油田含油污水池VOCs治理技术研究

曲虎，付莹莹，刘静

油田含油污水池VOCs治理技术研究

曲虎，付莹莹，刘静

（中国石油工程建设有限公司 华北分公司，河北 任丘 062550）

为了解决目前油田站场敞口式污水池中可挥发性有机物（VOCs）散发问题，对物料平衡法、地面浓度反推法、排放系数法、类比估算法等VOCs计算方法进行介绍，对比和讨论了钢筋混凝土密闭、彩钢板密闭、玻璃钢板密闭、反吊膜密闭和全接液式浮盖等污水池密闭处理方法，并提出了不同密闭方式配套的VOCs回收和处理方案。通过对比可知，在对VOCs进行精确计算时，推荐采用物料平衡法和地面浓度反推法；在仅需要粗略计算时，推荐采用排放系数法和类比估算法。在污水池密闭工程中，推荐采用造价较低、施工方便、密闭性好、造型美观的反吊膜密闭方案；在污水池全部密闭的基础上，推荐采用造价较低、工艺较为简单的挥发气回收装置。

油田； 含油污水池； VOCs计算方法； 密闭； VOCs回收

目前油田站场内的含油污水池大部分为敞口设置，不能做到防风、防雨、防晒，含油污水储存过程中有大量可挥发性有机物（VOCs）排放到周围环境中[1⁃2]。根据相关法律、法规以及近两年地方政府制定的各项环保政策，对工厂废气的控制标准越来越严格，各油田对油田挥发气的治理力度也越来越大。特别是含油量较高的污水池，散发到大气中的VOCs很难及时扩散，在污水池周围弥漫，低洼死角处积聚，如遇到点火源很有可能发生着火爆炸，存在严重的安全隐患，污水池的密闭问题亟待解决[3⁃5]。

目前在VOCs回收、VOCs挥发控制以及VOCs挥发量和挥发浓度的计算方面存在很大的技术问题，本文通过对油田含油污水池VOCs挥发量计算及回收治理方法进行研究，提出油田污水池的VOCs治理解决方案[6]。

1 含油污水池VOCs挥发量计算

目前，对未进行密闭处理的污水池VOCs计算方法主要有四种，分别为物料平衡法、源强反推法、排放系数法和类比估算法。其中物料平衡法和源强反推法计算较为严谨，但需要基础参数较多，计算过程繁琐；排放系数法和类比估算法计算过程简单，但多用于估算[7⁃8]。

1.1 物料平衡法

物料平衡法VOCs排放量计算见式（1）：

式中，污水、油、水分别表示污水池VOCs排放总量、污水池（隔油池）中油层的VOCs排放量以及废水收集支线和废水处理厂水相中VOCs排放量，kg/a，其中油计算见固定顶罐VOCs挥发量计算（式（2）），无浮油真实蒸气压的情况，按85 kPa计算。

1.1.1油相中VOCs排放量计算

式中，g、s、w分别表示固定顶罐总损失、静置损失和工作损失，kg/a，其中s计算见静置损失的计算（式（3）），w计算见工作损失的计算（式（4））。

（1）静置损失的计算。

式中，s表示静置损失（地下卧式罐的s取0），kg/a；V表示气相空间容积，m3；V表示储藏气相密度，kg/m3；e、s分别表示气相空间膨胀因子和排放蒸气饱和因子。

（2）工作损失的计算。

1.1.2水相中VOCs排放量计算

式中，水表示废水收集或处理设施的挥发性有机物年排放量，kg/a；Q表示废水收集或处理设施的废水流量，m3/h；进水,i表示废水收集或处理设施进水中的逸散性挥发性有机物质量浓度，mg/L；出水,i表示废水收集或处理设施出水中的逸散性挥发性有机物质量浓度，mg/L；t表示废水处理设施的年运行时间，h/a。

其中，进水,i计算参照《水质总有机碳的测定燃烧氧化⁃非分散红外吸收法》HJ501-2009中可吹脱有机碳（POC）的测试和计算方法，其中POC为总有机碳（TOC）与不可吹脱有机碳（NPOC）的差值。

1.2 地面浓度反推法

地面浓度反推的计算方法以高斯扩散模型为基础，根据大气扩散理论，污染源下风向某一位置的污染物浓度与污染源的排放量成正比。若已知影响排放的相关因素信息，则可以根据该位置的污染物浓度计算出污染源的排放量。面源无组织排放量的计算见式（6）。

1.3 排放系数法

式中，污水表示污水池VOCs排放总量，kg/a；表示排放系数，kg/m3，取值见表1；Q表示废水处理设施的处理量，m3/h；t表示废水处理设施的年运行时间，h/a。

1.4 类比估算法

污水池VOCs废气处理装置设计规模宜按典型工况实测气量的110%设计，无实测数据时，可参考表2或类比同等规模污水处理场确定。

1.5 VOCs计算方法的选用

以上几种污水池VOCs计算方法的适用情况对比见表3。

2 含油污水池VOCs治理方案

根据《挥发性有机物无组织排放控制标准》GB37822—2019中9.2.2关于废水储存、处理设施的规定，含VOCs废水储存和处理设施敞开液面上方100 mm处VOCs检测浓度≥200 μmol/mol，应符合下列规定之一：

（1）采用浮动顶盖；

（2）采用固定顶盖，收集废气至VOCs废气收集处理系统；

（3）其他等效措施。

因此，对于油田敞开式含油污水池可以根据以上规定进行治理和改造。

注：此处产污系数摘自环保部《石油炼制、石油化学工业VOCs排放量简化核算方法》。

表2　污水处理场VOCs废气排放量估算

表3　VOCs计算方法对比

2.1 油田污油污水池密闭方案

目前污水池密闭方案主要有钢筋混凝土密闭方案、彩钢板密闭方案、玻璃钢板密闭方案、反吊膜密闭方案等[9⁃13]。

2.1.1钢筋混凝土密闭方案 图1为污水池钢筋混凝土密闭纵断面图。在池底、边坡顶设置钢筋混凝土立柱，柱顶之间现浇钢筋混凝土梁、顶板，完成对上口的框架密闭，在边缘处适当加大梁高，布置HDPE防渗膜，对边缘处进行防渗、密闭处理。其优点为耐火性能良好，能够实现完全密闭，后期无需维护，但工程量相对较大，投资相对较高。

2.1.2彩钢板密闭方案 图2为污水池彩钢板密闭纵断面图和平面图。在池底、边坡顶设置钢筋混凝土立柱，柱顶连接钢桁架檩条、彩钢板，形成对上口的钢结构屋面密闭。

该方案缺点为因材料自身因素，耐火极限时间受限制，受板材接缝影响，不能实现完全密闭，后期需定期维护、更换彩板，但工程量相对混凝土少，投资相对较低。钢支撑部分封闭在阳光板下方，而污水池封闭后会产生大量的腐蚀性气体，加上外部强烈的阳光直射，整个结构都很容易腐蚀老化。

图1　污水池钢筋混凝土密闭纵断面

图2　污水池彩钢板密闭纵断面和平面

2.1.3玻璃钢板密闭方案 玻璃钢密闭同彩钢板密闭方式类似，将上口密闭材料由彩钢板改为玻璃钢板。

优点是相对于普通碳钢骨架＋阳光板封闭法耐腐蚀性会更好一些，所以寿命比第一种方法会更长一些。缺点是成本比较高，而且在对大跨度的污水池进行封闭的时候，由于玻璃钢板自重太大，其对钢结构的要求会更高，用钢量会大量增加，而且维修不易。

2.1.4反吊膜密闭方案 反吊膜加盖是采用抗腐蚀能力非常强的氟碳纤膜把废气罩住，钢结构在外面将膜悬吊。这样既发挥了氟碳纤膜的抗腐蚀性能，又从根本上解决了钢结构由于与腐蚀性气体接触而带来的腐蚀问题，因而钢结构可以按普通建筑钢结构的防腐等级考虑进行设计，发挥了钢结构的性能，实现了结构骨架与覆盖材料的完美结合。图3为污水池反吊膜密平面图。

图3　污水池反吊膜密平面图

反吊膜密闭方案主要特点如下：（1）膜材抗腐蚀能力强，解决了钢结构由于与腐蚀性气体接触而带来的腐蚀问题；（2）膜材自身轻，抗拉强度大，适合大跨度池体使用；（3）使用年限长，膜结构部分在15 a以上，钢结构部分在50 a以上；（4）反吊膜结构安装便捷，钢结构和膜体的加工均在工程现场进行，加工质量得到保证，减少了现场安装的突发事件；（5）反吊膜结构造型美观新颖，造型多样，适合大建筑使用。

2.1.5污水池密闭方案对比 污水池密闭方案对比见表4。

2.2 全接液式浮盖方案

与在储罐内设置浮盘的原理类似，在污水罐液面设置全接液式浮盖，使浮盖随着介质的液面升降，同时考虑浮盘的密封，并设置排雨水孔盖，在减少VOCs的挥发、减少损失的同时，防止空气、雨水污染，达到节能减排的目的。全接液式浮盖有如下特点：

（1）全接液式设计，可随液体上下浮动，无油气空间，无VOCs逸散问题；

（2）无需再额外设计VOCs回收处理系统，降低了污水池密闭的投资；

（3）维修方便，运行费用较低。

表4　污水池密闭方案对比

图4为污水池采用全接液式浮盖俯视图和示意图。

1方形主框架,2 胶黏式蜂窝板,3排水口,4弹性密封件,5E形材,6 L型上限位座,7 Γ型下限位座

2.3 VOCs回收处理方案

污水池采用全接液式浮盖方式，不产生气相空间，不需要再进行油气回收；采用彩钢板、玻璃钢、钢筋混凝土和反吊膜方式进行密闭，会产生VOCs，需要进行处理。

根据回收VOCs的处理方式，目前的VOCs回收处理装置主要有两种类型，一种是油田常用的挥发气回收装置，主要有螺杆压缩机式挥发气回收装置、活塞压缩机式挥发气回收装置、活塞气液泵式挥发气回收装置等类型；抽气装置将储罐等单元产生的VOCs通过抽气装置进行回收，回收后的VOCs供站场加热炉进行燃烧或直接外销。

另一种是目前在储油库和炼化企业常用的油气处理装置，主要包括吸附型油气处理装置、冷凝式油气处理装置、催化氧化式油气处理装置以及两种以上的组合处理工艺装置。VOCs通过油气回收装置处理达标后外排[14⁃16]。

对于钢筋混凝土和反吊膜密闭方案，由于基本能够实现全密闭，在进行油气回收过程中不会有大量空气进入，在污水池密闭后，将初始的混合气体采用惰性气体置换，此后污水池挥发的气体里面基本不含有氧气，可以通过VOCs回收装置回收后供加热炉进行燃烧。图5为污水池VOCs回收工艺流程示意图。

图5　污水池油气回收工艺流程示意

对于彩钢板和玻璃钢密闭方案，由于材料耐火极限时间受限制、板材接缝等影响因素，不能实现完全密闭，在进行油气回收过程中有空气混入，有达到爆炸极限的可能性，不能直接通过挥发气回收装置回收后作为加热炉燃料，只能通过油气处理装置处理达标后外排。图6为两种污水池油气处理工艺流程示意图。表5为挥发气回收装置和油气处理装置对VOCs回收处理方案对比情况。

图6　污水池油气处理工艺流程示意

3 结 论

根据以上分析，虽然物料平衡法和地面浓度反推法计算污水池VOCs计算精确，但过程较为繁琐，排放系数法和类比估算法虽然粗略，但简单、快捷，在实际应用时需根据需要进行选择。

钢筋混凝土密闭、彩钢板密闭和玻璃钢板密闭在污水池密闭工程中均有应用，但近年来由于反吊膜密闭方法具有投资低、施工方便、密闭性好、造型美观等优点，在污水池密闭工程中应用较为广泛。全接液式浮盖方式在国内旗台石化废水池改造项目以及国外意大利、韩国等国家的污水池改造工程中有所应用。

如果污水池能够全部密闭，并且站场有加热炉或者气处理装置等气相出路，推荐采用投资较低、工艺简单的挥发气回收装置；如果污水池不能全部密闭，推荐采用油气处理装置对挥发气进行处理达标后外排。

表5　VOCs回收处理方案对比

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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

中油工程科技资助项目（2018ZYGC⁃02⁃06）。

曲虎（1986⁃），男，硕士，高级工程师，从事油气田地面工程设计方面研究；E⁃mail:qh915gf1@163.com。

（编辑 王亚新）