礦場集輸原油處理過程VOCs排放量計算

劉洋， 王北福， 周靖也， 張明強

（浙江海洋大學，浙江 舟山316022）

0 引 言

礦場油氣集輸技術領域內主要包括油氣分離、原油脫水、天然氣凈化、輕烴回收等工藝[1-2]。特別是在井口開采和運輸過程中，出礦的原油中較輕的烴組分不穩定，極易揮發到大氣中，會造成極大的油氣損耗[3-5]。揮發的組分中含量最多為甲烷，其次是乙烷、丙烷和丁烷，它們被歸類為揮發性有機化合物(VOCs)[6-8]。石油化工中礦場集輸處理原油過程中VOCs排放是石化行業重要的VOCs排放源之一[9-11]。這些排放的揮發性有機化合物大多具有毒性、致突變性和致癌性，嚴重威脅著生態環境和人類身體健康[12-14]。準確預測礦場集輸過程中處理原油時的VOCs排放量，對石油化工行業的節能減排具有重要意義。

美國環保署開發TANK4.0.9模型, 主要用于計算固定頂罐、外浮頂罐、圓形外浮頂罐、臥式罐及內浮頂罐五大類儲罐的呼吸排放量[15-16]。其缺點是基于閃蒸計算出的模型，并不適用于一些低揮發性的原油。

在原油處理過程中，揮發性有機化合物在原油中的溶解度會受加熱爐的溫度和壓力變化影響[17]。李傳憲等[18]研究表明：原油壓力越大，氣體密度越大，氣體越容易溶解在原油中，揮發性有機化合物溶解度也就越大；隨著溫度的升高，溶解度逐漸減小。根據礦場集輸處理原油過程中周邊環境溫度和壓力變化導致的溶解度變化的關系，提出一個預測處理原油中VOCs年排放量的模型。該模型適用于中-重型原油處理過程VOCs揮發量計算。假設排放VOCs中只存在甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷組分。

1 模型建立

研究的目的是更加精確地模擬出的處理原油時的VOCs排放量。其方法是按照單個組分來計算，采用API重度和蒸餾曲線，來估算出利用加熱爐處理原油時揮發出來的單個組分的氣體溶解度及總溶解度。

建立的溶解度模型如下：

式中：V為最終排放量，m3；Q為規定時間段內的產油量，m3（在規定時間段t內）；Rs為超臨界氣體溶解度的總和。下標含義參考下列條件：s0為儲罐壓力和溫度條件；sin為加熱爐加熱和壓力條件下。

公式意義為：在處理原油過程中，由于條件不同，處理前后原油的溶解度發生變化而產生的排放。在進行全年計算時，模型方程為

在Prausnitz和Shair[19]的工作之上，使用規則溶液理論預測原油中蒸發的每個組分的溶解度Rs的模型。初始狀態下氣體的逸度參數等于揮發性有機化合物各氣體分數和系統總壓強的乘積[20]。對于氣體中的每個組分的溶解度需單獨進行計算，因此，其各個組分的溶解度最終表達式為

最后，將C1-C5各個組分的RSi相加，即可得到總溶解度。概念和公式是提出模型的基礎，本模型具體的變量計算公式見表1，計算排放量所需變量的關系如圖1所示。

表1 變量的表達公式

圖1 計算排放量所需變量關系圖

2 計算及結果分析

油田的現場條件：加熱爐溫度設置為50 ℃，壓力為241 kPa；儲罐溫度預設為55.6 ℃，壓力為1.013×105Pa；處理量為5.471 m3/h。

圖2為油田中4個地點的原油蒸餾曲線分析的平均結果圖。根據GB/T 6536-2010《石油產品常壓蒸餾特性測定法》繪制蒸餾曲線。經對比，所選區域中4個地點的樣品檢測偏差結果都低于10%，而在所選指定的區域樣品檢測結果偏差甚至更小。因此可以得出，在每個所選指定區域內的原油特性幾乎沒有差異。

圖2 蒸餾曲線分析的平均結果圖

利用國家標準《SN/T 4432-2016原油和液態石油產品的密度、相對密度和API重度測定 溫度比重計法》，在每個地點的儲罐的中間取一定量的原油樣品，蒸餾后利用比重計進行API重度分析，結果見表2。

表2 API重度平均結果

利用蒸餾曲線和API重度計算出在礦場集輸過程中的VOCs的排放量，即為其在加熱爐條件下的溶解度和在儲罐中的溶解度之差乘以一年的原油產量，計算結果見表3。計算出的溶解度及年排放量數據表明僅利用API重度和蒸餾曲線計算溶解度的可行性。且模擬出的溶解度結果和現場收集到的溶解度數據結果相似。

表3 模擬計算出的溶解度結果

3 結 論

利用API重度和蒸餾曲線對原油中的各組分的溶解度變換量進行求和，可以建立出一種預測排放量的模型。結果顯示出利用該模型模擬出的溶解度結果和收集到的現場數據所得到的溶解度相似。由于所選地點油品特征符合模擬范圍，因此監測的地點很適合我們進一步研究及模型的擬建。

在監測API重度度數時，監測地點的原油特征并未有明顯差異，蒸餾曲線的餾點分布在檢測指定區域的樣品之間呈現很小的波動。

在之后的研究中，可以將這些地點更具體的溫度和壓力變化值與模型計算聯系起來，更加完善和細化該預測模型，以便對每個油罐每年的VOCs排放量做出更加精準的估算。