固定頂儲罐油品蒸發(fā)損耗影響因素分析

董 瑞

(中石化安全工程研究院有限公司，山東 青島 266104)

石油產品本質上都是混合物，其中的輕烴組分極易揮發(fā)，在油品生產、儲存和輸轉過程中，部分液態(tài)烴組分會汽化并逸散到環(huán)境中，產生損耗。油品的蒸發(fā)損耗屬于自然損耗，一定數量的損耗是合理的。由于過程緩慢且持續(xù)，油品的蒸發(fā)損耗量常常被計量誤差掩蓋，不易引起人們注意。但是，蒸發(fā)損耗的累積量是十分驚人的，其中，油品儲存過程中產生的損耗是石化企業(yè)VOCs排放的重要組成部分，約占總排放量的29%[1]。以我國2019年原油產量1.91億噸計算，儲運過程的蒸發(fā)損耗量在200萬噸以上，經濟損失達數十億元。

當前，我國使用中的鋼質儲罐多為固定頂罐和浮頂罐。固定頂儲罐具有節(jié)約材料、投資小、配件少的優(yōu)點，同時能夠應對惡劣的環(huán)境條件，但在相同量級及存儲條件下，固定頂罐的VOCs排放量要遠遠超過浮頂罐。因此，本文以固定頂儲罐為研究對象，敘述了其蒸發(fā)損耗類型、損耗過程及影響因素，提出有效的降耗措施。

1 固定頂儲罐蒸發(fā)損耗類型

固定頂儲罐油品的蒸發(fā)損耗主要分為三種類型：小呼吸損耗、大呼吸損耗以及自然通風損耗。

1.1 小呼吸損耗

儲罐的小呼吸損耗是指罐內油品處于靜止狀態(tài)下，受晝夜溫度變化引起的損耗，也稱為靜置損耗。其具體過程為：日出后，太陽輻射強度增強，環(huán)境溫度上升，罐內氣體空間及油品溫度隨之上升，油品蒸發(fā)速度加快，氣體空間體積膨脹，混合氣體壓力升高，當混合氣體壓力大于呼吸閥壓力與大氣壓之和時，呼吸閥被頂開，混合氣體逸出至罐外，吸氣過程與呼出過程相反。小呼吸的呼氣持續(xù)時間較吸氣時間長，呼氣一般發(fā)生在日出后的2 h內，到正午后結束，吸氣多發(fā)生在每日氣溫急劇下降的一段時間，即日落前后的幾個小時內[2]，儲罐的“呼氣”和“吸氣”過程是在規(guī)律性進行。

1.2 大呼吸損耗

大呼吸損耗是儲罐進行收發(fā)油作業(yè)時產生的損耗，也稱為工作損耗，是儲液高度的顯著變化引起的。儲罐收油時，油品發(fā)生對流、撞擊罐底及罐壁，高速運動的氣體分子和低速油品液體撞擊，對流撞擊時產生能量交換，低速油品獲得能量后從液態(tài)中逸出，由液相進入氣相，氣體空間壓力變大，同時液面上升導致氣體空間減小，油氣被壓縮，壓力進一步升高，當罐內混合氣體壓力超過呼吸閥的壓力設定時，壓力閥盤被頂起，將混合氣體排出；儲罐發(fā)油時，液面下降，氣體空間增大，油氣濃度降低，罐內氣體壓力減小，當混合氣壓力小于呼吸閥的真空設定時，真空閥盤自動打開，將外界空氣吸入罐內。

1.3 自然通風損耗

自然通風損耗是由于儲罐破損或腐蝕，在罐頂不同高度處出現孔隙，因混合氣體密度比空氣大，導致罐內油氣通過低處孔隙流到罐外，外界空氣由高處孔隙流入罐頂氣體空間，如此連續(xù)不斷的對流，導致的油品損耗。若罐頂不同高度處出現多個孔隙，當孔隙間高度差為0.5 m，孔隙面積1 cm2，罐頂油氣濃度為5%時，每晝夜自然通風損耗約為16 kg，在有風條件下，儲罐四周壓力分布不均，自然通風損耗加劇[2]。

研究表明[2-5]，儲罐油品蒸發(fā)損耗主要發(fā)生在小呼吸和大呼吸過程中，自然通風損耗一般發(fā)生在容器破損、罐頂和罐體腐蝕穿孔或焊縫有砂眼以及呼吸閥閥盤、量油孔、透光孔等未蓋嚴等情況下，與大小呼吸相比，自然通風損耗量較小。對于一般儲罐，只要加強設備管理，及時檢查維修，自然通風損耗是可以避免的。

2 固定頂儲罐蒸發(fā)損耗影響因素分析

2.1 小呼吸損耗影響因素

(1)溫度。溫度是物質分子平均平動動能大小的宏觀表現，溫度升高使油品蒸發(fā)速度加快，油品中液態(tài)輕烴分子的平均平動動能增大，克服表層分子引力進入氣相的分子數增多，同時也使氣體空間中油氣分子平均平動動能增加，混合氣體的壓力增大，呼出罐外的油氣增多[6]。溫度與油品飽和蒸氣壓成正比關系，溫度越高，油品飽和蒸氣壓越大，在不同溫度下對4種油品的蒸發(fā)量進行測試，儲存溫度由80 ℃降到30 ℃，降耗率約為70%[7]。環(huán)境溫度、油品溫度高或晝夜溫差大，都會使小呼吸損耗增加。實驗顯示，我國北方地區(qū)汽油儲罐小呼吸年損耗率約為0.70%，南方地區(qū)約為0.79%[8]；以3000 m3儲罐為實驗對象，在相同液面高度和外界溫度條件下，油溫為52 ℃和56 ℃時，呼氣速度分別為1.50 m/s及2.88 m/s[9]；一般認為，小呼吸僅占固定頂儲罐蒸發(fā)損耗量的10%[10-11]，但在新疆地區(qū)，晝夜溫差變化大，小呼吸損耗是油品損耗的主要原因，對塔里木一儲罐群進行測試，測得小呼吸占蒸發(fā)損耗的近90%[12]。

(2)油品存儲周期。儲罐存儲油品的周期越長，罐內油氣濃度越大，小呼吸損耗隨之增加。通過對固定頂儲罐不同儲存時間下的罐頂油氣濃度進行取樣分析，得出油品靜置儲存24 h和72 h后，罐頂氣體空間平均濃度由0.62 kg/m3升高為1.26 kg/m3，隨儲存時間增加，罐頂氣體空間油氣濃度分布趨于均勻，各高度油氣濃度梯度減小，平均濃度升高[13]。

(3)儲罐尺寸。一般來說，儲罐越大，敞口面(蒸發(fā)面積)越大，小呼吸損耗就越大，油品蒸發(fā)速率與蒸發(fā)面積成正比關系。但儲存相同數量油品時，盡量使用大罐，使用多個小罐會使蒸發(fā)面積增大，損耗增加。如使用設計能力為1200 m3和400 m3的儲罐儲存1000 m3汽油，后者蒸發(fā)損耗是前者的 1.52倍[14]。

(4)太陽輻射。太陽輻射是影響罐頂氣體空間溫度梯度分布和溫度場變化的關鍵因素，儲罐小呼吸與太陽輻射線性相關。白天隨陽光照射，太陽輻射熱量的80%由罐頂傳入罐內[14]，油氣被迅速加熱，同時熱量通過氣體空間傳遞到油品表面，使液面溫度升高，形成指向油品的由高到低的溫度梯度。太陽輻射增加，小呼吸損耗逐漸增大，油品蒸發(fā)速度加快，損耗增加[15-16]。

(5)罐漆顏色。儲罐外層涂料對罐內溫度有很大影響，對 4個50 m3的銀灰色、綠色、天藍色及黑色臥式罐測溫，測得罐內溫度分別為11，14.7，20.3，30 ℃，使用上述4個儲罐裝滿汽油儲存一年后，其呼吸損耗分別為460，550，590， 680 kg，其中銀灰色儲罐損耗率為1.3%，黑色油罐的損耗率為1.9%[14]。

(6)油品性質。在同樣的溫度條件下，油品組分中碳原子數小于8的輕烴含量越多，沸點越低，蒸發(fā)損耗就越大。例如，使用固定頂儲罐分別儲存汽油、煤油和柴油時，汽油的小呼吸損耗是煤油及柴油的10倍[13]。

其中，油品性質和溫度是影響固定頂儲罐小呼吸損耗的主要因素。

2.2 大呼吸損耗影響因素

(1)油品性質。油品性質決定了大呼吸損耗量的多少。油品密度越小，輕烴組分越多，越容易揮發(fā)；油品沸點低，飽和蒸氣壓就低，氣化能力就越強，損耗越多。

(2)收發(fā)油速度。收油時，油品液面擾動劇烈，若收油流量小，導致操作時間增加，使油品大量蒸發(fā)，呼吸損耗增大；發(fā)油時，如果流量過大，罐頂氣體空間濃度急劇下降，使回逆呼氣損失大大增加[17]。

(3)儲罐周轉次數和時間間隔。儲罐收發(fā)油次數越多，罐頂油氣空間體積及濃度改變越頻繁，其大呼吸損耗量就越大；收發(fā)油時間間隔時間長，罐頂氣體空間濃度變化幅度大，呼吸損耗增加。

(4)輸油口高度及儲罐初始油氣濃度。收發(fā)油過程中，輸油口越高，油品損耗越大，隨裝油速度增大，高輸油口損耗率最大為0.34%，低輸油口為0.025%；增大儲罐初始油氣濃度，高中低輸油口損耗率分別為0.44%、0.21%和0.043%[18-20]。

此外，儲罐所處的地理位置、氣象條件及管理水平也會影響其蒸發(fā)損耗[21-23]。

在影響固定頂儲罐大呼吸損耗的所有因素中，油品性質和儲罐周轉次數是主要影響因素。

3 降低固定頂儲罐油品損耗的措施

3.1 合理選擇罐型

做好儲罐選型及設計是從源頭控制油品損耗，降低VOCs排放的關鍵措施，應根據儲存物料的真實蒸氣壓等理化性質進行合理選擇。使用浮頂罐儲存時，應采用全接液式浮盤及高效密封形式；使用固定頂罐儲存時，排放廢氣應進行密閉收集處理或其他等效措施，此外，企業(yè)也可使用壓力罐、浮頂罐替代固定頂儲罐。

3.2 選用防腐淺色罐漆或陽光反射涂料

罐壁使用白色或灰鋁等淺色涂料，能減少太陽輻射，有效控制罐內溫度變化；此外，由于儲罐長期處于露天環(huán)境，防腐涂料能防止日曬雨淋對罐體的影響；使用陽光反射涂料，能有效反射太陽輻射，降低儲罐溫度，減小損耗。由于罐頂是儲罐傳熱的主要途徑，是造成罐內油氣空間溫度梯度的主要影響因素，故為了節(jié)約成本，降低損耗，可以選擇在罐頂使用高效太陽反射涂料以此來阻擋絕大部分的熱量輸入。

3.3 采取隔熱措施

對儲罐采取各種隔熱措施，能顯著降低小呼吸損耗，如在罐頂或罐壁外側安裝隔熱板，其與儲罐之間形成的空氣夾層使油品和罐壁溫度保持恒定，從而降低儲罐氣體空間的溫度及其變化幅度，對單罐大于2000 m3，小于等于5000 m3的中型儲罐進行實測，小呼吸損耗降低50%。

3.4 改進儲罐承壓性能

適當提高儲罐承壓性能，不僅能完全消除小呼吸損耗，也能使大呼吸損耗有所下降。儲罐承壓性能越好，氣體空間壓強越高，蒸發(fā)速率越小；儲罐承壓能力較低，罐頂混合氣體在較短時間就能達到呼吸閥的開啟壓力，增加呼吸閥的開啟頻率，油品蒸發(fā)速度加快，損耗增加。相關資料表明，儲罐承壓為 5 kPa時，大呼吸損耗降為原來的75%，承壓達到26 kPa時，小呼吸損耗可忽略不計，同時大大減少大呼吸損耗。目前廣泛使用的固定頂罐承壓能力為2 kPa，通過適當改造可大大增強其承壓性能，大容積罐可提高至10～20 kPa，小容積罐可提高到30～40 kPa。

3.5 合理安排儲罐使用及輸油管理

儲罐周轉量和周轉次數是影響大呼吸損耗的主要因素，可利用呼吸損耗規(guī)律進行儲存管理和收發(fā)油作業(yè)。盡量保持高液位儲存，減少罐頂氣體空間體積，科學調度儲罐，減少倒罐次數和中間環(huán)節(jié)；儲存相同數量的油品時，盡量使用大罐；選擇適宜的收發(fā)油時間，在降溫時收油，溫升時發(fā)油；控制收發(fā)油速度，快速收油，縮短操作時間，使油品來不及大量蒸發(fā)而減少呼吸損耗，緩慢發(fā)油，氣體空間油氣濃度下降減緩，以減少回逆回逆呼氣損失，發(fā)油后盡快安排收油，縮短周轉時間間隔。另外，由于清晨和傍晚儲罐內外壓差最小，故可選擇該時段進行取樣或人工檢尺作業(yè)時，降低油氣損耗量。

3.6 選用有效的油氣回收技術

油氣回收技術是控制油氣排放，提高能源利用率，減小經濟損失的有效措施，應結合安全環(huán)保及油品儲罐管理要求合理選用。目前國內外油氣回收技術主要有冷凝法、吸收法、吸附法、膜分離法及多種方法的組合技術，可根據處理介質、工作參數、處理量、占地、價格及管理維護復雜程度等選擇單一或集成的油氣回收方法。

4 結 論

油品損耗與企業(yè)效益，社會效益及環(huán)境效益直接相關，油品儲存和輸轉過程中的損耗量十分可觀，針對固定頂儲罐的蒸發(fā)損耗，分析了損耗的類型及其影響因素，為了加強油品管理，節(jié)能降耗，可根據儲存物料合理選擇罐型，選用防腐淺色罐漆或陽光反射涂料，并采取有效的隔熱措施，同時改進儲罐承壓性能，合理安排儲罐使用及輸油管理，采用氣相平衡系統(tǒng)，選擇有效的油氣回收技術等，根據企業(yè)需要選擇科學有效的降耗措施，提高油品利用率，對固定頂儲罐進行全過程控制，實現企業(yè)的安全、健康、可持續(xù)發(fā)展。