段超越 孫文杰 劉 明 潘 峰,2 仝紀(jì)龍,2

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中心，甘肅 蘭州 730000)

油品裝車棧橋區(qū)域揮發(fā)性有機(jī)物治理方案研究

段超越1孫文杰1劉 明1潘 峰1,2仝紀(jì)龍1,2

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中心，甘肅 蘭州 730000)

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是石化行業(yè)的特征污染物，油品裝車棧橋的VOCs無組織揮發(fā)是石化企業(yè)重要的VOCs排放源，因此對(duì)大型石化企業(yè)油品裝車棧橋區(qū)域的VOCs進(jìn)行治理減排具有十分重要的意義。以西北某石化公司油品裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)治理項(xiàng)目為例，通過源強(qiáng)核算、削減方案確定，利用AERMOD模式對(duì)棧橋區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量改善情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，進(jìn)而對(duì)VOCs治理方案的環(huán)境收益進(jìn)行討論，以期為同類油品裝車棧橋改造項(xiàng)目提供借鑒與參考。

揮發(fā)性有機(jī)物 油氣回收設(shè)備 無組織排放 環(huán)境質(zhì)量AERMOD模式

在大型石化企業(yè)中，油品一般由罐區(qū)經(jīng)棧橋通過裝油鶴管裝入罐車，棧橋式裝車系統(tǒng)相對(duì)落后，油品傳輸過程中流速較高、壓力較大，使油品發(fā)生劇烈沖擊、噴濺、攪動(dòng)，造成大量油氣逸出損耗，從而造成經(jīng)濟(jì)損失，威脅生產(chǎn)安全，同時(shí)污染環(huán)境[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)汽油的表觀消費(fèi)量約為1.0×108t，僅在汽油裝卸過程中的損失就達(dá)到30×104t，總價(jià)值超過10億元[2]。可見，油品裝車揮發(fā)帶來的環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失不容小覷。

本研究以西北某石化公司油品裝卸區(qū)裝車棧橋區(qū)域的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)治理為例，通過源強(qiáng)確定、油氣回收方案比選確定，利用AERMOD模式預(yù)測(cè)治理前后周圍環(huán)境污染物濃度變化，定量說明治理方案對(duì)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的改善，以期為同類VOCs治理項(xiàng)目提供借鑒和參考。

1 實(shí)例分析

1.1 VOCs無組織揮發(fā)源強(qiáng)核算

目前對(duì)無組織大氣污染源強(qiáng)的確定方法有物料衡算法、估算法、類比法、實(shí)測(cè)法等，其中估算法的局限在于難以將污染源強(qiáng)與工藝、設(shè)備、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行效果及管理水平等因素聯(lián)系在一起，查詢損耗率時(shí)對(duì)儲(chǔ)罐的型號(hào)和類型分類籠統(tǒng)[3]，但該方法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，而本研究涉及的油品裝車棧橋區(qū)域工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，不涉及儲(chǔ)罐，因此估算法對(duì)此類區(qū)域的無組織污染源強(qiáng)計(jì)算有較好的適用性。

在此，本研究選擇《散裝液態(tài)石油產(chǎn)品損耗》(GB 11085—89)中推薦的估算法確定油品裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)污染源強(qiáng)[4]，其計(jì)算公式為：

污染源強(qiáng)=車輛(船舶)裝車量×損耗率÷裝卸時(shí)間

(1)

表1 裝車(船)損耗率

注：1)A類地區(qū)包括江西、福建、海南、廣東、云南、四川、湖南、貴州臺(tái)灣省和廣西壯族自治區(qū)；B類地區(qū)包括河北、山西、陜西、廣東、江蘇、浙江、安徽、河南、湖北、甘肅、寧夏回族自治區(qū)、北京、天津、上海；C類地區(qū)包括遼寧、吉林、黑龍江、青海、內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)。

表2 裝車(船)損耗率及污染源強(qiáng)

在本案例中，該石化公司油品裝卸區(qū)中共有159號(hào)、160號(hào)、161號(hào)、163號(hào)共4座裝車棧橋，將其視為4個(gè)污染面源，鑒于油品裝車棧橋所排放的VOCs主要為非甲烷總烴(NMHC)，因此本研究預(yù)測(cè)因子選定為NMHC，以2013年4座油品裝車棧橋的實(shí)際裝車量計(jì)算4座裝車棧橋NMHC無組織揮發(fā)源強(qiáng)。

根據(jù)GB 11085—89，鐵路罐車汽油裝卸損耗率及其他油品裝卸損耗率見表1。由于本案例地處甘肅，屬B類地區(qū)，裝車形式為鐵路火車槽車，根據(jù)表1，汽油裝車損耗率為0.13%，其他油品損耗率為0.01%，以油品裝車棧橋全年運(yùn)行365 d，平均每天工作8 h計(jì)，則4座裝車棧橋NMHC源強(qiáng)計(jì)算結(jié)果見表2。

1.2 油品裝車棧橋區(qū)域VOCs無組織揮發(fā)的環(huán)境影響分析

大型煉化企業(yè)一般包含油品裝卸區(qū)、油品儲(chǔ)存區(qū)及作業(yè)區(qū)等，在油品裝卸、儲(chǔ)存、生產(chǎn)加工的過程中都會(huì)有組織或無組織地向環(huán)境空氣排放VOCs，因此大型煉化企業(yè)對(duì)周圍環(huán)境影響較為復(fù)雜，無法用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值來說明裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)對(duì)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的影響。在此，本研究用AERMOD模式預(yù)測(cè)油品裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)對(duì)周圍環(huán)境質(zhì)量的影響。AERMOD模式是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署聯(lián)合美國(guó)氣象學(xué)會(huì)組建的法定模型改善委員會(huì)(AERMIC)開發(fā)的新一代穩(wěn)態(tài)大氣擴(kuò)散模式[5]，可用于多種排放源(包括點(diǎn)源、面源和體源)及多種排放擴(kuò)散情形(地面源和高架源等)的模擬和預(yù)測(cè)[6]，同時(shí)也是《大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》中推薦的預(yù)測(cè)模式[7]。

1.2.1 模型參數(shù)設(shè)定

AERMOD模式需要設(shè)定的參數(shù)有源強(qiáng)參數(shù)、地面氣象數(shù)據(jù)、高空氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、關(guān)心點(diǎn)設(shè)定等。其中4座裝車棧橋的源強(qiáng)參數(shù)見表2；地面氣象數(shù)據(jù)采用距離石化公司最近的蘭州氣象站2012年全年逐日逐次氣象數(shù)據(jù)，該氣象站距石化公司小于50 km，數(shù)據(jù)代表性良好；由于蘭州氣象站無高空氣象數(shù)據(jù)，高空氣象數(shù)據(jù)采用項(xiàng)目周邊約54 km的榆中氣象站，距離大于《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定的50 km，但兩地地理特征相似，數(shù)據(jù)同樣有較好的代表性；地形數(shù)據(jù)采用http://srtm.csi.cgiar.org網(wǎng)站提供的全球地形數(shù)據(jù)。本研究在油品裝卸區(qū)廠界選定6個(gè)關(guān)心點(diǎn)(記為廠界1～廠界6)，同時(shí)另選取距離油品裝卸區(qū)較近(1 km內(nèi))的3處環(huán)境敏感點(diǎn)(李家莊、五灘莊、桃園村)作為預(yù)測(cè)的關(guān)心點(diǎn)，各關(guān)心點(diǎn)與油品裝卸區(qū)的相對(duì)位置見圖1。

1.2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

通過AERMOD模式預(yù)測(cè)油品裝車棧橋工作時(shí)各關(guān)心點(diǎn)的NMHC小時(shí)平均濃度。依據(jù)《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 31570—2015)，廠界NMHC無組織排放限值為4 mg/m3[8]，參考《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)詳解》[9]，敏感點(diǎn)處NMHC的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值為2 mg/m3，則各點(diǎn)位NMHC預(yù)測(cè)值及占標(biāo)率見表3。

圖1 各關(guān)心點(diǎn)與油品裝卸區(qū)域相對(duì)位置關(guān)系Fig.1 The relative location between each environmental concerned points and the loading area

表3 各點(diǎn)位NMHC預(yù)測(cè)值及占標(biāo)率

由表3可見，廠界6個(gè)關(guān)心點(diǎn)的NMHC預(yù)測(cè)值分別為27.27、24.56、25.47、17.45、26.42、27.27 mg/m3，超出GB 31570—2015提出的企業(yè)邊界NMHC排放限值要求，其占標(biāo)率分別為681.75%、614.00%、636.75%、436.25%、660.50%、681.75%；李家莊、五灘莊、桃園村的NMHC預(yù)測(cè)值分別為16.52、13.32、15.27 mg/m3，也遠(yuǎn)超出敏感點(diǎn)NMHC環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，其占標(biāo)率分別為826.00%、666.00%、763.50%?？梢?，該石化公司油品裝車棧橋的NMHC無組織揮發(fā)將影響企業(yè)工作

人員及周邊環(huán)境敏感點(diǎn)居民的健康，同時(shí)威脅生產(chǎn)安全。從環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)角度分析，對(duì)裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)進(jìn)行治理十分必要。

1.3 VOCs治理方案

1.3.1 裝車棧橋現(xiàn)狀調(diào)查

經(jīng)調(diào)查，該石化公司4座油品裝車棧橋均未設(shè)油氣回收設(shè)備，其具體現(xiàn)狀如下：159號(hào)棧橋兩端有2套200WHS-QB型大鶴管，裝車鶴管有橡膠密封蓋，負(fù)責(zé)原油裝車；160號(hào)棧橋采用五聯(lián)動(dòng)液壓小鶴管對(duì)93#車用汽油、3#噴氣燃料(航空煤油)等產(chǎn)品進(jìn)行裝車，裝車鶴管有橡膠密封蓋；161號(hào)棧橋采用套筒式小鶴管，用麻繩吊掛鋁制套筒進(jìn)行噴濺式裝車，擔(dān)負(fù)0#、-10#、-20#車用柴油及3#噴氣燃料(航空煤油)的鐵路火車槽車裝車出廠任務(wù)；163號(hào)棧橋用鐵絲吊掛鋁制套筒作為裝車鶴管進(jìn)行噴濺式裝車，火車裝車鶴管無密閉蓋板，裝車產(chǎn)品繁多，主要有石油苯、甲苯等。各裝車棧橋工藝落后，裝車設(shè)備老化，無法實(shí)現(xiàn)密閉裝車，造成裝車產(chǎn)品揮發(fā)損耗嚴(yán)重。

1.3.2 油氣回收技術(shù)

油氣回收技術(shù)以是否破壞物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)分為回收型和破壞型兩種?；厥招桶ɡ淠ā⑽辗?、吸附法、膜分離法等；破壞型包括燃燒法、催化法、等離子法和生物法[10]。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用范圍不同。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，可根據(jù)油氣的成分、濃度、處理氣量、排放要求、運(yùn)行成本和投資規(guī)模的不同而選擇不同的回收處理技術(shù)，一般優(yōu)先選擇回收型技術(shù)方法。4種常用的回收型油氣回收技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析見表4[11-13]。

根據(jù)石化公司油品裝車棧橋的實(shí)際情況，活性炭干式吸附法和膜分離法對(duì)該項(xiàng)目的油氣回收有較強(qiáng)的適用性。目前油氣回收設(shè)備均為多種技術(shù)方法的組合，單一的技術(shù)方法很難做到穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行；針對(duì)159號(hào)、160號(hào)、161號(hào)、163號(hào)棧橋裝卸油品的特點(diǎn)，對(duì)各個(gè)棧橋油氣回收技術(shù)方法進(jìn)行優(yōu)化。

表4 油氣回收技術(shù)對(duì)比

圖3 160、161號(hào)棧橋油氣回收裝置工藝流程Fig.3 Process of oil-gas recovery device for number 160，161 loading trestle

圖4 163號(hào)棧橋油氣回收裝置工藝流程Fig.4 Process of oil-gas recovery device for number 163 loading trestle

(1) 159號(hào)棧橋

159號(hào)棧橋裝卸原油，鑒于原油揮發(fā)油氣中含硫高、含膠質(zhì)等，為防止造成活性炭中毒和堵塞，采用柴油或煤油對(duì)油氣進(jìn)行預(yù)吸收，清除部分有機(jī)物、膠質(zhì)物等，液體輸送至原油罐，氣體進(jìn)入堿液洗滌工序，脫除油氣中的硫組分，隨后經(jīng)過活性炭吸附和吸收工序，利用活性碳吸附油氣中的石油組分，再通過真空泵減壓解吸，將解吸中得到的高濃度油氣送往柴油或煤油吸收塔用成品油吸收，吸收后液體進(jìn)入儲(chǔ)罐，工藝流程見圖2。

(2) 160號(hào)、161號(hào)棧橋

160號(hào)、161號(hào)棧橋裝卸油品均為汽油、煤油等輕質(zhì)油品，可借鑒國(guó)內(nèi)外較為成熟的工藝，采用活性炭吸附—汽油吸收油氣中的石油組分，再通過真空泵減壓解吸，將解吸中得到的高濃度油氣送往汽油吸收塔用成品油吸收烴類，汽油吸收液直接輸送至儲(chǔ)罐，工藝流程見圖3。

(3) 163號(hào)棧橋

163號(hào)棧橋裝卸油品種類繁多，組分復(fù)雜，其中苯、甲苯、二甲苯(三苯)易使活性炭失活，縮短活性炭使用壽命，故163號(hào)棧橋采用煤油預(yù)吸收—膜處理工藝處理。為防止造成膜分離處理負(fù)荷，先采用煤油對(duì)三苯油氣進(jìn)行預(yù)吸收，清除大量有機(jī)物，液體輸送至原油儲(chǔ)罐。清除大量有機(jī)物后三苯揮發(fā)油氣則再次膜分離處理，選擇某種只讓有機(jī)氣體組分穿過而不讓空氣組分穿過，且在微壓下也能有較大透過量的薄膜。經(jīng)過膜分離處理工序，膜分離器中滲透氣富含有機(jī)組分氣體返回煤油吸收塔用成品油吸收。吸收烴類，回收液體進(jìn)入原油罐，工藝流程見圖4。

對(duì)比不同回收型油氣治理技術(shù)方法，同時(shí)結(jié)合各棧橋的實(shí)際情況，確定該石化公司油氣回收技術(shù)方案見表5。

表5 油氣回收技術(shù)方案

2 油氣回收方案環(huán)境收益

2.1 實(shí)施治理方案后源強(qiáng)核算

依據(jù)表5的油氣回收技術(shù)方案，加設(shè)油氣回收設(shè)備后，裝車棧橋的NMHC無組織揮發(fā)源強(qiáng)預(yù)測(cè)結(jié)果見表6。

2.2 治理方案環(huán)境收益分析

在AERMOD模式中輸入新源強(qiáng)，其余參數(shù)不變，得到各關(guān)心點(diǎn)的NMHC預(yù)測(cè)值、削減率及占標(biāo)率，結(jié)果見表7。

表6 加設(shè)油氣回收設(shè)備后的源強(qiáng)預(yù)測(cè)

表7 各關(guān)心點(diǎn)位NMHC預(yù)測(cè)值、削減率及占標(biāo)率

由表7可見，廠界6個(gè)關(guān)心點(diǎn)的NMHC預(yù)測(cè)值分別為1.35、1.22、1.26、0.85、1.31、1.35 mg/m3，均達(dá)到GB 31570—2015對(duì)廠界NMHC排放限值要求，占標(biāo)率分別為33.75%、30.5%、31.5%、21.25%、32.75%、33.75%；李家莊、五灘莊、桃園村的NMHC預(yù)測(cè)值分別為0.81、0.66、0.76 mg/m3，滿足《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)詳解》中敏感點(diǎn)NMHC的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，占標(biāo)率在分別為40.50%、33.00%、38.00%。

經(jīng)核算，廠界6個(gè)關(guān)心點(diǎn)的NMHC削減率分別為95.05%、95.03%、95.05%、95.13%、95.04%、95.05%，李家莊、五灘莊、桃園村的NMHC削減率分別為95.10%、95.05%、95.02%，可見9個(gè)關(guān)心點(diǎn)NMHC的削減率均在95%左右，這是因?yàn)槠偷膿]發(fā)率遠(yuǎn)大于其他油品，因此裝卸汽油的160號(hào)棧橋?yàn)橹饕盼勖嬖?，其油氣回收設(shè)備回收率為95%，AERMOD模式中，除了面源源強(qiáng)其他參數(shù)均未發(fā)生變化，因此最終預(yù)測(cè)結(jié)果NMHC削減率也在95%左右。

利用AERMOD模式進(jìn)行預(yù)測(cè)分析時(shí)，采用的是2012年全年逐日逐次氣象數(shù)據(jù)，獲得的NMHC預(yù)測(cè)值代表了關(guān)心點(diǎn)處全年極端氣象條件下污染物達(dá)到的最大濃度。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，廠界6個(gè)關(guān)心點(diǎn)及3個(gè)環(huán)境敏感點(diǎn)的NMHC最大值均能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比加設(shè)油氣回收設(shè)備前，油氣回收設(shè)備對(duì)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善較為明顯，環(huán)境收益較大。

3 結(jié) 論

石油化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中會(huì)排放出復(fù)雜的有毒、有害污染物，對(duì)周圍大氣環(huán)境產(chǎn)生明顯影響，危害程度較大。如何有效治理石油化工企業(yè)VOCs有組織和無組織排放已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究根據(jù)西北某石化公司裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)特點(diǎn)，通過比較不同油氣回收技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)制定了該石化公司裝車棧橋VOCs無組織揮發(fā)治理方案，并利用AERMOD模式預(yù)測(cè)加設(shè)油氣回收設(shè)備前后特征污染物NMHC小時(shí)平均濃度，定量說明區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善情況，以期對(duì)石油化工企業(yè)VOCs無組織揮發(fā)治理方案確定及其環(huán)境收益研究提供一定借鑒參考。

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Studyonthevolatileorganiccompoundstreatmentschemeforoilloadingtrestalarea

DUANChaoyue1,SUNWenjie1,LIUMing1,PANFeng1,2,TONGJilong1,2.

(1.CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,LanzhouGansu730000;2.EnvironmentalQualityAssessmentResearchCenterofLanzhouUniversity,LanzhouGansu730000)

Volatile organic compounds (VOCs) were typical pollutants of petrochemical industry，and unorganized emissions of VOCs in loading areas were the major VOCs origins of such petrochemical enterprises. Therefore,taking measures to cut down free VOCs emission was of great importance to the enterprise’s regional environment conservation. Taking a VOCs emission management project implemented at a petrochemical enterprise of northwest China as an example,this paper intends to find out an effective way of VOCs control over loading area through calculating the emission intensity,determining VOCs control measures,predicting and analysis air quality improvement by AERMOD model,and finally evaluating long-term environmental revenue. The result would be a good reference for reconstruction or modification of the loading area of petrochemical companies.

VOCs; oil-gas recovery device; unorganized emissions; environmental quality; AERMOD mode

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.021

2016-09-18)

段超越，男，1990年生，碩士研究生，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。