石化企业浮顶罐大呼吸损耗核算方法分析

刘敏敏，王永强，刘 芳，段潍超，王 婧，陈 曦

（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） 安全环保与节能技术中心，山东 青岛 266580；3. 中国石油工程建设有限公司 华东设计分公司，山东 青岛 266071）

环境评价

石化企业浮顶罐大呼吸损耗核算方法分析

刘敏敏1，王永强1，刘 芳1，段潍超2，王 婧3，陈 曦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） 安全环保与节能技术中心，山东 青岛 266580；3. 中国石油工程建设有限公司 华东设计分公司，山东 青岛 266071）

石化企业储罐无组织排放挥发性有机物（VOCs）带来严重的环境问题和油品损耗问题，以浮顶罐的大呼吸损耗为代表。在概述浮顶罐大呼吸损耗机理的基础上，以北京某石化企业的甲苯内浮顶罐为基准案例，对国内外4种核算公式进行了对比分析，考察了影响浮顶罐大呼吸损耗的因素，并提出有效的减耗措施。结果表明：采用我国推荐的公式进行核算更符合我国实际，需建立和完善以我国有机液体理化参数和储罐构造为基准的核算方法和软件；影响浮顶罐大呼吸损耗的主要因素包括油品性质、周转量、罐体直径、罐壁黏附系数等，其中罐壁黏附系数为关键影响因素。

石化企业；浮顶罐；挥发性有机物；大呼吸损耗；核算

随着我国油品需求量的不断增加，油品储罐的数量也逐渐增多。石化企业步入大型化发展阶段，在推动社会进步的同时也带来了严重的环境问题和油品损耗问题，而储罐无组织排放挥发性有机物（VOCs）是该问题的主要成因［1］。据统计，我国平均每年有千万吨级的VOCs从有机液体储罐中散逸到大气中［2］，不但会造成油气资源的浪费［3］，也会导致油品质量的下降［4］，如辛烷值降低、氧化速率加快、胶质含量增加等。此外，油蒸气散发到大气中，还会严重污染环境，危害人类健康［5］，且在局部地区构成潜在的火灾危险［6］。因此，石化企业储罐VOCs的排放受到社会的广泛关注［7-8］。

常见的储罐形式包括固定顶罐、浮顶罐和球形罐等。研究发现，与固定顶罐相比，浮顶罐的蒸发损耗降低了90%左右［9］，故20世纪80年代以来，浮顶罐成为主要的油品储存设施。正常工况下，浮顶罐的蒸发损耗主要分为收发油操作时的大呼吸损耗和静置储存时的小呼吸损耗。多年来，国内外相关学者针对后者采取了许多措施，如密封等，使得其在总蒸发损耗中的比例大幅降低，但大呼吸损耗仍有待进一步控制。因此，对浮顶罐的大呼吸损耗进行精确核算显得尤为重要。

本工作在概述浮顶罐大呼吸损耗机理的基础上，以北京某石化企业的甲苯内浮顶罐为基准案例，对国内外4种核算公式进行了对比分析，考察了影响浮顶罐大呼吸损耗的因素，并提出有效的减耗措施，以期为环评或相关部门控制浮顶罐无组织排放提供依据。

1 浮顶罐大呼吸损耗机理

对于浮顶罐，其大呼吸损耗又称为挂壁损失。在浮顶罐发料过程中，当储罐处于低液位时，由于在工作过程中浮顶随液位下降，残留在罐内壁上的有机液体随即蒸发，由此造成的损耗称为挂壁损失。对于有支柱支撑的大型内浮顶罐，随着液面的下降，储液也会黏附在支柱表面而产生损耗［2，10］。

2 浮顶罐大呼吸损耗核算方法

2.1 核算公式

对于浮顶罐大呼吸损耗的核算，国内外已开展了许多相关研究，主要的核算公式有美国石油学会（API）的经验公式［11］、美国环保署（EPA）推荐的经验公式［12］、中国石油化工集团公司（以下简称中石化）经验公式［13］和《石油库节能设计导则》（SH/T 3002—2000）（以下简称《导则》）公式［14］。

2.1.1 API公式

API对内浮顶罐和外浮顶罐的大呼吸损耗核算方法相同，其公式为：

式中：LW为浮顶罐大呼吸损耗量，t/a；1.37×10-4为常数，t/m2；V为油品泵送入罐量，m3/a；D为罐体直径，m。

2.1.2 EPA公式

EPA发布的液体储罐中浮顶罐大呼吸损耗的核算方法是基于多年理论推导和现场试验研究建立起来的，其公式为：

式中：Q为周转量，m3/a；CS为罐壁黏附系数，m3/103m2，详见表1；WL为有机液体密度，kg/m3；NC为固定顶支撑柱数量（对于自支撑固定浮顶或外浮顶罐NC=0），无量纲；FC为柱的有效直径，m；0.943为系数，根据美国储罐及油品性质换算而来。

表1 浮顶罐的罐壁黏附系数 m3/103m2

2.1.3 中石化公式

对于浮顶罐大呼吸损耗的核算，中石化系统编制的经验公式如下：

式中：4为系数，根据我国储罐及油品性质换算而来。

2.1.4 《导则》公式

《导则》中对于浮顶罐大呼吸损耗的核算方法见式（4）。由式4可见，对于外浮顶罐大呼吸损耗的核算方法，《导则》与中石化经验公式相同，而对于用固定支撑柱支撑固定浮顶的内浮顶罐则略有不同。

2.2 核算实例

以北京某石化企业典型甲苯内浮顶罐作为基准案例进行大呼吸损耗核算，该储罐的基准数据见表2（式（1）中的V在此案例中与Q相等）。

表2 北京某石化企业典型甲苯内浮顶罐的基准数据

分别按照式（1）～（4）对上述甲苯内浮顶罐的大呼吸损耗进行核算，结果见表3。由表3可见，API公式核算结果与EPA公式结果相近，而中石化公式和《导则》公式核算结果接近，且比API和EPA结果都要大。以上结果是由于每种核算方法考察的因素、储罐特性及油品参数存在差异而导致的。

表3 不同核算公式的计算结果 LW，t/a

2.3 核算公式的对比分析

通过对上述浮顶罐大呼吸损耗核算方法的对比可知，API的计算公式相对简单，仅考虑了油品泵送入罐量和罐体直径两个因素，适用于储存原油、汽油及挥发性有机溶剂时的大呼吸损耗估算。该公式是在大量实验的基础上，通过统计分析得出的纯经验公式，且均以美国现状为基础，其罐体特性、工艺水平、操作条件等均与我国有很大差异，因此，该公式在我国的适用性较差［15］。

EPA公式的浮顶罐大呼吸损耗量计算方法考虑的因素全面，除了油品的周转量和罐体直径外，还包括罐壁状况及存储有机液体的物化性质等，计算结果精度高，具有适用油品、化学品范围广的优点，且所附的参数选取表、化学品物性数据表都较为详尽，对于无法获得或难以获得的数据可用现有的排放因子、系数（默认值）代替［16］。该公式是基于理论分析推导出理论方程式，然后借助于大量实验及实测数据，经过统计分析，对公式中的相关参数进行修正，整理出包括主要影响因素的经验公式和损耗系数，并以此为基础，开发了对应的TANKS 4.09D软件，使用者只需输入储罐和储存液体等参数信息，就可得到其大呼吸损耗量［17］。该方法和软件得到了广泛认可，欧盟和澳大利亚等均使用该软件对有机液体浮顶罐的VOCs无组织排放进行定量估算，体现了该方法的权威性［18-19］。李靖等［20］详细介绍了该软件及其应用方法，并结合储罐VOCs排放实例进行了计算分析，指出了该软件的适用性。但由于工艺条件、环境和气象条件等因素的差异，该方法在美国以外的其他地区直接应用的估算结果精度较差。研究发现，在英国的估算结果只有实测值的1/3［21］。2015年，我国先后发布的《挥发性有机物排污收费试点办法》及《石化行业VOCs污染源排查工作指南》（以下简称《排查指南》）中的储罐蒸发损耗核算方法也是以美国EPA推荐方法为基准建立的。但是《排查指南》公式中所用到的相关损耗系数均是基于美国储罐构造的现状推导出的，并采用美国单位标准体系，而我国在储罐设计标准规范、维护水平等方面与美国有较大差异。因此，我国需要借鉴美国的诸多经验开展“本土化”工作，结合我国国情，建立以我国有机液体理化参数和储罐构造为基准的核算方法。由于美国EPA核算公式涉及的参数较多，为方便计算，我国环境保护部环境工程评估中心基于此公式，利用Excel软件创建参数列表，并利用软件中设定的公式函数建立各种参数间的逻辑关系，编制出计算程序，使用者只需输入必要的数据，就可直接得出储罐的大呼吸损耗量。

中石化公式和《导则》公式均是由中石化系统主编的，是结合我国石化企业现状，以理想气体状态方程为基础，通过理论分析而提出的半经验半理论计算公式，且公式中很多参数借助API的试验测定值或经验参数，推导过程较严谨，可信度较高［9］。中石化系统编制的这两个公式考虑的因素也比较全面，除了考虑浮顶罐的周转量、罐体直径和有机液体密度外，主要考虑了罐壁黏附系数，计算相对简单［17］。由表1可以看出，黏附系数因罐壁状况不同而存在较大差异，进而会导致浮顶罐大呼吸损耗核算结果产生数量级的差别。《导则》公式对罐型分类更准确，使计算结果更精确，常被用来计算我国石化企业轻质油品储罐的排放量［21-22］。但该方法计算中需要的参数较多，部分参数较难获取，且计算过程较复杂，会给计算工作带来不便，如有计算机辅助则会更加便利［23］。

上述4种推荐方法应用于我国石化企业浮顶罐大呼吸损耗核算过程中，既有区别又有联系。根据各公式函数关系分析可以看出，API公式只考虑储罐规格和储存液体体积，而美国EPA、中石化和《导则》推荐的公式均考虑到了储罐规格、储存液体性质、周转量、罐体状况等因素。研究发现：中石化公式和《导则》公式的计算结果较接近，API公式和EPA公式的计算结果较接近［24］；但美国的这两种方法计算结果总体小于中国的这两种方法［21，25］。这与本研究核算实例的结果相一致。由于我国与国外的储罐构建标准以及水平、维修、环境等方面均存在差异，以上4种核算方法相比较，部分研究者认为采用我国推荐的计算浮顶罐大呼吸损耗的公式更符合我国的实际状况［23，26］。

上述4种常见核算方法各有优缺点，根据多年的研究成果和实际情况，建议在美国EPA推荐公式的基础上，结合我国石化企业的实际情况，研究公式中参数的相关性，调整参数范围，并建立和完善我国的气象信息库以及油品和有机液体物性数据库，构建适合我国国情的储罐大呼吸损耗核算方法和软件。

3 浮顶罐大呼吸损耗影响因素

通过对浮顶罐大呼吸损耗核算方法的研究分析可知，油品的大呼吸损耗是内因和外因共同作用的结果，内因是油品的性质，如黏度、密度等，外因是发油速率、周转量、罐体直径、罐壁黏附系数等。当储罐的周转量、罐体直径、油品密度确定时，浮顶罐大呼吸损耗量主要取决于罐壁黏附系数。

由表1可以看出，罐壁状况不同，其黏附系数相差较大，进而影响储罐大呼吸损耗量。研究发现，罐壁黏附系数与油品的黏度、罐壁粗糙程度及边缘密封装置对罐壁的压紧程度有关［27］。油品的黏度影响油品与罐壁之间的附着力，从而影响其挂壁沾油量；而罐壁的粗糙程度与油罐的腐蚀程度密切相关。杨占品等［27］的研究表明：对不同罐壁黏附系数情况下的理论发油损耗进行核算，重锈时的损耗是轻锈时的18倍；浮顶罐内壁进行涂层处理后可使表面摩擦系数大幅降低，明显改善罐壁表面粗糙度，且使浮盘边缘密封装置对罐壁的压紧程度得到明显提高，罐壁沾油量下降90%以上，发油损耗仅为处理前的3.1%，周转损耗可降低62.7%。吴成华等［28］的研究表明，对于罐壁上部2 m和下部2 m外的与油接触的其他绝大部分罐内壁，由于原油中含有蜡质，会在其表面形成蜡膜保护层，可以不采用涂刷防腐涂料的措施，仅对其腐蚀部位做除锈处理即可。该工艺节能减耗，值得采纳。

边缘密封材料与罐壁的紧实程度影响浮顶罐大呼吸损耗的原因则在于边缘密封材料起到刮片的作用，发油时浮盘随液面下降，边缘密封材料会将一部分挂壁油品刮入剩余油品中。密封材料与罐壁之间的相互作用越强，则暴露在空气中的挂壁油品就会越少，进而减少挂壁损失。因此，可以通过增加二次边缘密封来加强边缘密封材料与罐壁的紧实程度，进而达到减小挂壁损失的目的。

4 降低浮顶罐大呼吸损耗的措施

根据以上分析结果，有针对性地提出以下有效减耗措施：发油操作时，应放慢作业速度，以减缓罐内气体浓度的下降速率，减少工作蒸发损耗；新建浮顶罐时，在其他条件不变的情况下，扩大罐体直径可以减少大呼吸损耗；尽量减少储罐间油品的周转频次，可有效降低大呼吸损耗；在一次密封的基础上采用二次密封，通过增强边缘密封来增加密封装置对罐壁的压紧程度，进而减小挂壁沾油量；为降低罐壁的黏附系数，可在储罐内壁使用防腐涂层材料或定期对罐壁进行除锈，防止罐体金属的腐蚀，以达到减少工作损失的目的；此外，通过在罐区将罐顶之间连接形成气连通管网，相连两个罐之间形成“呼与吸”的关系［29］，也可以有效减少储罐的大呼吸损耗。

5 结论

a）国内外浮顶罐大呼吸损耗核算公式主要有API公式、EPA公式、中石化公式和《导则》公式。采用我国推荐的公式进行核算更符合我国实际。需建立和完善以我国有机液体理化参数和储罐构造为基准的核算方法和软件。

b）影响浮顶罐大呼吸损耗的主要因素包括油品性质、周转量、罐体直径、罐壁黏附系数等，其中罐壁黏附系数为关键影响因素。

c）降低浮顶罐大呼吸损耗的有效措施主要为放慢发油速率、增加罐体直径、减少储罐间周转频次、增加边缘密封装置、罐内壁涂刷防腐涂层材料或定期除锈、设置罐区罐顶气连通管网等。

［1］ 刘术兵. 油品的蒸发损耗及降耗措施［J］. 中国石油和化工标准与质量，2011，31（5）：209.

［2］ 周学双，崔书红，童莉，等. 石化化工企业挥发性有机物污染源排查及估算方法研究与实践［M］. 北京：中国环境出版社，2015：89 - 90.

［3］ Farzaneh-Gord M，Nabati A，Niazmand H. Solar radiation effects on evaporative losses of floating roof storage tanks［J］. Int J Oil Gas Coal Technol，2011，4（2）：134- 135.

［4］ 吴宏章，黄维秋，杨光，等. 内浮顶油罐“小呼吸”对环境影响过程的分析［J］. 环境科学，2013，34（12）：4712 - 4717.

［5］ 阿克木·吾马尔，蔡思翌，赵斌，等. 油品储运行业挥发性有机物排放控制技术评估［J］. 化工环保，2015，35（1）：64 - 68.

［6］ 李守信，宋剑飞，李立清，等. 挥发性有机化合物处理技术的研究进展［J］. 化工环保，2008，28（1）：1 - 7.

［7］ 吴磊，赵东风，李石，等. 石化行业VOCs对二次有机气溶胶的贡献及估算方法［J］. 现代化工，2014，34（8）：6 - 10.

［8］ 王灿，席劲瑛，胡洪营，等. 挥发性有机物控制技术评价指标体系初探［J］. 化工环保，2011，31（1）：73 - 76.

［9］ 霍玉侠，李发荣，仝纪龙，等. 石化企业储罐区无组织排放大气环境影响及对策研究［J］. 环境科学与技术，2011，34（7）：195 - 199.

［10］ US EPA. AP 42， fi fth edition，volume I chapter 7：Liquid storage tanks［EB/OL］. （2016-09-27）［2017-02-20］. https：//www3.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch07/index.html.

［11］ American Petroleum Institute. API Bulletin［M］. Washington DC：CRC Press，1996：1975.

［12］ US EPA. AP 42， fifth edition，volume I chapter 4：Evaporation loss sources［EB/OL］. （2016-09-27）［2017-02-20］. https：//www3.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch04/index.html.

［13］ 田士良. 炼油厂油品贮运技术与管理［M］. 北京：中国石化出版社，1995：85.

［14］ 国家石油和化学工业局. SH/T 3002—2000 石油库节能设计导则［S］. 北京：中国石化出版社，2001.

［15］ 姬玉芬. 原油输油站类项目大气环评中无组织排放问题的研究［D］. 西安：西安建筑科技大学，2012.

［16］ 林立，鲁君，何校初，等. 中美储罐呼吸排放量计算方法对比［J］. 化工环保，2012，32（2）：137 - 140.

［17］ US EPA. TANKS emissions estimation software，version 4.09D［EB/OL］.（2016-09-27）［2017-02-20］.https：//www3.epa.gov/ttn/chief/software/tanks/index.html.

［18］ 王鹏. 石化企业挥发性有机物排放源及排放量估算探讨［J］. 石油化工安全环保技术，2013，29（1）：59 -62.

［19］ Jackson M M. Organic liquids storage tanks volatile organic compounds（VOCs）emissions dispersion and risk assessment in developing countries：The case of Dar-es-Salaam city，Tanzania［J］. Environ Monit Assess，2006，116（1）：363 - 382.

［20］ 李靖，王敏燕，张健，等. 基于TANKS 4.0.9d模型的石化储罐VOCs排放定量方法研究［J］. 环境科学，2013，34（12）：4718 - 4723.

［21］ 陆立群，付晴艳，张明旭. 石化企业储罐无组织排放现状及定量方法比较［J］. 辽宁化工，2006，35（12）：728 - 731.

［22］ 张秀青. 石化企业废气无组织排放源及排放量估算简介［J］. 装备环境工程，2008，5（5）：74 - 77.

［23］ 李瑾. 液体储罐无组织排放估算方法［J］. 石油化工环境保护，2003，26（4）：51 - 53.

［24］ 王志伟，马文娟，王卓，等. 石化企业无组织排放预测方法研究［J］. 广州化工，2015，43（11）：156 -160.

［25］ 戴小平，徐骏. 有机溶剂储罐呼吸气的计算及防治措施［J］. 浙江化工，2010，41（7）：27 - 30.

［26］ 张秀青，王旭东，张令戈，等. 储油库油气挥发过程分析及计算［J］. 科学技术与工程，2011，11（12）：2870 - 2873.

［27］ 杨占品，鲍善彩，范传宝，等. 大型钢质浮顶原油罐内壁处理技术［J］. 油气储运，2009，28（4）：54 -56.

［28］ 吴成华，张虹，卿建华. 论浮顶罐大呼吸非甲烷总烃排放计算公式参数取值［J］. 江苏环境科技，2008，21（4）：29 - 32.

［29］ 李阳，古道金，张徐莉. 储油罐蒸发损耗成因及对策探讨［J］. 当代化工，2011，40（5）：486 - 187，489.

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。

刘敏敏（1991—），女，山东省滨州市人，硕士生，电话 18354285368，电邮 lmm0920@126.com。联系人：王永强，电话 0532 - 86984668，电邮 wyqupc@163.com。

国家自然科学基金项目（51202294）；山东省自然科学基金项目（ZR2014EEM011）。

（编辑 魏京华）