石化企业固定顶储罐挥发性有机物排放量影响因素的分析

刘 昭，赵东风，孙 慧，李 石，韩丰磊

（1. 中国石油大学（华东） 化学工程学院，山东 青岛 266580；2. 中国石油大学（华东） 环境与安全技术中心，山东 青岛 266580）

环境评价

石化企业固定顶储罐挥发性有机物排放量影响因素的分析

刘 昭1，赵东风1，孙 慧2，李 石1，韩丰磊1

（1. 中国石油大学（华东） 化学工程学院，山东 青岛 266580；2. 中国石油大学（华东） 环境与安全技术中心，山东 青岛 266580）

采用美国国家环保局推荐的储罐挥发性有机物（VOCs）排放量定量计算方法，以北京某石化企业轻柴油固定顶储罐为案例对象，计算了固定顶储罐的总损失。通过对不同参数进行调节，比较分析了各变量对损失量的影响程度，得出了影响固定顶储罐静置储藏损失和工作损失的关键参数和次要参数。并在此基础上，提出了降低固定顶储罐VOCs排放量的对应措施。实验结果表明：影响固定顶储罐静置储藏损失的关键参数为油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度和液体存储高度，次要参数为日环境温差和罐漆太阳能吸收率；影响工作损失的关键参数为油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度和年净周转量。

固定顶储罐；挥发性有机物；影响因素；静置储藏损失；工作损失；环境影响评价

石油化工企业通常拥有大量原料储罐、中间产品储罐和成品储罐。储运作业及环境温度和压力的改变会导致储罐中的油品产生蒸发损耗。油品的蒸发损耗不仅会带来经济损失和安全隐患［1］，而且排放出的大量挥发性有机物（VOCs）还会对周围环境产生影响。VOCs被认为是促进臭氧和PM2.5形成的主要前体物之一。因此，石油化工企业的VOCs排放情况日益受到社会的关注［2］。

固定顶储罐由于具有节省钢材、投资小、配件少、费用低等优点［3］，被广泛应用于油田开采和石化加工行业。但固定顶储罐的蒸发损失比其他类型储罐都大［4］。因此，对固定顶储罐的蒸发损失进行精确计算，并确定主要影响参数，对环境管理部门及石化企业控制储罐无组织排放具有重要的现实意义。

美国国家环保局（EPA）采用国际上广泛认可的固定顶储罐和浮顶罐的VOCs排放定量计算方法。EPA在该计算方法的基础上开发出了相应的计算软件“TANKS4.09d”。欧盟、澳大利亚、中国台湾等国家和地区均使用该模型对VOCs的排放量进行精确计算［5］，其计算结果具有权威性［6］。

本工作采用美国EPA推荐的储罐VOCs排放量定量计算方法计算北京某石化企业固定顶储罐的VOCs排放量，并对参数进行分析，总结影响固定顶储罐VOCs排放量的关键参数，进而提出降低固定顶储罐蒸发损失的措施，为后续研究和环境管理提供依据。

1 固定顶储罐的排放机理

固定顶储罐的两种典型排放为静置储藏损失和工作损失。静置储藏损失是由于温度和气压变化使得罐内气相膨胀，气体溢出罐体。工作损失是由于有机溶剂注入和排出储罐时罐中液位变化而引起的蒸发损失。注入操作时，罐中液位上升，罐内压力超过释放压，导致蒸气排出储罐；排出操作时，空气注入罐内，导致有机蒸气饱和并扩散，从而超出气相空间容积，造成蒸发损失［7］。

固定顶储罐的VOCs排放受容器容积、所储液体的蒸气压、罐体的利用率和罐体所处环境的大气状况等因素的影响。

2 固定顶储罐VOCs排放量的计算及影响因素分析

2.1 储罐基准数据

选取北京某石化企业的固定顶储罐为基础案例对象，存储油品为轻柴油。储罐的基准数据见表1。

2.2 VOCs排放量的计算

2.2.1 固定顶储罐总损失的计算方法

固定顶储罐的总损失为静置储藏损失（小呼吸损失）和工作损失（大呼吸损失）的和［8-9］，计算式见式（1）。

表1 储罐的基准数据

2.2.2 静置储藏损失的计算方法及影响因素分析

静置储藏损失是指由于罐体气相空间呼吸导致的储存气相的损失，计算式见式（2）。

式中：ρV与油品蒸气相对分子质量、日平均液面温度下的蒸气压、日平均液体表面温度有关；KE的计算依赖于罐中液体的特性和呼吸排放附件，如已知罐所储位置，KE与日环境温差和罐漆太阳能吸收率有关；KS与日平均液面温度下的蒸气压和液体存储高度有关。

采用上述计算式时，选取影响固定顶储罐静置储藏损失的主要参数为油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度、日环境温差、罐漆太阳能吸收率、液体存储高度。固定顶储罐静置储藏损失的主要参数基准值及变化范围见表2。

表2 固定顶储罐静置储藏损失的主要参数基准值及变化范围

将目标参数在变化范围内取值，其他参数设定为基准值，代入式（2）计算静置储藏损失。油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度、日环境温差、罐漆太阳能吸收率、液体存储高度对静置储藏损失的影响分别见图1～5。

图1 油品蒸气相对分子质量对静置储藏损失的影响

图2 日平均液体表面温度对静置储藏损失的影响

图3 日环境温差对静置储藏损失的影响

2.2.3 工作损失的计算方法及影响因素分析

工作损失与装料或卸料时所储蒸气的排放有关，计算式见式（3）。

式中：PVA与日平均液体表面温度有关；当N＞36时，KN=（180+N）/6N，当N≤36时，KN=1；原油的KP为0.75，其他有机液体的KP为1。

图4 罐漆太阳能吸收率对静置储藏损失的影响

图5 液体存储高度对静置储藏损失的影响

选取影响固定顶储罐工作损失的主要参数为油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度、年净周转量。固定顶储罐工作损失的主要参数基准值及变化范围见表3。

表3 固定顶储罐工作损失的主要参数基准值及变化范围

将目标参数在变化范围内取值，其他参数设定为基准值，代入式（3）计算工作损失。油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度、年净周转量对工作损失的影响分别见图6～8。

图6 油品蒸气相对分子质量对工作损失的影响

图7 日平均液体表面温度对工作损失的影响

图8 年净周转量对工作损失的影响

2.3 参数影响的对比

对图1～8中的数据进行拟合，得到各目标参数与损失量之间的关系式，并由此对各参数对损失量的影响程度进行评价，结果见表4。由表4可见：影响固定顶储罐静置储藏损失的关键参数为油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度和液体存储高度，次要参数为日环境温差和罐漆太阳能吸收率；影响工作损失的关键参数为油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度和年净周转量。通过对比可知，油品蒸气相对分子质量对静置储藏损失和工作损失均有影响，且影响程度相似；日平均液体表面温度对工作损失的影响大于对静置储藏损失的影响。

3 降低固定顶储罐蒸发损失的措施

1）储罐罐体喷涂浅色罐漆。储罐的静置储藏损失与罐漆颜色有关。罐漆的颜色越浅，越易反射阳光，从而减少热能的吸收，防止储罐内液体因温度升高而转化为气态，减少损失量［10］。常见的储罐罐漆颜色对应的罐漆太阳能吸收率和静置储藏损失见表5。

表4 参数影响的评价结果

表5 储罐罐漆颜色对应的罐漆太阳能吸收率和静置储藏损失

由表5可见，白色罐漆的太阳能吸收率最低，而颜色最深的绿色罐漆的太阳能吸收率最高。

2）采用水喷淋。通过水吸热蒸发，可在很大程度上降低储罐表面温度。尤其在高温季节或日温差较大的地区，可延长储罐淋水期。这样既可降低储罐内液体的表面温度，也可缩小罐内液体温度差值，降低固定顶储罐的蒸发损失。有研究表明，未采取水喷淋的金属固定顶储罐气相空间的最高温度比日最高气温高约20 ℃，而采用水喷淋的储罐气相空间的最高温度则低于日最高气温［11］。

3）尽量选择在温度较低时进行油罐装卸料操作。温度对固定顶储罐的VOCs工作损失影响较大。降低温度可以促进罐内气体分子的凝结，减慢蒸发，从而大幅降低固定顶储罐的蒸发损失［12］。

4）使用浮顶罐储存。固定顶储罐的静置储藏损失与储罐内的气相空间容积有关。出料时固定顶储罐内的液面降低，气相空间容积增大，静置储藏损失增加。而浮顶罐的罐顶会随液面的下降而下降，气相空间容积基本保持不变，静置储藏损失较小［13］。据统计，外浮顶罐的损失率约为固定顶储罐的5%～7%，内浮顶罐的损失率约为固定顶储罐的4%［14］。

4 结论

a）通过分析美国EPA推荐的VOCs定量计算方法，计算北京某石化企业轻柴油固定顶储罐的总损失。

b）影响固定顶储罐静置储藏损失的关键参数为油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度和液体存储高度，次要参数为日环境温差和罐漆太阳能吸收率；影响工作损失的关键参数为油品蒸气相对分子质量、日平均液体表面温度和年净周转量。

c）根据计算结果和参数对比分析，提出了降低固定顶储罐蒸发损失的措施主要为储罐罐体喷涂浅色罐漆、采用水喷淋、尽量选择在温度较低时进行油罐装卸料操作和使用浮顶罐储存。

符 号 说 明

HL液体存储高度，m

KE气相空间膨胀因子，无量纲

KN工作损失周转（饱和）因子，无量纲

KP工作损失产量因子，无量纲

KS排放蒸气饱和因子，无量纲

LS静置储藏损失，t/a

LT总损失，t/a

LW工作损失，t/a

MV油品蒸气相对分子质量，无量纲

N 年周转次数，无量纲

PVA日平均液面温度下的蒸气压，Pa

Q 年净周转量，t/a

VV气相空间容积，m3

α 罐漆太阳能吸收率，无量纲

⊿θA日环境温差，℃

θLA日平均液体表面温度，℃

ρV储藏气相密度，kg/m3

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（编辑 王 馨）

Analysis on Factors Affecting VOCs Emissions from Fixed Roof Tanks in Petrochemical Plant

Liu Zhao1，Zhao Dongfeng1，Sun Hui2，Li Shi1，Han Fenglei1
（1. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao Shandong 266580，China；2. Environmental and Safety Technology Center，China University of Petroleum（East China），Qingdao Shandong 266580，China）

Taking a fi xed roof tank for light diesel oil storage in a petrochemical enterprise of Beijing as an example，the total loss of volatile organic compounds （VOCs）from the fi xed-roof tank was calculated using the quantitative calculation method recommended by US Environmental Protection Agency. The effects of the parameters on loss amount were compared with each other by adjusting different parameter，and the key parameters and secondary parameters affecting static storage loss and work loss of fi xed roof tank were conf i rmed. Based on these results，measures for decreasing of VOCs emissions of fi xed roof tank were proposed. The experimental results show that：For static storage loss，relative molecular mass of oil vapor，daily average liquid surface temperature and daily average liquid storage height are the key parameters，daily environmental temperature and tank paint solar absorption rate are the secondary parameters；For work loss，relative molecular mass of oil vapor，daily average liquid surface temperature and annual pure turnover volume are the key parameters.

fixed roof tank；volatile organic compound；influencing factor；static storage loss；work loss；environmental impact assessment

X511

A

1006-1878（2015）05-0531-05

2015 - 04 - 23；

2015 - 07 - 24。

刘昭（1990—），女，山东省淄博市人，硕士生，电话 18661964706，电邮 liuzhao0722@sina.com。联系人：赵东风，电话 13905460127，电邮 zhaodf@vip.sina.com。

山东省自然基金项目（ZR2014EEM011，ZR2014BQ020）。