中美油罐VOCs排放核算公式參數敏感性研究

龔奐彰,李霽恒,趙 杰,楊景軼,王占生,李 薇*

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中美油罐VOCs排放核算公式參數敏感性研究

龔奐彰1,李霽恒1,趙 杰2,楊景軼2,王占生3,李 薇1*

(1.華北電力大學教育部資源與環境系統重點實驗室,北京 102206；2.中石油管道有限責任公司西部分公司,新疆 烏魯木齊 830013；3.中國石油集團公司安全環保技術研究院,北京 102206)

介紹了中石化系統VOCs排放核算公式和美國環保署推薦公式,并對2種方法的優缺點進行了對比分析.結合油罐排放核算實例,分析了導致中美兩種方法計算結果不同的原因,最終確定了VOCs年排放量核算結果為43.43t.利用了回歸分析的方法,對中美核算公式的主要參數進行了敏感性研究,各參數擬合方程的2均接近于1,將t統計量P值顯著性水平設置為0.05,結果表明,在計算浮頂罐VOCs排放時,中石化公式的敏感參數包括:粘附系數、風速、二次密封系數、密封系數和風速指數;EPA公式的敏感參數為內壁粘附系數、風速、靜風邊緣密封排放系數、有風情況下邊緣密封排放系數和浮頂板密封長度系數,風速指數為非敏感參數.

儲油罐；VOCs排放；核算公式；參數敏感性

近年來,有關VOCs排放的課題已成為國內外研究熱點.郭鳳艷等[1]對天津臨港某石化企業VOCs排放特征進行了研究;李勤勤等[2]選取珠江三角洲地區典型石化裝置進行了VOCs排放特征的分析;呂兆豐等[3]利用ISCST-3空氣質量模型針對我國北方某石油煉制企業VOCs排放特點,反推出企業VOCs排放源強;Wang等[4]研究了罐壁腐蝕及密封情況對浮頂罐VOCs排放的影響;Weli等[5]調研了原油儲罐VOCs排放對空氣及雨水質量產生的影響.此外,還有大量文獻集中于VOCs排放時空分布及排放速率的分析[6-10],然而,目前對VOCs排放計算公式參數敏感性的相關研究還較少.

2014年,原環境保護部發布了《石化行業揮發性有機物綜合整治方案》,要求“到2017年,石化行業VOCs排放總量較2014年削減30%以上”[11],2015年,財政部、發改委和環保部3部委共同發布《揮發性有機物排污收費試點辦法》,要求對石化行業征收VOCs排污費[12],截止到2017年,已有20個省出臺相應排污收費政策.

由于儲罐呼吸排放是石化企業儲運過程中VOCs排放的主要來源[13-14],儲罐VOCs排放量的核算成為石化企業及相關管理部門關注的核心問題.然而,不同核算方法得到的儲罐呼吸排放量各不相同,有時甚至相差甚遠.研究人員運用我國已頒布文件中的2種不同方法核算大連石化VOCs年排放量,結果相差超過3倍[15];對于浮頂罐的相關計算研究結果顯示,中國和日本的2種計算方法結果相差了2個數量級[16].

基于以上背景,為保證石化企業合法利益,促進VOCs排污收費工作及減排政策的順利推進,本文列舉了中美常用的儲罐無組織排放核算公式,并對公式參數敏感性進行了研究,為油罐VOCs排放量的準確核算及核算公式的優化提供理論依據.

1 中美儲罐VOCs排放核算公式介紹

1.1 中石化系統核算公式

中石化系統公式[17]適用于固定頂罐、浮頂罐和拱頂罐儲存原油、汽油及揮發性有機溶劑時的年大呼吸蒸發排放量和年小呼吸蒸發排放量的估算[14].

1.1.1 大呼吸蒸發排放計算公式:

(1)拱頂罐:

式中:DW為拱頂罐大呼吸蒸發排放量,kg/a;為儲罐內平均溫度下液體的真實蒸氣壓,pa;L為泵送液體入罐量,m3/a;為貯存油品的平均重度,t/m3;T為周轉系數;E為系數.

(2) 浮頂罐和內浮頂罐:

式中:FW為浮頂罐和內浮頂罐大呼吸蒸發排放量, kg/a;為平均輸油量,m3/a;為管壁粘附系數,m3/ 1000m2;為儲存油品的平均重度,t/m3;為儲罐直徑,m.

1.1.2 小呼吸蒸發排放計算公式

(1)拱頂罐:

式中:DS為拱頂罐年蒸發排放量,kg/a;E為系數;為儲罐平均留空高度,m;為日環境溫度變化的平均值,℃;P為涂料系數;為小直徑儲罐的修正系數.

(2)浮頂罐和內浮頂罐:

式中:FS為浮頂罐和內浮頂罐年蒸發排放量,kg/a;為系數;為罐外平均風速,m/s;為與密封有關的風速指數;r為蒸發壓函數;V為油品蒸發平均分子量,kg/mol;S為密封系數;C為油品系數;F為二次密封系數.

1.2 美國環保署推薦公式

美國國家環保署(EPA)出版的Pollutant Emission Factors(AP-42)中的第7章[18]中給出了儲罐VOCs排放的估算程序,列出了較為詳細的推導過程,并根據罐型、排放類型、呼吸類型和儲液種類的不同得出了相應的計算公式.本方法適用于已建石化企業原油、石油產品等揮發性有機液體的儲罐排放.

1.2.1 固定頂儲罐排放量 下列計算式適用于具有垂直圓柱殼體的常壓固定頂儲罐,不能用于估算非穩定或沸騰儲存物以及混合烴或蒸汽壓未知的石化產品排放量.

(2)小呼吸排放量:

式中:S為小呼吸排放量,lb/a;V為蒸汽密度,lb/ft3;V為儲罐氣體空間體積,ft3;E為蒸汽擴散系數,無量綱;S為蒸汽飽和度系數,無量綱.

(3)大呼吸排放量:

式中:W為大呼吸排放量,lb/a;V為儲罐中揮發性有機液體的平均分子量,lb/lb-mole;VA為平均液面溫度下罐內蒸氣壓,psia;為年周轉量,bbl/a;N為周轉系數;為年周轉次數;P為物料系數.

1.2.2 浮頂儲罐計算方法 浮頂儲罐總排放量包括邊緣密封排放量、提取排放量、艙面屬具排放量和浮盤密封排放量.

(2)邊緣密封排放量:

式中:R為邊緣密封排放量,lb/a;RA為靜風邊緣密封排放系數,lb-mole/(ft·a);RB為有風情況下邊緣密封排放系數,lb-mole/[(mph)nft·a];為儲罐所在地的平均風速,mph;為與密封裝置類型相關的風速指數;為儲罐直徑,ft;C為物料系數(原油C=0.4,其他有機液體C=1);P為蒸汽壓函數.

(3)艙面屬具排放量:

式中:F為艙面屬具排放量,lb/a;F為總浮盤裝置排放,lb-mole/a.

(4)浮盤密封排放量:

式中:D為浮盤密封排放量,lb/a;D為單位長度密封條的浮頂板密封排放;D為浮頂板密封長度系數,ft/ft2.

(5)提取排放量:

式中:為儲罐內壁粘附系數,bbl/1000ft2;L為液體平均密度,lb/gal;C為固定頂支柱數量;C為有效支柱直徑(支柱周長/π),ft.

EPA公式使用的單位為美制單位,在計算時需要涉及到單位的換算,換算方法見表1.

表1 公制單位與美制單位換算方法

1.3 中美核算方法優缺點對比分析

EPA推薦公式在計算時考慮到了儲罐類型、排放類型、呼吸類型、氣象條件和儲液種類等因素的影響,計算結果精度較高[19].公式配套的計算軟件TANKS,可運用于油品以外的其他有機液體的蒸發排放計算,使得該方法的適用范圍更加廣泛[20-21];軟件中自帶的數據庫也使得計算過程更為便捷.然而,由于該方法是在美國各石化企業的實測數據基礎上建立的[22],固定頂儲罐計算公式中的蒸汽擴散系數、蒸汽飽和度系數和浮頂罐計算公式中的靜風邊緣密封排放系數、風情況下邊緣密封排放系數、與密封裝置類型相關的風速指數、蒸汽壓函數、浮頂板密封長度系數、儲罐內壁粘附系數等參數的取值對于我國的儲罐VOCs排放核算都存在一定的不適用性.

中石化系統公式是基于我國石化企業生產運行的實際情況,通過嚴謹的理論計算與推導證明,并借鑒了國內外權威計算公式,最終編制而成的儲罐排放核算方法[23],計算結果較為精確.然而,該方法計算過程比較復雜,部分參數取值較難,而且儲罐存儲液體排放因子只包括了汽油和原油兩類,缺少其他原油產品及有機物的相關系數[24],相關部門應進一步開發相應的計算軟件,提高該方法的實用性.

總之,2種方法都具備其優點也有不足之處,但由于EPA公式在美國以外地區使用時存在的局限性,當計算我國儲罐呼吸排放量時,中石化系統公式的核算結果要優于EPA推薦方法.

2 石化企業項目實例研究

以中國某石化項目儲油庫庫區作為研究目標,調研其庫區及儲罐相關信息,并分別運用中石化系統公式及EPA推薦公式對該庫區的儲罐VOCs年排放量進行核算,其中EPA公式的計算結果均轉換成了標準單位.

2.1 罐區基本情況

該儲油庫儲液類型為原油,年周轉量為1′107t/a,庫區包括20個外浮頂儲罐,且該區域近三年平均風速為1.66m/s.原油儲罐高度為21.8m,內徑80m,公稱容積為1×104m3,最高設計液位20.2m,儲存介質溫度為0~50℃,密封類型為液面安裝密封且邊緣有二次密封.

2.2 源強核算

根據儲油庫和儲罐的相關資料,分別用中石化系統公式、EPA推薦公式進行分析計算,兩種方法的公式參數和計算結果見下表2和表3.

對比以上計算結果,中石化系統公式儲罐年排放量核算值為34.34t和EPA公式的計算值為40.91t,中石化公式計算結果較小.由于EPA外浮頂儲罐計算公式中靜風邊緣密封排放系數RA、有風情況下邊緣密封排放系數RB、密封裝置類型相關的風速指數、油品的蒸汽壓函數值P、內壁粘附系數和浮頂板密封長度系數D的取值是美國各石油公司基于美國當地的氣象條件和油品性質通過長期的測試而確定的,用于該項目所得的計算結果將會存在一定誤差,因此,將中石化系統公式計算結果作為最終儲罐VOCs排放的核算結果較為合理.

表2 中石化系統公式參數及計算結果

表3 EPA公式參數及計算結果

3 中美浮頂罐VOCs排放計算公式參數敏感性分析

以上述案例為背景條件,借助EXCEL繪圖軟件和SPSS數據分析軟件,利用繪制圖表、線性擬合和回歸分析等手段研究中石化系統公式和EPA推薦公式在計算外浮頂儲罐時的參數敏感性.

3.1 中石化系統公式參數敏感性分析

粘附系數隨罐壁情況的變化而變化,根據中石化系統公式給出的罐壁粘附系數表,將粘附系數分別設定為0.01, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.05,保持其他參數數值不變,計算出對應的大呼吸排放量,作如下線性擬合圖1.

圖1 粘附系數與大呼吸排放量線性擬合

研究區域的氣象資料顯示,近幾年該區域平均風速為1.66m/s,最低風速為0.55m/s,最高風速為4.84m/s,將風速分別設定為0.55, 1, 1.66, 2, 3, 4, 4.84m/s,得到的風速與小呼吸排放量線性擬合圖2.

根據中石化二次密封系數的取值原則,將二次密封系數分別設定為0.25, 0.3, 0.5, 0.7, 1,對應的小呼吸排放計算結果也隨之改變,其線性擬合圖如下圖3.

圖2 風速與小呼吸排放線性擬合

圖3 二次密封系數與小呼吸排放線性擬合

依據中石化密封相關系數和與密封相關的風速指數取值表,儲罐分為焊接罐和鉚接罐,再根據邊緣密封結構的不同,一共有12種情況,對不同情況進行編號,見表4.

12種情況下,密封系數和風速指數可分別查表取值,小呼吸排放計算結果也隨之變化.由圖4可知,第7種情況對應的小呼吸排放計算結果最大,為7.002t,比上述案例計算值大近350%,第3種情況對應小呼吸排放的最小計算值為0.604t,比案例計算值小61%,因此可初步認為上述2個參數對小呼吸排放計算結果有一定的影響.

表4 儲罐密封結構類型與編號

圖4 不同邊緣密封類型對應的系數及小呼吸排放量

利用SPSS軟件對粘附系數、風速和二次密封系數進行一元線性回歸分析,對密封系數和風速指數進行二元線性回歸分析[25],得到各參數的線性回歸方程,相關系數2和回歸系數統計量值.由表5可知,各回歸方程的相關系數均接近1,說明擬合程度較好[26];粘附系數、風速、二次密封系數、密封系數和風速指數的值均小于顯著性水平0.05,說明這五個參數與排放量有較大的相關性[27].綜上可知,中石化公式在計算外浮頂儲罐呼吸排放量時的敏感參數包括:粘附系數、風速、二次密封系數、密封系數和風速指數.

表5 中石化公式各參數敏感性分析

3.2 EPA推薦公式參數敏感性分析

根據EPA推薦方法給出的內壁粘附系數表,將內壁粘附系數分別設定為0.006、0.01、0.03、0.1、0.3和0.6,以內壁粘附系數為自變量,對應的提取排放量為因變量,作如下線性擬合圖5.

圖5 內壁粘附系數和提取排放量線性擬合

圖6 浮頂板密封長度系數和浮盤密封排放量線性

浮盤構造不同時對應EPA公式中不同的浮頂板密封長度系數,將浮頂板長度系數分別設定為0.8、1、2、3、4和4.8,浮盤密封排放量也隨之變化,得到的線性擬合圖如下圖6.

將研究區域的風速設定為0.55, 1, 1.66, 2, 3, 4, 4.84m/s,7種不同情況下對應不同的邊緣密封排放量,得到如下線性擬合圖7.

圖7 風速和邊緣密封排放量線性擬合

依據表5的儲罐密封結構和編號,在12種密封情況下,EPA計算公式的靜風邊緣密封排放系數RA、有風情況下邊緣密封排放系數RB和風速指數可分別查表取不同的值,對應的邊緣密封排放量也隨之變化,具體數值見圖8,案例對應的邊緣密封排放量計算值最小,其余情況下的邊緣密封排放量比默認值大60%~2700%,因此可初步認為上述3個參數對排放量計算結果有一定的影響.

根據SPSS回歸分析結果,得到EPA公式主要參數的回歸方程及回歸分析系數[28].由表6可知,相關系數2都接近1,擬合程度良好;分析內壁粘附系數、風速、浮頂板密封長度系數、靜風邊緣密封排放系數和有風情況下邊緣密封排放系數值可知,這5個參數與排放量具有顯著相關性;風速指數的值大于0.05,所以該參數與排放量不存在顯著相關性.綜上,利用EPA公式計算外浮頂呼吸排放量時,內壁粘附系數、風速、靜風邊緣密封排放系數、有風情況下邊緣密封排放系數和浮頂板密封長度系數為敏感參數,風速指數為非敏感參數.

圖8 不同密封情況下各參數的取值及邊緣密封排放量

表6 EPA公式各參數敏感性分析

4 結論

4.1 以中國某石化項目為研究對象,中石化公式計算的儲罐年呼吸排放為34.34t,EPA推薦公式計算值為40.91t,鑒于EPA公式在美國以外地區運用時存在的不確定性,建議以中石化計算結果為最終核算值.

4.2 線性擬合及回歸分析結果表明,在計算外浮頂儲罐VOCs排放量時,中石化公式的敏感參數包括:粘附系數、風速、二次密封系數、密封系數和風速指數;EPA公式的敏感參數為內壁粘附系數、風速、靜風邊緣密封排放系數、有風情況下邊緣密封排放系數和浮頂板密封長度系數,風速指數為非敏感參數.在核算過程中,應特別注意敏感參數的取值,從而保證核算結果的準確性;同時,將來在對核算公式進行改進研究時,也應把重點放在各敏感參數的優化設置.

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Study on the sensitivity of parameters of VOCs emission accounting formula for oil tank in China and America.

GONG Huan-zhang1, LI Ji-heng1, ZHAO Jie2, YANG Jing-yi2, WANG Zhan-sheng3, LI Wei1*

(1.Key Laboratory of Resource and Environmental System of the Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China；2.Petro China West Pipeline Company, Urumqi 830013, China；3.Research Institute of Safety and Environmental Technique, China National Petroleum Corporation, Beijing 102206, China)., 2018,38(9)：3298~3304

Sinopec VOCs emission accounting formula and the EPA recommended formula were introduced, and the merits and faults of two methods were compared and analyzed. By the case study of tank emission accounting, the reasons that lead to the different results of the two kinds of method were analyzed, and the result of VOCs emission was determined as 43.43t/a. The method of regression analysis was utilized, and the sensitivity of the main parameters of the Sino-US accounting formula is studied, the2of each parameter fitting equation is close to 1, based on t test p value at a significance level of 0.05, and the following conclusions were obtained: in the calculation of floating roof tank VOCs emission, the sensitive parameters of Sinopec formula include adhesion coefficient, wind speed, secondary seal coefficient, seal coefficient and wind speed index; and the sensitive parameters of EPA formula were inner surface adhesion coefficient, wind speed, no edge sealing discharge coefficient, wind edge sealing emission coefficient and the floating roof sealing length coefficient, while the wind speed index was non-sensitive parameter.

oil tank；VOCs emission；accounting formula；parameter sensitivity

X511

A

1000-6923(2018)09-3298-07

龔奐彰(1995-),男,江西瑞金人,華北電力大學碩士研究生,主要從事大氣污染及其控制研究.

2018-01-10

國家自然科學基金面上項目資助(61471171)

* 責任作者, 教授, ghz54@sina.com