液體上下浮動(dòng)，無油氣空間，無VOCs逸散問題；

（2）無需再額外設(shè)計(jì)VOCs回收處理系統(tǒng)，降低了污水池密閉的投資；

（3）維修方便，運(yùn)行費(fèi)用較低。

表4　污水池密閉方案對(duì)比

圖4為污水池采用全接液式浮蓋俯視圖和示意圖。

1方形主框架,2 膠黏式蜂窩板,3排水口,4彈性密封件,5E形材,6 L型上限位座,7 Γ型下限位座

2.3 VOCs回收處理方案

污水池采用全接液式浮蓋方式，不產(chǎn)生氣相空間，不需要再進(jìn)行油氣回收；采用彩鋼板、玻璃鋼、鋼筋混凝土和反吊膜方式進(jìn)行密閉，會(huì)產(chǎn)生VOCs，需要進(jìn)行處理。

根據(jù)回收VOCs的處理方式，目前的VOCs回收處理裝置主要有兩種類型，一種是油田常用的揮發(fā)氣回收裝置，主要有螺桿壓縮機(jī)式揮發(fā)氣回收裝置、活塞壓縮機(jī)式揮發(fā)氣回收裝置、活塞氣液泵式揮發(fā)氣回收裝置等類型；抽氣裝置將儲(chǔ)罐等單元產(chǎn)生的VOCs通過抽氣裝置進(jìn)行回收，回收后的VOCs供站場(chǎng)加熱爐進(jìn)行燃燒或直接外銷。

另一種是目前在儲(chǔ)油庫和煉化企業(yè)常用的油氣處理裝置，主要包括吸附型油氣處理裝置、冷凝式油氣處理裝置、催化氧化式油氣處理裝置以及兩種以上的組合處理工藝裝置。VOCs通過油氣回收裝置處理達(dá)標(biāo)后外排[14?16]。

對(duì)于鋼筋混凝土和反吊膜密閉方案，由于基本能夠?qū)崿F(xiàn)全密閉，在進(jìn)行油氣回收過程中不會(huì)有大量空氣進(jìn)入，在污水池密閉后，將初始的混合氣體采用惰性氣體置換，此后污水池?fù)]發(fā)的氣體里面基本不含有氧氣，可以通過VOCs回收裝置回收后供加熱爐進(jìn)行燃燒。圖5為污水池VOCs回收工藝流程示意圖。

圖5　污水池油氣回收工藝流程示意

對(duì)于彩鋼板和玻璃鋼密閉方案，由于材料耐火極限時(shí)間受限制、板材接縫等影響因素，不能實(shí)現(xiàn)完全密閉，在進(jìn)行油氣回收過程中有空氣混入，有達(dá)到爆炸極限的可能性，不能直接通過揮發(fā)氣回收裝置回收后作為加熱爐燃料，只能通過油氣處理裝置處理達(dá)標(biāo)后外排。圖6為兩種污水池油氣處理工藝流程示意圖。表5為揮發(fā)氣回收裝置和油氣處理裝置對(duì)VOCs回收處理方案對(duì)比情況。

圖6　污水池油氣處理工藝流程示意

3 結(jié) 論

根據(jù)以上分析，雖然物料平衡法和地面濃度反推法計(jì)算污水池VOCs計(jì)算精確，但過程較為繁瑣，排放系數(shù)法和類比估算法雖然粗略，但簡(jiǎn)單、快捷，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

鋼筋混凝土密閉、彩鋼板密閉和玻璃鋼板密閉在污水池密閉工程中均有應(yīng)用，但近年來由于反吊膜密閉方法具有投資低、施工方便、密閉性好、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，在污水池密閉工程中應(yīng)用較為廣泛。全接液式浮蓋方式在國內(nèi)旗臺(tái)石化廢水池改造項(xiàng)目以及國外意大利、韓國等國家的污水池改造工程中有所應(yīng)用。

如果污水池能夠全部密閉，并且站場(chǎng)有加熱爐或者氣處理裝置等氣相出路，推薦采用投資較低、工藝簡(jiǎn)單的揮發(fā)氣回收裝置；如果污水池不能全部密閉，推薦采用油氣處理裝置對(duì)揮發(fā)氣進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后外排。

表5　VOCs回收處理方案對(duì)比

［1］劉佳泓.VOCs排放管理及控制對(duì)策研究［C］//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（第五卷）.中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)：中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，2013.

［2］孫德勝.煉廠含油污水池安全性分析及其保障措施［J］.石油化工設(shè)計(jì)，2012，29（3）：63?64.

Sun D S. Safety analysis of refinery oily waste water tank and the guarantee measures［J］.Petrochemical Design，2012，29（3）：63?64.

［3］張靜.含油污水池廢氣生物除臭技術(shù)應(yīng)用探討［J］.石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012，28（4）：31?33.

Zhang J.Discussion on application of biological deodorization technology for steam of oily sewagereservoir［J］.Techno?Economics in Petrochemicals， 2012，28（4）：31?33.

［4］林立，魯君，馬英歌，等.國內(nèi)外VOCs排放管理控制歷程［J］.環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2011，23（5）：12?16.

Lin L，Lu J，Ma Y G，et al.Reviews of VOCs control at home and a broad［J］.The Administration and Technique of Environmental Monitoring，2011，23（5）：12?16.

［5］袁玲玲.廢水處理廠生物除臭技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2016（8）：45.

Yuan L L. Research and application progress of biological deodorization technology in wastewater treatment plant［J］.Resources Economization & Environmental Protection， 2016（8）：45.

［6］王晶，王炳華，劉忠生，等.石化企業(yè)VOCs廢氣治理技術(shù)概述［J］.當(dāng)代化工，2017，46（11）：2338?2341.

Wang J，Wang B H，Liu Z S，et al.Overview of VOCs treatment technologies for petrochemical enterprises［J］.Contemporary Chemical Industry，2017，46（11）：2338?2341.

［7］孫恩呈，劉雪，呂明春，等.油田污油池VOCs源強(qiáng)核算［J］.化工環(huán)保，2020，40（2）：212?217.

Sun E C，Liu X，Lü C M，et al.Source strength accounting of VOCs from sewage pool in oil field［J］.Environmental Protection of Chemical Industry，2020，40（2）：212?217.

［8］趙東風(fēng)，張鵬，戚麗霞，等.地面濃度反推法計(jì)算石化企業(yè)無組織排放源強(qiáng)［J］.化工環(huán)保，2013，33（1）：71?75.

Zhao D F，Zhang P，Qi L X，et al.Accounting of fugitive emission source intensity in petrochemical enterprises by ground concentration reverse calculation method［J］.Environmental Protection of Chemical Industry，2013，33（1）：71?75.

［9］史雪冬.反吊膜加蓋技術(shù)在石化污水處理惡臭氣體治理上的應(yīng)用［J］.化工管理，2020（12）：138?139.

Shi X D.Application of reverse hanging membrane covering technology in treatment of odor gas in petrochemical wastewater treatment［J］.Chinese Enterprise Management，2020（12）：138?139.

［10］ 李佳林，張光輝，馬天添.反吊膜在小倉房污水處理廠的應(yīng)用技術(shù)［J］.設(shè)備管理與維修，2019（20）：156?158.

Li J L，Zhang G H，Ma T T. Application technology of reverse hanging film in Xiaocangfang waste water treatment plant［J］.Plant Maintance Engineering， 2019（20）：156?158.

［11］ 趙洋.某采用反吊膜結(jié)構(gòu)封閉的大型生物處理池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.特種結(jié)構(gòu)，2011，28（5）：58?62.

Zhao Y.The structural design of a large biological treatment tank enclosed by a reverse hanging membrane structure［J］. Special Structures， 2011，28（5）：58?62.

［12］ Peter L，Milad A，Dani O.Evaporation suppression from water bodies using floating covers：Laboratory studies of cover type，wind，and radiation effects［J］.Water Resources Research，2019，55（6）：4839?4853.

［13］ Lee S，Choi I，Chang D.Multi?objective optimization of VOC recovery and reuse in crude oil loading［J］.Applied Energy，2013，108：439?447.

［14］ Lee S，Chang D.Safety systems design of VOC recovery process based on HAZOP and LOPA［J］.Process Safety，2014，33（4）：339?344.

［15］ 曲虎.油田伴生氣回收利用技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代化工，2015，35（8）：147?152.

Qu H. Recycling and utilizing technology of oilfield associated gas［J］.Modern Chemical Industry， 2015，35（8）：147?152.

［16］ 曲虎.原油密閉裝卸工藝研究［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2016，29（6）：92?96.

Qu H. Process of airtight loading and unloading for crude oil［J］.Journal of Petrochemical Universities， 2016，29（6）：92?96.

Research on VOCs Treatment Technology of Oily Sewage Pool in Oil Field

Qu Hu， Fu Yingying， Liu Jing

（North China Branch of China National Petroleum Engineering and Construction Corporation， Renqiu Hebei 062550，China）

In order to solve the problem of volatile organic compounds (VOCs) emission in the open sewage tank of oilfield stations, this work introduces the calculation methods for VOCs, including the material balance method, ground concentration inversion method, emission coefficient method, and analog estimation method. Besides, the recycle of VOCs in different enclosed?sewage pools, such as reinforced concrete, color steel plate, glass steel plate, reverse hanging membrane and full wetted floating cover, were proposed. The results indicate that the material balance method and the ground concentration inverse method are recommended for a more accurate VOCs content calculation. In contrast, the emission coefficient method and the analogy estimation method are more suitable for a rough VOCs content calculation. In the project of the sewage tank, the anti?hanging membrane sealing scheme was suggested, due to its lower cost, convenient construction, good airtightness, and beautiful appearance. A volatilized gas recovery device can be used to collect the volatilized VOCs in the completely sealed sewage tank, because of its advantages in lower cost and a simpler process.

Oilfield； Oily sewage tank； Calculation method of VOCs； Closed； VOCs recovery

TE992

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2021.04.014

1006?396X（2021）04?0084?07

http://journal.lnpu.edu.cn

2020?08?10

2021?02?18

中油工程科技資助項(xiàng)目（2018ZYGC?02?06）。

曲虎（1986?），男，碩士，高級(jí)工程師，從事油氣田地面工程設(shè)計(jì)方面研究；E?mail:qh915gf1@163.com。

（編輯 王亞新）