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拱顶油罐小呼吸损耗试验研究 * 杨光黄维秋吴宏章蔡道飞王英霞赵晨露 常州大学 江苏省油气储运重点实验室， 江苏 常州 213016 摘要 小呼吸损耗是油品蒸发损耗的主要原因之一。研究拱顶罐内气体空间的温度变化和油气浓度分布对于小呼吸 损耗的研究具有重要意义。油罐气体空间的温度变化与大气环境温度密切相关。油气浓度的分布受到油品种类、 气 体空间高度、 静储存时间等因素的影响。最后， 对拱顶罐的小呼吸损耗进行了实例计算。 关键词 拱顶油罐; 浓度分布; 小呼吸损耗 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402037 INVESTIGATION ON OIL BＲEATHING EVAPOＲATION LOSS OF DOME ＲOOF TANK Yang GuangHuang WeiqiuWu HongzhangCai DaofeiWang YingxiaZhao Chenlu Jiangsu Provincial Key Laboratory of Oil ＆ Gas Storage and Transportation Technology，Changzhou University， Changzhou 213016，China AbstractBreathing loss is one of the main reasons for the oil evaporation loss． The change in temperature of gas space and concentration distribution of the gasoline vapor within a dome roof tank are important to the study of the breathing loss． The change temperature of the gasoline vapor in a tank is closely related with air ambient temperature． There are three factors that have an important effect on the concentration distribution of the gasoline vapor． And the oil breathing evaporation loss of the dome roof tank is calculated by an actual example． Keywordsdome roof tank;concentration distributions;breathing loss * 江苏省高校自然科学研究重大项目 11KJA610002 ; 江苏省科技支撑 计划 社会发展 BE2011651 。 收稿日期 2013 －05 －19 0引言 2012 年， 我国原油的加工量已达 4. 679 亿 t。在 开采原油到使用石油产品的过程中， 大约有 44. 8 万 t 以上的油气排入大气， 产生了安全隐患， 污染了环境， 造成油品数量损失和质量下降［1 ］， 直接经济损失在 35. 6 亿元左右。油库是石油产品接收、 存储和发放 的中心 ［2 ］， 随着 GB 209502007储油库大气污染物 排放标准 等国家标准的颁布实施 ［3- 4 ］， 我国对储油 罐油气的无组织排放采取了更加实质性的监管和治 理， 以满足安全环保、 节能减排方面的要求 ［5 ］。在油 品静储存的过程中， 由于受到大气温度昼夜升降变化 的影响， 拱顶罐内气体空间的温度发生波动， 罐内油 气体积随之膨胀和收缩， 导致油品蒸气溢出罐外而发 生了拱顶油罐静止存储损耗， 又称小呼吸损耗 ［6 ］。 小呼吸损耗是造成拱顶油罐蒸发损耗的重要原因之 一， 拱顶罐贮存损耗率 按月计算 最高可达 0. 2 左 右。研究油罐内的温度变化和油气浓度分布， 对于油 品小呼吸损耗的研究有重要意义［7 ］。 1实验装置与方法 拱顶罐内温度测试点及浓度取样点布置分布如 图 1 所示。在实验罐内部布置若干组高灵敏度的温 度探头及气体浓度取样口， T- 5、 T- 6、 T- 7、 T- 8、 T- 9 为 温度测试点; C- 5、 C- 6、 C- 7、 C- 8、 C- 9 为浓度取样点; T- 5与 C- 5、 T- 6 与 C- 6、 T- 7 与 C- 7、 T- 8 与 C- 8、 T- 9 与 C- 9 分别在同一平面。分别实测油品装油过程中油 气的温度及浓度分布情况。 2实验结果与分析 2. 1静储时拱顶罐内气体空间的温度变化 温度是物质分子平均平动动能大小的宏观表现。 一方面， 温度升高使得油品蒸发速度加快， 油品中液 态轻烃分子的平均平动动能增大， 克服表层分子引力 551 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 图 1拱顶罐内温度测试点及浓度取样点布置示意 Fig．1Temperatures and concentration test points arrangement in dome roof tank 进入气相的分子数增多， 从而使罐内气体空间中油气 分子密度增加; 另一方面， 温度升高又使气体空间中 油气分子平均平动动能增加， 混合气体的压力增大， 呼出罐外的油气增多［8 ］。因而温度是拱顶罐小呼吸 损耗的重要影响因素。 拱顶罐内气体空间纵向各个高度的温度并不相 同， 相同高度的温度在一天之内变化很大。特别是在 夏季， 温差变化明显。拱顶罐油气空间温度变化曲线 如图 2 所示。 图 2白天拱顶罐油气空间温度变化曲线 Fig．2Change curves of the temperatures of gasoline vapor in the tank in daytime 从图 2 可以看出 罐内气体空间温度和大气温度 的变化趋势相同。清晨气体空间温度略高于大气环 境温度， 不同高度的温度基本相同， 温差在 1 ～2 ℃。 随着时间推移， 日照强度增加， 罐内各点温度和大气 温度开始升高， 罐内自上而下的正温差逐渐增大。 14 00 左右， 罐内温度和大气温度同时达到最高值， 罐内各个点温度梯度最大， 气体空间上部与下部的温 度梯度有 5 ℃左右。下午， 日照强度减弱， 罐内各点 温度和大气温度不断下降， 16 00 之后， 上、 下部油气 温度梯度小于 2 ℃， 且渐为负值。综上所述， 油罐气 体空间的温度分布受大气环境温度和太阳辐射能两 方面因素的综合影响。阳光照射油罐时， 加热罐顶， 热量自上而下在气体空间内传输， 在纵向上存在一个 温度梯度， 最终热量传导至油面， 促使油品的蒸发损 耗。一天之内， 气体空间不同高度处的温差相差 较大。 2. 2静储时拱顶罐内气体空间的浓度分布 拱顶罐内气体空间的混合气体可以简化为空气 和油蒸气的二元混合气。油气浓度见式 1 C油气 V油气 V 1 式中 V油气为油蒸气的分体积; V 为蒸气的总体积。 根据阿伏伽德罗定律和道尔顿定律， 可以将式 1 改 为式 2 C油气 P油气 P 2 式中 P油气为油气分压; P 为拱顶罐内混合气总压。 当罐内处于气液两相平衡时， 理想状态是， 油气分压 取作油面温度下油品的饱和蒸汽压， 相应的浓度即为 饱和油气浓度且气体空间内各处油气浓度均匀一 致 ［9 ］。因此， 油品的饱和蒸气压与其在拱顶罐内的 浓度分布密切相关， 不同油品在不同温度下的饱和蒸 气压如表 1 所示。 表 1各油品在不同温度下的蒸气压 Table 1Vapor pressures of oil products at different temperatureskPa 油品30 ℃35 ℃40 ℃45 ℃50 ℃ 93 号汽油49. 00 60. 0073. 5084. 0098. 50 柴油1. 004. 507. 0011. 0015. 50 煤油1. 504. 508. 0011. 0015. 00 实验中所涉及的各个油品的饱和蒸气压是按照 气、 液相体积比为 4∶ 1， 温度以水浴温度为起点每隔 5 ℃条件下用专门的 SYP2002- Ⅰ型石油产品蒸气压 实验设备测得。实验表明， 在相同温度条件下， 汽油 的蒸气压明显大于柴油和煤油的蒸气压， 柴油和煤油 的蒸气压相差不大。同一油品， 温度越高， 饱和蒸气 压越大。随温度的升高汽油蒸气压的上升趋势较柴 油和煤油的明显。 拱顶罐属于常温常压罐， 根据公式 2 可知， 油 品的蒸气压越大， 罐内油气浓度越大。不同油品在拱 顶罐内的油气浓度分布如图 3 所示。 651 环境工程 Environmental Engineering 图 3各油品在拱顶罐内的油气浓度分布 Fig．3Concentration distribution of the oil products vapor in dome roof tank 从图 3 可以看出 在相同高度， 汽油的油气浓度 均大于煤油和柴油的浓度， 煤油和柴油的油气浓度相 接近， 这与三种油品之间蒸气压的关系是密切相关 的。气体空间内， 汽油的平均浓度是0. 706 kg/m3 ， 煤 油的平均浓度是 0. 093 kg/m3， 柴油的平均浓度是 0. 049 kg/m3。油气浓度越大， 油品的蒸发损耗量越 大。可知拱顶罐存储汽油的蒸发损耗最大， 煤油次 之， 柴油的损耗最小。 实测表明， 拱顶油罐内部气体空间中油气浓度 分布是不均匀的， 纵向上各个点的油气浓度并不相 同， 且很难达到饱和浓度。不同静储时间拱顶罐内 的油气浓度分布也有所区别， 以汽油为例， 如图 4 所示。 图 4不同静储时间拱顶罐内油气浓度分布 Fig．4Concentration distribution of the gasoline vapor in the tank in different storage time 图 4 中的三条曲线分别代表了拱顶罐静储存汽 油， 在不同时间罐内油气浓度分布的规律。这三条曲 线有共同的趋势 油气浓度在靠近油面处最高， 达到 1. 55 kg/m3左右， 接近油面温度下的饱和浓度， 自下 而上不同高度的油气浓度逐渐减小， 并且气体空间越 高浓度梯度越小。 静储存时间 24 h 左右， 贴近油面处存在一个浓 度较高的大浓度层， 在大浓度层中油气浓度沿气体空 间高 度 发 生 显 著 变 化，从 1. 43 kg/m3降 低 到 0. 62 kg/m3。大浓度层以上气体空间的油气浓度较 低， 分布相对均匀。整个油气空间的平均浓度约为 0. 7 kg/m3。随着静存储时间的增加， 气体空间各点 的油气浓度都有不同程度的升高。大浓度层的现象 逐渐消失， 纵向油气浓度梯度自下而上逐步地平缓减 小， 整个油气空间的平均浓度逐渐增大。静储存72 h 时， 整个油气空间的平均浓度升高到1. 26 kg/m3。如 果静储存时间足够长， 罐内的平均油气浓度会不断接 近于饱和浓度， 罐内各个高度的油气浓度相接近。这 是因为， 在刚开始静储存时， 拱顶罐内气体混合物中， 油气组分的浓度各处不均匀， 气体分子发生无规则运 动， 单位时间内油气组分由高浓度区向低浓度区运动 的分子数目将多于由低浓度区至高浓度区的分子数 目， 产生油气组分从高浓度区向低浓度区的净分子 流， 从而发生传质作用， 使油气组分在两处的浓度逐 渐趋于一致。因此， 拱顶罐存储油品的周期越长， 罐 内油气浓度越大， 蒸发损耗也就越大。因此， 拱顶罐 储油时应合理安排存储周期。 3拱顶罐小呼吸损耗的计算 我国的 SH/T 30022000石油库节能设计导 则 通过对美国 API 中的固定顶罐和浮顶罐的“大、 小呼吸” 排放量计算公式进行修正［10- 11］， 提出了适 用于我国国情的拱顶罐和内、 外浮顶油罐的公式。 根据导则 ， 拱顶罐的小呼吸损耗量计算公式为 式 3 LDS 0. 024K2K3 P Pa － P 0. 68 D1. 73H0. 51 ΔT 0. 5F PC1 3 式中 LDS为拱顶罐年小呼吸损耗量， m3/a; P 为油罐 内油品本体温度下的蒸气压， kPa; Pa为当地大气压， kPa; H 为油罐内气体空间高度， m; ΔT 为大气温度的 平均日温差， ℃; FP为涂料系数; K2为单位换算系数; K3油品系数， 汽油 1， 原油 0. 58; C1为小直径油罐 修正系数。 对南方某石化企业的油库现场调查得到拱顶罐 参数 表 2 和储存油品的参数 表 3 ， 现场气候阴有 雨， 环境温度 15 ℃。 751 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 表 2拱顶罐计算参数 Table 2Calculation parameters for the dome roof tank 罐号 罐体 高度/ m 罐直 径/ m 罐容/ m3 罐顶 颜色 罐外 颜色 涂料 状况 储罐 加热 真空度 设定值 压力设 定值 30812. 23218. 4873 281. 9白白好否未提供 未提供 表 3拱顶罐存储油品的参数 Table 3Calculation parameters for the oil products in the tank 油品 蒸汽压/ kPa 密度/ kg m －3 液位/ m 储存温度/ ℃ 存储周期/ d 汽油50. 373511常温3 柴油4. 5826. 511常温3 煤油5. 7803. 611常温3 以油库现场的 308 号罐为例， 分别计算了汽油， 柴油， 煤油的年蒸发损耗， 如表 4 所示。 表 4拱顶罐静储存年损耗 Table 4Annual static breathing loss of dome roof tank 罐型油品 油品年蒸发 损耗量/kg 油品年蒸发 损耗率/ 拱顶罐汽油35 633. 941. 94 拱顶罐柴油5 020. 630. 18 拱顶罐煤油5 781. 610. 21 计算结果表明 拱顶罐静储存过程中， 汽油的蒸 发损耗较大， 大约是柴油和煤油损耗量的 10 倍， 柴油 和煤油的损耗相差不大。拱顶罐更加适合于柴油和 煤油的储存。 4结论 拱顶罐内气体空间各点的温度在一天内波动较 大， 受到大气环境温度和日照因素的影响， 气体空间的 上、 中、 下部存在温度梯度。拱顶罐内气体空间的油气 浓度分布受到油品种类， 静止储存时间， 气体空间高度 等因素的影响。存储汽油时平均油气浓度大于柴油和 煤油的浓度， 柴油和煤油的平均油气浓度相接近。罐 内油气浓度分布是不均匀的， 在纵向上存在浓度梯度， 靠近油面处油气浓度最高。油品存储时间越长， 罐内 气体空间的油气浓度分布更趋于均匀， 不同高度的油 气浓度差减小， 平均浓度升高。通过拱顶罐小呼吸损 耗的计算， 表明拱顶罐在不同油品的存储过程中， 汽油 的小呼吸损耗较高， 柴油的小呼吸损耗最小。 参考文献 ［1］郭光臣， 董文兰， 张志． 油库设计与管理［M］． 青岛 中国石油 大学出版社， 2006 277- 356． ［2］黄维秋． 油气回收基础理论及其应用［M］． 北京 中国石化出 版社， 2011 32- 159． ［3］GB 162971996 大气污染物综合排放标准［S］． ［4］GB 209502007 储油库大气污染物排放标准［S］． ［5］陈家庆， 曹建树， 王建宏， 等． 面向加油站的油气回收处理装置 及其关键技术［J］． 环境工程， 2007， 25 1 41- 46． ［6］张秀玲， 宋翠红， 刘春杨． 储油罐油气扩散规律的理论研究 ［J］． 中国石油和化工标准与质量， 2011 7 63- 64， 5． ［7］杨宏伟， 杨士亮， 费逸伟， 等． 固定顶油罐油气空间温度梯度与 小呼吸降耗措施［J］． 油气储运， 2011， 30 4 311， 314- 315． ［8］Okamoto K， Watanabe N， Hagimoto Y， et al． Changes in evaporation rate and vapor pressure of gasoline with progress of evaporation ［J］． Fire Safety Journal， 2009， 44 5 756- 763． ［9］Okamoto K， Watanabe N， Hagimoto Y． Evaporation characteristics of multi- component liquid ［J］． Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2010， 23 1 89- 97． ［ 10］SH/T 30022000 石油库节能设计导则［S］． ［ 11］林立， 鲁君， 何校初， 等． 中美储罐呼吸排放量计算方法对比 ［J］． 化工环保， 2012， 32 2 137- 140． 第一作者 杨光 1988 － ， 男， 硕士， 主要从事有机废气污染控制及资 源化技术的研究。675084291 qq． com 通讯作者 黄维秋 1965 － ， 男， 教授， 硕士生导师， 主要从事有机废气 污染控制及资源化技术的研究。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 hwq213 cczu． edu． cn 上接第 154 页 ［5］陈国钧， 涂国超， 吕玮． 非晶纳米晶软磁材料在高效电机中的 应用［J］． 磁性材料及器件， 2012 2 1- 5． ［6］李广敏， 李德仁， 倪晓俊， 等． 用于电机定子的新型非晶材料铁 芯的研究［J］． 功能材料与器件学报， 2012 3 232- 237． ［7］谢奕敏， 宋纪元， 侯宾才， 等． 铁合金矿热炉烟气余热回收及发 电工艺系统［J］ ． 铁合金， 2012， 43 1 41- 44， 48． ［8］申桂秋． 硅铁电炉烟尘的治理与回收利用［J］ ． 环境工程， 1985 2 14- 16． ［9］武晓燕， 于宏兵， 冯俊丽． 锰硅合金工业清洁生产实践［J］． 环境工程， 2012， 30 6 109- 112． ［ 10］杨延旗， 刘昌生， 李超， 等． 硼铁合金烟尘静电治理试验研究 ［J］． 工业安全与环保， 2003， 29 10 9- 10． ［ 11］肖怀德． 铁合金矿热电炉大气污染控制对策研究［J］． 环境工 程， 2010， 28 2 78- 79． ［ 12］巩建国． 矿热炉烟气排放特点及治理方法的探讨［J］． 铁合 金， 2012， 43 4 39- 41． ［ 13］孙军军， 杨来怡， 常丽． 低压脉冲袋式除尘器在硅铁电炉烟气 中的应用［J］． 工业安全与环保， 2010， 36 1 6- 7． 第一作者 肖林 1957 － ， 男， 高级工程师， 主要从事环保设备及其控 制系统研究。XL8211163． com 851 环境工程 Environmental Engineering