石油蒸發損耗的計算與評價

原油儲存過程中的損失與儲存設備有關。隨著浮頂罐的推廣應用,大大地降低了這方面的損耗。但我國各地區技術經濟發展不平衡,有些企業還在使用拱頂罐儲存汽油,存在著嚴重的“大呼吸”和“小呼吸”蒸發損耗。目前,我國成品油的運輸配送,大部分通過鐵路、水路、公路,用管道輸送的不足其總周轉量的1%。由于鐵路罐車、汽車罐車、油船基本上都是敞口式上部裝油,有些企業還是高位噴淋裝油,故存在著大量的裝油損耗。對于汽油年周轉量2×105t的油庫,僅以1次裝車損耗量為例,其年最小裝車損耗量為166t。汽油價格按4500RMB/t估算,則年經濟損失最少為7.47×105RMB。2003年,我國汽油產量為4.77×107t。隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高,汽油產量及消耗量還將有較大的增長,汽油從煉油廠到用戶的繁雜周轉損耗帶來的經濟損失也十分驚人。石油蒸發損耗及其控制技術一直是一個多學科交叉的重點研究課題[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。筆者從石油蒸發損耗及其控制技術的評價角度,通過建立和實施其評價體系,引導、規范了這方面的研究工作,并配合石油、石化系統正在推行的HSE一體化管理體系,達到降低石油蒸發損耗之目的。1不同蒸發損耗率修正系數的確定在石油儲存及收發過程中,鐵路罐車、汽車罐車、油船和固定頂油罐等石油儲運設備存在著石油的蒸發和油氣-空氣的傳質混合。該混合氣體從設備排放口排入大氣,造成了石油的蒸發損耗。不同時刻τ油氣經該儲運設備排放口排放的最低體積分數Cmin、整個排放時間τt內石油蒸發損耗量Gt和損耗率ηloss分別采用式(1)～(3)計算。Cmin=(Cs-C0)1-erf(A)1+erf(υ′)+C0(1)Gt=√DπμinpS(Cs-C0)100zRΤ[1+erf(υ′)]∫τt01√τ{1exp(A2)+Cs[1-erf(A)]+C0[erf(A)+erf(υ′)][100-(Cs-C0)]exp[(υ′)2][1+erf(υ′)]}dτ(2)ηloss=GtG1×100%(3)Cmin=(Cs?C0)1?erf(A)1+erf(υ′)+C0(1)Gt=Dπ??√μinpS(Cs?C0)100zRT[1+erf(υ′)]∫τt01τ√{1exp(A2)+Cs[1?erf(A)]+C0[erf(A)+erf(υ′)][100?(Cs?C0)]exp[(υ′)2][1+erf(υ′)]}dτ(2)ηloss=GtG1×100%(3)式(1)、(2)中,參數A通過式(4)計算。A=Η-(Η1,0+U1τ)√4Dτ-υ′(4)A=H?(H1,0+U1τ)4Dτ√?υ′(4)在建立石油蒸發損耗數學模型及實驗室裝油損耗測試系統的基礎上,經理論分析、試驗測定及數據統計,得到不同收發油操作條件下汽油蒸發損耗率修正系數λ,結果列于表1。浸沒式裝油方式的蒸發損耗量及損耗率可通過式(2)、(3)計算。各種操作條件下裝油蒸發損耗量Gt也可通過式(5)計算。Gt=(100-C0)ˉCG1100(100-ˉC)ρ1μinpzRΤ(5)Gt=(100?C0)CˉˉˉG1100(100?Cˉˉˉ)ρ1μinpzRT(5)式(5)中的ˉCCˉˉˉ通過實測或理論計算來確定。2浮頂罐的損耗率高控制石油蒸發損耗及其對環境污染的技術措施可以分為3類:(1)抑制石油蒸發及油氣排放;(2)焚燒石油蒸發排放氣;(3)收集石油蒸發排放氣并加以回收處理。第2類雖可降低油氣對環境的污染,但浪費能源,不經濟。20世紀70年代起,國內推廣應用浮頂罐儲油,大大地抑制了固定頂罐的“大呼吸”和“小呼吸”蒸發損耗。外浮頂罐的損耗率僅為固定頂罐的5%～7%,而內浮頂罐的損耗率約為固定頂罐的4%。20世紀80年代起,國內開始開發油氣回收技術,取得了一些成果,已具備推廣應用的技術背景。油氣回收技術作為主要的降耗措施之一,可用來控制固定頂罐“大呼吸”和“小呼吸”蒸發損耗,并主要用于控制大量的車、船裝卸油蒸發損耗。3原油蒸發損失控制技術的評價體系3.1明確規定可裝卸量大時,罐車裝復我國對環境保護日益重視,已經陸續制訂出各種法律、標準或規范來約束石油儲運設備的油氣排放,如《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》及其“修正案”、《中國石油化工總公司環境保護工作條例》、《石油化工企業環境保護設計規范》等。新的《石油庫設計規范》(GB50074-2002)推薦,當油庫向汽車罐車(或鐵路罐車)灌裝汽油的年總裝車量大于2×105t時,設置油氣回收設施。美國環保局規定,石油裝車時如果石油真實蒸氣壓超過10kPa,并且每天裝卸量超過75m3,就要設置油氣回收控制系統。同時,美國環保局也規定,在實際儲存條件下,真實蒸氣壓為10.3～75.8kPa的液體不應采用常壓固定頂罐儲存,而應采用浮頂罐或帶有油氣回收處理系統的常壓固定頂罐或壓力罐儲存;真實蒸氣壓大于75.8kPa的液體不能采用浮頂罐儲存,而應采用具有油氣回收系統的常壓固定頂罐或壓力罐儲存。有關以上法律條文的評價,一般沒有具體的控制效果和指標的要求,因此可作為第一層面的評價或基礎評價,即法律條文的要求或評價是必須達到的。3.2回收裝置性能控制采用石油蒸發損耗降耗率評價降耗設施的效率。降耗率(回收率)η可由式(6)計算。η=Gt-G′tGt×100%(6)η=Gt?G′tGt×100%(6)儲運設備蒸發的油氣是一種混合氣,主要由C3～C7烴組成。在評價油氣回收裝置的降耗效率或回收效率時,可將油氣和空氣各作為一元組分考慮。經物料衡算,其降耗率或回收率可由油氣回收過程中進、出口油氣體積分數來確定,如式(7)所示。η=(1-Cout(100-Cin)Cin(100-Cout)×μoutμin)×100%(7)η=(1?Cout(100?Cin)Cin(100?Cout)×μoutμin)×100%(7)實驗室測試得到μin=65.51kg/kmol,μout=48.97kg/kmol。μin值與美國石油學會(API)推薦的μin=64kg/kmol及日本石油學會(JPI)推薦的μin=68kg/kmol相近;而μout值尚未見有報道。汽油等輕質油品蒸發排放的油氣含量大,一般Cin為0～50%,平均值約為30%。汽油油氣回收裝置(Gasolinevaporrecoveryunit,GVRU)的降耗率與進口油氣體積分數的關系示于圖1。由圖1可見,以Cin=30%為例,當回收裝置的η不小于95%,應控制Cout小于3%。典型的η不小于99%,應控制Cout小于0.5%。由于回收裝置進口油氣含量Cin由生產實際決定,因此宜選取合適的Cout或η。如果Cout選得太低,雖然η略有提高,但對設備性能要求變得非常嚴格,設備投資也急劇上升,綜合經濟效益反而下降。從國內外生產實踐及實驗室研究結果來看,可以推薦單一方法的先進的回收系統的η≥95%。如Cout的環保指標要求很低,應采用不同回收方法相結合的集成技術,以取得優勢互補。如我國臺灣地區規定,油氣回收措施的η≥85%,并對采用油氣回收措施的企業適當減免排污費或給予補助。針對目前國內技術經濟現狀,控制石油蒸發損耗的時間進度安排如表2所示。表2設計了兩種方式以供選擇,Programmode1與Programmode2的控制效果基本相當。當石油的雷特蒸氣壓(RVP)(或真實蒸氣壓(TVP))與G同時達到表2中的限值,就要執行表2中相應的降耗時間安排。Programmode1直接采用RVP評價,但由于不同地區大氣溫度及損耗率有所不同,故參照GB11085-1989《散裝液態石油產品損耗標準》的地區劃分而作適當調整。Programmode2比較簡單,但TVP要通過RVP及操作溫度(油溫)計算得到,或通過查閱有關圖表來確定。油溫以當地最熱月份的月平均氣溫值來確定。當由此溫度換算出的TVP達到Programmode2中的限值,即需要全年實施控制。由于地區難以區分,以及油氣帶來的危害性不會因不同地區而有所差別,表2中沒有體現不同地區經濟發展水平的差異,而在降耗率指標的設定方面總體上有所偏低。3.3油氣回收排放限目前,從環境污染或環境保護的角度,國內外大多采用油氣排放限值來限定石油蒸發損耗及其對大氣的污染。如美國排放標準(59FR64318)規定,每輸送或收發1m3汽油時,各種設備排放的尾氣中油氣含量不大于10g(舊標準為35g)。而歐盟規定,輸送或收發汽油時,各種設備排出的1m3尾氣中油氣含量不大于35g。德國根據衛生情況制定標準(TALuft),規定輸送或收發汽油時,各種設備排出的尾氣中油氣含量不大于0.15g/m3。我國臺灣地區規定油氣回收措施的η>85%;或每輸送或收發1t石油時,其排放的尾氣中油氣含量不大于300g。我國制訂的《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)對石油儲運設備非甲烷總烴的排放量及排放濃度也作了規定。從國內外現有的常規的油氣回收技術來看,該標準中的排放量指標較易達到;但排放濃度指標要求嚴格,要通過對油氣回收系統的技術處理才可能達標。如要執行該排放濃度限值,建議從表2中的Stage3開始。除了采用油氣排放限值作為評價指標外,也可用大氣環境質量標準來間接地限定石油儲運設備的蒸發損耗及其對大氣的污染。但由于污染源較難認定,無法直接評價儲運設備的石油損耗大小或污染程度及降耗設施的性能。標準狀態下,可采用式(8)進行各種排放源的油氣排放濃度(c)與油氣體積分數(C)之間的換算。c=22.98κC(8)c=22.98κC(8)當式(8)用于油氣回收裝置排放的油氣濃度的換算時,κ=1;當用于油氣回收裝置以外的石油儲運設備排放的油氣濃度的換算時,κ=1.34。3.4原油長距離開采系統的技術經濟評價國內外已開發出多種類型的回收技術,如吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離法等,有些還含有壓縮過程或幾種方法的綜合利用。3.4.1回收裝置技術經濟評價表3為油氣回收系統技術經濟綜合評價所需考慮的項目內容及其單項滿分值。結合國內外實際應用現狀,以目前在國內可實施的處理量相同的回收設備作為參比條件,表3還列出了各種油氣回收裝置的技術經濟評價值。其中,除常溫吸收法油氣回收系統為國內開發外,其它均參照國外最新的回收裝置的特點及報價而定。常溫吸收法回收系統為國內開發的、完全立足于國內設備和材料、技術較為成熟的回收系統,因此投資少,綜合性能好,宜作為我國目前推廣應用的主要選擇。與其它傳統的分離回收技術相比,膜法回收油氣技術最新,在國內尚處于研制開發階段。由表3中有機膜回收設備的綜合評價可以看出,其投資成本高,如國內能開發出無機膜回收油氣裝置,則可節省投資,延長膜壽命,也可降低維修保養費用。3.4.2工藝投建回收裝置經濟效益分析在石油化工行業推廣應用油氣回收裝置,可以解決石油蒸發排放帶來的一系列問題,得到顯著的社會效益和環境效益。石油蒸發損耗的物質主要是輕烴組分,回收汽油的密度小、初餾點低、餾程窄,氣化性能好。對于有一定汽油周轉量的企業,投建油氣回收裝置,經濟效益也將較明顯。以國產回收裝置及其配套工程為例,按照國家及行業經濟核算標準,估算出靜態投資回收期n1、n2與投資額Y、汽油年裝運量G的關系,如式(9)(含稅)或式(10)(不含稅)所示。n1=0.95Y2.60λG-0.184G-0.03Y(9)n2=0.95Y3.51λG-0.184G-0.03Y(10)n1=0.95Y2.60λG?0.184G?0.03Y(9)n2=0.95Y3.51λG?0.184G?0.03Y(10)對于G=2×105t/a的油庫,投建國產回收裝置,包括配套工程在內的投資額Y為(2.5～3.0)×106RMB,其n1、n2計算值列于表4(按Y=3×106RMB計)。由n1、n2值可知,經濟效益較明顯。如油庫通過汽車罐車給加油站送油、且罐車不清洗及密封性能好,則其經濟效益相當明顯。這里僅考慮汽油裝車外運損耗的回收,如能將企業各個環節的油氣損耗全部回收,則設備利用率及經濟效益更好。再考慮附加的防止石油質量下降及環保設備投資退稅部分(或減少環境污染罰款)的隱性效益(如式(10)),回收裝置的經濟效益將十分明顯。參考式(9),對于給定n1、G,允許的投資額Y1可由式(11)(λ=1)計算。圖2為式(11)的部分計算實例。式(11)及圖2可作為企業投建回收裝置時經濟效益分析的參考。考慮到投資規模效益,則G越大,在同一n1下,實際投資額Y將越小于Y1,經濟效益就越明顯。Y1=2.416Gn10.95+0.03n1(11)4油氣排放過程支出—結論(1)石油儲運過程中存在著石油蒸發損耗,可通過計算公式(1)～(5)對其進行評價。(2)推薦浮頂罐和油氣回收系統作為石油蒸發損耗的主要降耗設施,并從法律條文、降耗率、油氣排放標準和技術經濟等方面,對其進行了評價。這些評價各有側重點,