石油化工企業液體物料儲運及污染控制

張紅兵, 孔祥瑜

(山西省化工設計院，山西 太原 030024)

石油化工企業液體物料儲運及污染控制

張紅兵, 孔祥瑜

(山西省化工設計院，山西 太原 030024)

介紹了各種儲罐形式、儲罐選擇及物料儲存的設計規范要求，對呼吸閥的功能、選用等進行了介紹，對儲罐的大小呼吸影響因素、不同的計算公式進行了分析對比，提出了液體物料儲運的具體污染控制措施。

儲罐；呼吸閥；儲運；規范；污染控制

在石油化工、煤化工、精細化工等諸多企業的生產中，都離不開液體物料的儲運，而由于企業生產類型不同，所涉及的化工原材料、產品的性質不同，導致物料儲存容器、儲存方式、儲存要求等千差萬別，由此而產生的污染物排放及治理措施也各不相同。因此，對石油化工等企業液體物料儲運過程及污染排放與控制情況進行研究，針對不同物料提出不同的控制要求，從而有效減少物料無組織排放、降低企業生產消耗、減輕環境污染，是本文研究的重點。

1 儲罐形式

液體的儲罐有六種基本罐體形式：固定頂罐(立式和臥式)、外浮頂罐、拱頂外(或覆蓋的)浮頂罐、內浮頂罐、可變蒸汽空間罐和壓力罐(低壓和高壓)。

1.1 固定頂罐

這種類型的儲罐由帶有永久性附加罐頂的圓柱形鋼殼組成，其罐頂可以有錐形、圓拱頂形到平頂的不同設計。固定頂罐的損耗是由溫度、壓力和液位的變化造成的。固定頂罐裝有自由排氣孔或呼吸閥，后者可以使儲罐能在極低內壓或真空下操作，以防止在溫度、壓力或液面微小變化的情況下蒸氣釋放。對于目前的罐體設計，固定頂罐是造價最低的而且對于儲存有機液體是最低可接受的罐體。

1.2 外浮頂罐

一個典型的外浮頂罐(EFRT)是由一個開放的圓柱形鋼殼和漂浮在儲存液體表面的浮頂組成。浮頂是由一個浮盤、專用附件和邊緣密封裝置組成。目前使用的浮盤都是使用焊接鋼板建造的，分為兩種類型：浮筒型和雙盤式。所有類型的外浮頂罐，浮盤隨著罐內液面上下浮動。外浮頂配有一個邊緣密封系統，它連接在浮盤的外緣并與罐壁接觸。浮頂和密封裝置系統是為了減少儲存液體的蒸發損耗。在密封裝置和罐壁間仍存在一些環形空間。當浮頂上升和下降時，密封裝置沿著罐壁滑動。浮盤也有配件，這些配件穿過浮盤并提供操作功能，以限制儲存液體的蒸發損失、限制從邊緣密封系統和浮盤配件及管壁上液體(掛壁液體)蒸發造成的損失。

1.3 內浮頂罐

內浮頂罐(IFRT)不僅具有固定的罐頂而且里面有一個浮頂。內浮頂罐的浮頂隨液面水平的變化而升降，浮頂或直接飄在液體表面(接觸型浮頂)，或懸浮在液面幾英寸以上的浮桶上(非接觸型浮頂)。目前在用的大多數鋁制內浮頂用于非接觸型浮頂。內浮頂儲罐具有獨特優點：一是與浮頂罐比較，因為有固定頂，能有效地防止風、砂、雨雪或灰塵的侵入，絕對保證儲液的質量。同時，內浮盤漂浮在液面上，使液體無蒸汽空間，減少蒸發損失，減少空氣污染，減少著火爆炸危險，易于保證儲液質量，特別適合于儲存高級汽油和噴氣燃料及有毒的石油化工產品；由于液面上沒有氣體空間，故減少罐壁罐頂的腐蝕，從而延長儲罐的使用壽命，二是在密封相同情況下，與浮頂相比可以進一步降低蒸發損耗。

1.4 拱頂外浮頂罐

拱頂外(或覆蓋型)浮頂罐使用比外浮頂罐更重的甲板以及像內浮頂罐一樣的固定罐頂。拱頂外浮頂罐通常有外浮頂罐加一個固定罐頂改造而成。這種類型的罐與內浮頂罐非常相似，都使用焊接板和自支撐式固定罐頂。與內浮頂罐一樣，固定灌頂的作用不是作為隔氣層，而是為了防風。固定頂罐的類型通常是自支撐式鋁制拱頂，鋁制拱頂用螺栓固定。與內浮頂罐很像，這種罐也通過固定罐頂頂部的循環排氣口來實現自由排氣。但是，浮頂配件和邊緣密封卻與外浮頂罐是相同的。當浮頂由更輕的IFRT-型浮頂代替時，這種罐就可以認為是內浮頂罐。

1.5 可變氣相空間罐

可變氣相空間罐配有可膨脹的容器，可適應由溫度和大氣壓力改變而引起的蒸汽體積波動變化。盡管可變蒸汽空間罐有時也獨立使用，但通常它們是與一個或多個固定頂罐的蒸汽空間相連的。最普通的兩種可變蒸汽空間罐類型是升降式浮頂罐和膜式柔性浮頂罐。

1.6 壓力罐

壓力罐通常是用來存儲高蒸汽壓的有機液體和氣體，具有多種形狀和尺寸，這取決于罐的操作壓力。一般分為常壓儲罐(設計壓力小于或等于6.9kPa的儲罐)、低壓儲罐(設計壓力大于6.9kPa且小于0.1MPa的儲罐)和高壓儲罐(設計壓力大于0.1MPa的儲罐)。高壓儲罐實際中可以在無蒸發或工作損失下操作。在常壓和低壓罐中，工作損失可能伴隨著裝罐的大氣排氣而發生。壓力罐裝有呼吸閥，用來防止沸騰排氣損失和每日溫度或大氣壓變化引起的呼吸損失。

2 石油化工液體物料儲存的相關設計規范

化工建設項目環境保護設計規范(GB50483-2009)、石油化工企業職業安全衛生設計規范(SH3047-1993)、石油化工儲運系統罐區設計規范(SHT 3007-2007)、石油化工企業設計防火規范(GB50160-2008)等規范中，對易揮發液體、可燃液體的儲存、裝卸等有相關要求。

3 呼吸閥的設置

呼吸閥一般用在常壓或低壓貯罐上，即只有常壓和低壓貯罐才有罐呼吸排放(在低壓罐上常有蒸汽回收系統)，高壓貯罐沒有排放量，無呼吸損失和工作損失。對于存放有毒物質的貯罐，是沒有的呼吸閥的，必須加活性碳過濾器等處理裝置。吸閥是儲罐不可缺少的安全附件，其功能是用以降低常壓及低壓儲罐內揮發性液體的蒸發損耗。設置呼吸閥不僅可以減少罐內氣體排放，從而降低對大氣的污染，而且可使儲罐避免因超壓而造成破壞或固超真空而導致失穩，對安全和環保均起到一定的促進作用。

3.1 呼吸閥的種類

呼吸閥分為兩種：

第一種是達到一定壓力時，進行呼或吸，當外液體輸入罐內時有大量的氣體往外呼(稱正壓)。如罐內液體往外輸出時罐內必須從外空氣吸進罐內(稱負壓)。如停止工作時呼吸閥自動關閉不會把罐內液氣往外泄漏，使罐內的液體質量得到了有利的保障。第二種呼吸閥類似于單向止逆閥，它只能向外呼氣，不能向內吸氣，當系統內壓力升高時，氣體便經過呼吸閥向外放空，保證系統的壓力恒定。

3.2 呼吸閥的功能

呼吸閥在正常狀態下起密封作用，以防止儲罐內氣體泄出，只有在下列條件下呼吸閥才開始工作。

①儲罐向外輸出物料時呼吸閥即開始向罐內吸入空氣。

②向儲罐內灌裝物料時呼吸閥即開始將罐內氣體向罐外呼出。

③由于氣候變化等原因引起罐內物料蒸氣壓增高或降低，呼吸閥則呼出蒸汽或吸入空氣或氮氣(通稱熱效應)。

④發生火災時，儲罐因受熱引起罐內液體蒸發量劇增，呼吸閥便開始向罐外呼出，以避免儲罐因超壓而損壞。

⑤在其他工況下，如揮發性液體的加壓輸送，內外部傳熱裝置化學反應，操作失誤等，呼吸閥則進行呼出或吸入，以避免儲罐因超壓或超真空而遭受損壞。

3.3 呼吸閥選用

①對安裝位置的要求和溫度范圍的要求，如寒冷地區就應選用全天候呼吸閥，而安裝在管道中的應選用管道式呼吸閥。

②機械呼吸閥的控制壓力應與有關的承壓能力相適應。

③機械呼吸閥的規格(法蘭通徑)應滿足油罐的最大進出油呼吸氣體流量要求。

4 儲罐的大、小呼吸及其計算

4.1 (1) 儲罐的大呼吸及其影響因素

儲罐的大呼吸是指儲罐在進出料時的物料的揮發和逸散，小呼吸是指儲罐中的物料由于品種、溫度、蒸汽壓、粘度等自身性質和風、大氣壓等外界條件，以及儲罐本身的種類、形式的不同，隨時產生的物料的散發。儲罐的大、小呼吸是液體物料(特別是易揮發物料)儲運過程中兩種主要的污染物排放方式，影響大、小呼吸的主要因素如下：

影響大呼吸的主要因素有：

①物料性質。物料油品密度越小，損耗越大；

②收發料速度。進料、出料速度越快，損耗越大；

③儲罐耐壓等級。儲罐耐壓性能越好，呼吸損耗越小。當儲罐耐壓達到5kPa時，則降耗率為25.1%，若耐壓提高到26kPa時，則可基本上消除小呼吸損失，并在一定程度上降低大呼吸損失。

④與儲罐所處的地理位置、大氣溫度、風向、風力及管理水平有關。

影響小呼吸的主要因素有：

①晝夜溫差變化。晝夜溫差變化愈大，小呼吸損失愈大。

②油罐所處地區日照強度。日照強度愈大，小呼吸損失愈大。

③儲罐越大，截面積越大，小呼吸損失越大。

④大氣壓。大氣壓越低，小呼吸損失越大。

⑤油罐裝滿程度。油罐滿裝，氣體空間容積小，小呼吸損失小。

4.1 大、小呼吸的計算公式

目前公開報道的有機廢氣儲罐呼吸氣的計算方法主要有：中國石油化工系統經驗計算公式、美國石油學會(APl)推薦的方法、美國國家環保局推薦公式、石油庫節能設計導則中推薦的方法等。此外，還有幾種純經驗估算方法，包括中國的《散裝液態石油產品損耗國家標準》(GB11085-89)估算方法，日本資源能源廳方法，歐盟經驗方法、無組織排放反推方法等。TANKS4.0是依據美國國家環保局推薦公式所編制的應用軟件。該軟件適用于估算原油、汽油及揮發性有機溶劑的年大呼吸蒸發損耗和年小呼吸蒸發損耗。下面就經出常用的中國石油化工系統經驗計算公式、美國石油學會(APl)推薦的公式、美國國家環保局推薦公式如下：

美國國家環境保護局推薦公式

浮頂罐計算公式：

LT=LW+LR+LF+LD+LX

(1)

式(1)中，LT為總損耗量(lbs/a)；LW為工作損失(lbs/a)；LR為板層邊緣密封損失(lbs/a)；LF為板層附屬配件損失(lbs/a)；LD為板層接縫損失(lbs/a)，適用于內浮頂罐；LX為倒罐損耗量(lbs/a)。

固定罐計算公式：

LT=LW+LS+LX

(2)

式(2)中，LS為靜置損失(lbs/a)。

美國石油學會經驗公式

浮頂罐小呼吸計算公式：

LS=KS×Vn×P*×D×Uy×Kc×Ef×Ki

(3)

式(3)中，LS為浮頂罐靜止儲存損耗量(kg/a)；KS為密封系數；n為與密封裝置類型有關的風速指數。

浮頂罐大呼吸計算公式：

W=1·37×10-4×V/D

(4)

式(4)中，W為浮頂罐發油損耗量(kg/a)；V為油品泵送入罐量(m3/a)。

固定罐小呼吸計算公式：

LB= 0·191×M×[P/(100910 -P)]0·68×D1·73×H0·51×ΔT0·45×FP×C×KC

(5)

式(5)中，LB為固定頂罐的呼吸排放量(kg/a)；FP為涂層因子(無量綱)，根據油漆狀況取值為1～1.5；C為用于小直徑罐的調節因子(無量綱)；直徑為0～9m的罐體，C=1-0.0123(D-9)×2；罐徑大于9 m的罐體C=1。

固定罐大呼吸計算公式：

F=5.8×P×V/106×KT

(6)

式(6)中，F為固定頂罐的工作損失；KT為周轉因子(無量綱)。

中國石油化工系統公式

浮頂罐小呼吸計算公式：

LS=Y×V×n×Px×D×Mv×KS×KC×EF

(7)

式(7)中，LS為小呼吸蒸發損耗(kg/a)；KS為密封系數；Y為系數(外浮頂罐Y=3.1，內浮頂罐Y=2.05)。

浮頂罐大呼吸計算公式：

LW=4×Q×C×Py/D

(8)

式(8)中，LW為浮頂罐發油損耗量(kg/a)。

固定罐小呼吸計算公式：

Lds=12.751×10-3×KE×[P/(760-P)]0.68×D1.73×H0.51×T0.5×FP×C×v

(9)

式(9)中，Lds為固定頂罐的呼吸排放量(kg/a)；v為儲存油品的平均質量(t/m3)。

固定罐大呼吸計算公式：

LW=4·188×10-7×M×P×KT×KC

(10)

式(10)中，LW為固定頂罐的工作損失(kg/m3)。

在相同周轉量情況下，根據各公式的函數關系分析影響因素，可以看出，美國國家環保局推薦公式主要影響因素為:儲罐形式、儲罐規格和油品種類。美國石油學會經驗公式主要影響因素為:液體的真實蒸汽壓、儲罐的溫度變化、儲罐的留空高度、儲罐規格、儲罐收發作業周期及安排、儲罐狀況。中國石油化工系統經驗公式影響因素與美國石油學會推薦公式大致相同。

經過眾多研究者的實例計算，經出各種公式計算結果的差異如下：在計算浮頂罐污染物量時，美國石油學會公式和中國中石化公式的計算結果接近，固定罐相差較大，其原因是由于油品種類和儲罐技術限制，但較適合我國情況，所以建議采用中石化公式計算固定罐的呼吸量。美國國家環保局公式在計算大容量浮頂罐時，結果相對保守一些，對于環保要求較高的區域建議使用美國國家環保局公式計算浮頂罐呼吸量。

5 液體物料儲運的污染控制

下面以汽油等油品為例，給出液體物料儲運的污染控制措施。

5.1 儲罐小呼吸污染控制措施

要減少“小呼吸”損耗、應從減小氣體體積和油罐表面的溫差著手，主要措施如下：

①使用浮頂罐或內浮頂罐，選用合適的密封裝置。對于易揮發的輕質油品，宜儲存在浮頂罐或內浮頂罐中。新建的原油和輕質油罐已全部采用了這種辦法，一些油庫在改造過程中，也將原來的固定頂罐改造成了內浮頂罐，大大地降低了油品的蒸發損耗。對浮頂罐而言，浮頂與內罐壁間的密封裝置對減少油品蒸發損耗起著關鍵作用，它有機械密封、彈性密封和管式密封3種形式。

②高溫季節對油罐適當延長淋水期。未采取淋水措施的地上固定頂金屬油罐氣體空間的最高溫度可比日最高氣溫高出約20℃，而采取了淋水措施的油罐內氣體空間的最高氣溫則會略低于日最高氣溫。因此，采用淋水的辦法在高溫季節給油罐進行降溫對減少油品蒸發損耗具有重要意義。據統計，在高溫時，采用淋水的辦法可以減少90%的油品蒸發損耗。對處于不同地區的油罐，應根據當地實際天氣情況，在適當的時機對油罐進行淋水，并適當的確定淋水時間以達到最佳效果。

③采用地下油罐可以減少小呼吸損耗。

④對金屬固定罐而言，提高油罐的承壓能力是通過提高鋼材與焊接工藝的強度，使其能夠超過油品在儲存溫度下的飽和蒸氣壓，從而達到減少小呼吸損耗的作用。

5.1 儲罐大呼吸污染控制措施

為了盡量減少油罐大呼吸時對環境造成的危害，應從控制油蒸氣的逸出入手。主要措施如下：

①在油罐進油操作時，應盡量在降溫時作業。由于在降溫時罐內氣體因溫降而收縮，使蒸氣分子凝結加快或蒸發減慢，因此進油時罐內排除的氣體量必然少于進油量，致使損耗量比升溫時大量減少。另外，在油罐進油時應盡量加大泵的排量，使油品在進油過程中來不及大量蒸發，從而減少損耗。同時，在安排油罐進油時，應優先安排剛排空的儲罐。

②在油罐發油操作時，作業應進行得緩慢些，這樣可使罐內氣體濃度下降較為遲緩，以避免或減少發油結束后出現回逆呼出損耗。為此，可以在呼吸閥的底部安裝呼吸閥擋板，使氣流折向罐壁，避免直沖油面，從而減少油面蒸發。

③采用密閉收發油技術。將油罐、管路及位于零發油灌裝場地的油罐車視作一個整體，將油蒸氣密封起來，盡量減少油蒸氣的逸出。

④采用呼吸氣收集處理裝置，在儲罐呼吸口設置呼吸氣收集處理裝置。不同物料采用不同處理措施，主要有冷凝回收、活性炭吸附、水吸收等，可較大程度降低物料大呼吸排放量。

6 結論

石油化工企業液體物料儲運過程的無組織污染物排放數量較大，應引起廣泛的重視，從設計、施工、運行管理、末端治理等全過程進行規范的管理和要求，將儲運過程污染物排放量降到最低程度，在減輕環境污染的同時也可為企業帶來較大的經濟效益。

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(本文文獻格式：張紅兵 , 孔祥瑜.石油化工企業液體物料儲運及污染控制[J].山東化工，2016，45(04)：126-128.)

2015-12-23

張紅兵(1976—)，碩士，院長助理，環評中心主任，山西省環境影響評價專家組成員，主要從事環境影響評價及研究工作。

TQ086.2

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1008-021X(2016)04-0126-03