基于TANKS模型的储罐VOCs排放量核算

同 霄 张海玲 邱 奇 周 娟

(1.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室)

0 引 言

石油化工行业是挥发性有机物(VOCs)排放的重点行业[1-3]，储罐数量多、容量大，在大呼吸和小呼吸的过程中排放大量的VOCs，浪费了油气资源，降低了油品质量，污染了大气环境[4-6]。与石化行业储罐容量大、年周转次数相对较低的特点不同，石油从井筒采出，通过地面集输系统进行输送和处理，集输过程中储罐具有容量较小、年周转次数较高、工作时间长、静置时间短的特点。本文采用美国环保署EPA发布的储罐VOCs排放量计算模型，以小型储罐为计算对象，研究了模型参数的确定方法，估算得到了储罐VOCs排放量，分析了储罐VOCs排放量的影响因素，针对性地提出了减排对策。

1 储罐VOCs排放量计算方法

目前，储罐VOCs排放量估算方法可分为两类[7]，第一类为纯经验方法，包括美国石油协会API方法、日本资源能源厅方法、欧盟排放系数方法和中国的《散装液态石油产品损耗》估算方法；第二类为半经验半理论方法，包括瓦廖夫斯基-契尔尼金方法、中国的《石油库节能设计导则》方法和美国环保署EPA根据《Air Emissions Factors and Quantification(AP-42)》提出的TANKS模型。TANKS模型虽然计算参数多，使用美制单位，如：美制加仑gal、英尺ft和磅lb等，导致使用过程较为繁琐，但由于考虑因素全面，计算结果精确，在国际上广泛使用。刘昭等[8]采用该模型对石化企业轻柴油固定储罐的总损失进行了估算，并提出了对应措施；李靖等[9]基于该模型试算了卧式固定储罐、立式固定储罐、内浮顶罐和外浮顶罐的VOCs排放量；辛梓弘[10]基于该模型对上海市排放企业238个有效储罐的VOCs排放量进行了计算；Jackson[11]应用该模型对坦桑尼亚有机液体储罐的VOCs排放量及扩散风险进行了计算和评估。

2 计算参数的确定

TANKS模型中计算参数主要分为3类：第1类为罐体参数。在确定了储罐类型后，需要进一步确定储罐的罐体参数。储罐类型有4种，分别为卧式固定顶罐、立式固定顶罐、内浮顶罐和外浮顶罐。第2类为气象参数。为了确保精确的计算结果，需要确定储罐所处位置的月气温、月风速、月太阳能总辐射等参数。第3类为存储物质的参数。模型中有内置的储存物质库，提供了177种物质的常规参数，也可以根据需要建立新的化学物质，输入参数包括液体摩尔分子量、黏度、蒸气分子量、安托尼方程的参数、雷氏蒸气压等。

2.1 罐体参数

以西峰地区30 m3储罐为例进行计算。所选择储罐为地上卧式固定顶罐，储罐长6 m，宽2 m，高2.5 m，罐体状况良好，颜色为灰色，计算其等效直径为2.52 m，平均储油量为10.0 m3。该罐日周转量为120 m3，年周转次数为4 380次，年周转量为4.38×104m3。

计算模型中长度、体积、压力等参数为美制单位，单位转换后的计算参数见表1。

表1 单位转换后的罐体计算参数

2.2 气象参数

2.2.1 气温

统计国家气相信息中心2017年气温数据，得到西峰地区12个月的最低气温和最高气温，用于后期的计算。

计算模型中的温度为华氏温度，单位转换后的参数见表2。

表2 单位转换后西峰地区2017年气温统计 ℉

2.2.2 风速

根据风力等级划分[12]，0～7级平均风速分别为0.1，0.95，2.5，4.45，6.75，9.4，12.35，15.55 m/s。根据国家气相信息中心提供的数据，对2017年西峰地区每个月不同风级出现天数进行统计，得到该地区每个月的平均风速，见图1。

计算模型中风速单位为mph，单位转换后的参数见表3。

图1 2017年西峰地区不同风级天数统计

mph

2.2.3 太阳能总辐射

周杨等[13]基于西北5省27个辐射站逐日太阳总辐射和163个气象站逐日日照时数，用统计分析和规则样条函数插值相结合的方法，得到了西北地区四季太阳能总辐射分布云图。根据其研究成果，西峰地区春季(3—5月)太阳能总辐射为4 866.25 MJ/(m2·a)、夏季(6—8月)最高为5 548.56 MJ/(m2·a)、秋季(9—11月)为3 752.33 MJ/(m2·a)、冬季(12月—次年1月)最低为2 570.85 MJ/(m2·a)。将单位换算为VOCs计算时使用的Btu/ft2·day，西峰地区太阳能总辐射统计见表4。

表4 西峰地区太阳能总辐射统计 Btu/(ft2·day)

若计算区域没有太阳辐射的研究数据，周晋等[14]对Angstrom-Prescott型日总太阳辐射月均值估算公式进行了修正，给出了适合国内不同地区使用的统一公式，可以通过该公式估算得到储罐所处区域较精确的太阳能总辐射参数。

2.3 存储物质的参数

该储罐内储存原油的实测密度约为0.87 t/m3，真实蒸气压为40.15 kPa，其余参数选择模型储存物质库中原油的默认参数。

3 结果分析

3.1 计算结果

将上述计算参数代入计算模型中，得到储罐VOCs排放量，见图2。

图2 储罐VOCs排放量计算结果

储罐VOCs排放量分为静置排放量和工作排放量两类。由图2可知，储罐VOCs年总排放量为2.69 t，其中年静置排放量为0.35 t，占比13%；年工作排放量为2.34 t，占比87%。这是由于小型储罐的年周转次数高，即工作时间较长，所以工作排放量均远大于静置排放量。

3.2 影响因素分析

3.2.1 气象条件

储罐VOCs排放量随着时间的变化发生波动，其中7月总排放量最大，为0.29 t，约占全年总排放量的11%；1月和12月总排放量最小，为0.17 t，约占全年总排放量的6%。因为罐体参数和存储物质不变，所以气象参数的改变引起了排放量的波动。绘制储罐VOCs总排放量、平均温度、平均风速和太阳能总辐射对比曲线，如图3所示，可以发现，温度越高，风速越大，太阳能总辐射越大(日照时间越长)，VOCs的排放量越大，呈正相关。

图3 储罐VOCs排放量和气象条件对比曲线

3.2.2 储罐体积

除了气象条件这一影响因素外，当储罐类型和储存物质一定时，影响静置排放量的主要因素为储罐尺寸，即储罐的体积。以卧式固定顶罐为例，设置储罐长度分别为4，6，10，20 m，即储罐体积分别为20，30，50，100 m34种工况，计算绘制得到不同储罐体积对应的VOCs排放量，见图4。

图4 不同储罐体积对应的VOCs排放量

由图4可知，因为工作条件未发生变化，4种工况下储罐的工作排放量相等，均为2.34 t，静置排放量随着储罐体积的增大而提高，从小至大依次为0.24，0.35，0.59，1.18 t。这是因为储罐体积越大，罐内气相空间越大，原油的挥发面积越大，导致静置损失越大。

3.2.3 年周转量

工作排放量的最大影响因素是储罐的年周转量，年周转量是工作容积和年周转次数的乘积。在工作容积一定的情况下，设置年周转次数分别为1 095，2 190，4 380，8 790次，对应的年周转量分别为1.095×104，2.19×104，4.38×104，8.76×104m3。计算绘制得到不同年周转量对应的VOCs排放量，见图5。

图5 不同年周转量对应的VOCs排放量

由图5可知，因为罐体参数未发生变化，4种工况下储罐的静置排放量相等，均为0.35 t，工作排放量随着储罐年周转量的增大而提高，从小至大依次为0.65，1.21，2.34，4.58 t。这是因为年周转量越大，储罐在进料和出料的大呼吸过程中油气挥发损失越大，最终导致工作排放量越大。

3.3 减排对策与建议

3.3.1 降低储罐温度

闫啸[15]测试了漆面颜色为银灰色、绿色、天蓝色和黑色4个50 m3卧式储罐的罐内温度，分别为11，14.7，20.3，30℃，并跟踪测试了4种储罐装满汽油储存一年后的蒸发损失，结果分别为460，550，590，680 kg，表明罐体温度越高，VOCs排放量越大。当罐内储存物质温度一定时，环境气温和太阳能总辐射是影响罐体温度的主要因素，推荐选用反射效应大的漆面颜色和材料。陈志华等[16]对钢结构漆面颜色为白色和灰色，漆面材料为聚氨酯、氯化橡胶和氟碳的多个试件进行了太阳辐射吸收系数测试，其中白色漆面和聚氨酯材料的组合太阳辐射吸收系数最低，即太阳能反射效应最大，表面温度最低，推荐使用。为了有效降低储罐温度，可使用淋水降温法和增加隔热板，或者采用地下罐的方式[17]，以降低VOCs排放量。

3.3.2 优选储罐类型

油田场站常见的储罐形式包括固定顶罐、浮顶罐、拱顶罐和球形罐等[18]。霍玉侠等[19]研究发现，与拱顶罐相比，采用浮顶罐或内浮顶罐储存蒸发损耗降低了90%左右；黄维秋[20]研究发现，采用浮顶罐可以大大地抑制固定顶罐的蒸发损耗，其中外浮顶罐的损耗率仅为固定顶罐的5%～7%，内浮顶罐的损耗率约为固定顶罐的4%。由此可见，在经济条件允许的情况下，尽可能选择浮顶罐，可降低VOCs排放量。

4 结 论

本文采用EPA推荐的储罐VOCs排放量计算公式，以西峰地区储罐为计算对象，分析计算结果，得出以下结论：

1)储罐VOCs工作排放量远大于静置排放量，静置排放量占比13%，工作排放量占比87%。

2)储罐VOCs排放量随气象条件的变化发生波动，地区温度越高，风速越大，太阳能总辐射越大，排放量越大，呈正相关。

3)储罐体积是影响储罐VOCs静置排放量的重要因素，体积越大，原油挥发面积越大，静置排放量越大；储罐年周转量是影响储罐VOCs工作排放量的重要因素，年周转量越大，油气挥发损失越大，工作排放量越大。