拱顶罐VOCs排放影响因素研究

赵明婕

(中石油燃料油有限责任公司，北京 102200)

VOCs是形成高臭氧浓度的光化学烟雾和高浓度PM2.5雾霾的关键[1]，易引发呼吸系统的疾病，危害人体健康。在石油石化企业中VOCs的主要来源是储罐无组织排放、生产装置泄漏。我国在2011年首次提出“严格控制挥发性有机污染物排放”的政策要求[2]，2015年国家发展改革委在《挥发性有机物排污收费试点办法》中要求各直辖市、各省及计划单列市环保主管部门负责征收VOCs排污费，确定石油化工行业作为试点。

据此，石油石化企业无组织排放量的准确核算一方面是制定企业大气环境防护距离和保障居民健康的必要条件，另一方面也是保障企业经济效益和科学制定污染防治措施的重要前提。目前现行无组织排放量的核算方法有四种，分别来自美国环保署、美国石油学会、《石油库节能设计导则》和中国石油化工系统。然而这些核算方法多样且准确度各异，同时缺少风险评估及预防改善措施的数学模型依据，这些问题成为环评和石油企业设计过程中的难点和重点[3]。本文采用数值模拟方法，结合Fluent软件完成多相流模型和质量传递模型，研究拱顶罐在不同进油速率和不同罐内初始浓度条件下，储罐内部油气扩散规律，对比二者对拱顶罐呼吸损耗的影响，为拱顶罐损耗量核算提供重要参考。

1 数值模拟模型建立

1.1 几何模型及控制方程

应用ICEM软件建立如图1所示的拱顶罐几何模型，建立二维计算域，采用多相流(VOF)模型和RNGk-ε模型。规定水平向右为X轴正方向，进油方向沿X轴负方向，垂直于X轴向上为Y轴正方向。拱顶罐进油口直径为20 cm，呼吸阀直径为25 cm，储罐直径为23.7 m，罐高为12.7 m，拱顶曲率半径为5.8 m，进油口距罐底40 cm。模拟中对呼吸过程挥发的油品混合物进行简化，设置为乙烷气体为第一项，空气为第二项。

图1 拱顶罐几何模型Fig.1 The geometric model of dome roof tank

模拟采用多相流(VOF)模型和RNGk-ε模型，其中，油罐底部装油的流动过程采用多相流模型计算，气-液相界面可以通过多相流(VOF)模型中体积分数的连续性方程的计算来确定，如式(1)：

(1)

当计算网格内全部是液相时，a=0，反之充满气相时则a=1。当0

(2)

(3)

其中的ρ和μ由平均体积分数确定，如下式：

ρ=αpg+(1-α)ρ1

(4)

μ=αμg+(1-α)μ1

(5)

压力梯度会由于气—液相界面的表面张力而存在，在平衡状态下其数值等于动量方程中的体积力，如下式：

(6)

式中：α为体积分率；t为时间，s；ε为重力加速度，m/s2；x为运动距离，m；ρ为密度，kg/m3；u为速度，m/s；fσ为体积力，N/(m3·s)；μ为动力粘度，Pa·s；ν为运动黏度，m2/s。

油罐底部装油属于湍流流动，本模拟过程中利用RNGk-ε模型作为湍流方程，模型如下式，其中，常数σk=1.0；σε=1.2；Cμ=0.09；C1ε=1.44；C2ε=1.9。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：A为气液相界面体积，m2；K为湍动能，m2/s2；ε为耗散率，m2/s2；σ为表面张力；GK为由于层流速度梯度而形成的湍流动能，m2/s2；Gb为浮力形成湍流动能，m2/s2。

1.2 边界条件及网格划分

选用非定常模型，重力设置为-9.8 m/s2，采用SIMPLE算法，在气—液交界面处，引入如下式所示的用户自定义函数(简称UDF)的方法[6]来解决以上问题，即命名一个质量源项，也就是选取气液体共同存在的网格单元作为饱和油气质量分数层。流场内全部采取结构化网格划分，以Determinant 3×3×3为评价标准进行网格质量检查，均满足标准要求。当满足进出口质量相对误差小于5%，且连续性方程残差界限设不超过10-5的条件时，即可认为计算收敛。

(11)

(12)

式中：xoilgas为油气的摩尔分数；Moilgas为油气的分子质量，kg/mol。

2 数值模拟结果分析

2.1 数值模拟模型验证

由于本模拟忽略了外界环境温度的变化对油品蒸发速率的影响、实验的环境条件等因素共同限制，不可避免地促使实验测量值与模拟值之间存在一定误差。但是模拟过程时间短，温差变化较小，保证了模拟与实验结果的可靠性。从表1不同高度时油气体积分数随时间的变化可知，在同一时刻油气体积分数都是随高度的升高而降低。且由图2油气体积分数随距罐底高度的变化可知，纵向油气浓度分布曲线有一个比较明显的拐点，靠近油液面附近存在高浓度层，油气浓度沿高度变化比较显著，距离油液面较远处油气浓度较低，但浓度随高度变化分布均匀，符合罐内纵向油气体积分数的分布基本规律[7]，说明了模型的准确性。

表1 不同高度时油气体积分数随时间变化的模拟值Table 1 Simulated values of oil and gas volume fraction over time at different heights

图2 油气体积分数随距罐底高度的变化Fig.2 The oil and gas volume fraction at the different height from the bottom of the tank

2.2 进油速率的影响

国外内四种核算方法中损耗量皆随周转量的增大而明显增加[8]，而进油速率是周转量大小的主要影响因素，由于液面高度的变化以及气体间的存在，强迫对流占主导地位的传质过程[9]。因此可看出进油速率是拱顶罐呼吸损耗量核算公式的一项重要参数。

模拟不同进油速率时拱顶罐呼吸阀处油气体积分数变化。图3表示进油速度为0.01 m/s、0.02 m/s和0.03 m/s时呼吸阀处的油气体积分数云图。进油速度同为0.01 m/s，进油时间为50 s时呼吸阀处油气体积分数为27%；80 s时，呼吸阀处油气体积分数为39%，累计时间125 s时呼吸阀处油气体积分数增加到45%；进油速度为0.02 m/s，选取相同的时间点发现呼吸阀处油气体积分数分别为为33%、46%和50%；进油速度为0.03 m/s，呼吸阀处油气体积分数分别为为42%、49%和53%。由图4油气体积分数随进油速率的变化曲线可知，在进油速度较小的情况下，呼吸阀处油气体积分数变化比较平缓，随着进油速度的加快，呼吸阀处油气体积分数达到饱和程度的速率也同步加快。这是因为随着罐内液面的不断升高，压缩罐内上部空间的混合气，装油过程的进行使得呼吸阀处的油气体积分数不断增加，单位时间内压缩的体积增多，最终达到饱和状态。

图3 不同进油速率时呼吸阀处油气体积分数Fig.3 The oil and gas volume fraction contour at different oil inlet speed

图4 油气体积分数随进油速率的变化Fig.4 The oil and gas volume fraction at different oil inlet speed

2.3 罐内初始油气浓度的影响

模拟在不同罐内初始油气浓度条件下拱顶罐呼吸阀处油气体积分数变化。如图5表示在进油速度为0.01 m/s，罐内初始浓度分别为0%、15%和30%时呼吸阀处的油气体积分数云图。初始浓度为15%，进油时间为50 s时拱顶罐呼吸阀处油气体积分数为32%，85 s时为46%，125 s时为49%；初始油气浓度为30%，选取相同的时间点发现拱顶罐呼吸阀处油气体积分数分别为45%、51%和53%。由图6油气体积分数随罐内初始油气体积分数的变化可知，罐内初始油气体积分数值增大，油气体积分数增长的速率越缓慢，这是由于罐内初始油气体积分数增加，罐内油气体积分数较初始浓度为0%时梯度减小，蒸发速率减缓，油气质量分数的变化曲线随初始油气体积分数的升高而变缓。

图5 不同初始油气体积分数时油气体积分数Fig.5 The oil and gas volume fraction contour with different initial oil and gas volume fraction in the tank

图6 油气体积分数随罐内初始油气浓度的变化Fig.6 The oil and gas volume fraction with different initial oil and gas volume fraction in the tank

3 结 论

(1)通过拱罐顶内油气扩散进行模拟，绘制油气体积分数随距罐底高度变化的曲线可知，纵向油气浓度分布曲线存在一个明显的拐点，靠近油液面附近存在高浓度层，油气浓度沿高度变化比较显著，距离油液面较远处油气浓度较低，但浓度随高度变化分布均匀。

(2)进油速率对罐内油气扩散具有明显影响，是拱顶罐呼吸损耗量核算公式的一项重要参数。在罐内初始油气体积分数相同时，进油速率越大，罐内液面的不断升高，上部空间的混合气不断被压缩，当进油速率从0.01 m/s升高至0.03 m/s时，呼吸阀处油气体积分数达到50%的时间从183 s缩短至80 s。

(3)在进油速率相同时，罐内初始油气浓度越大，油气浓度梯度越小，达到饱和的时间缩短，在罐顶空间内油气体积分数的变化越平缓。当罐内初始油气浓度从0%增加至30%时，呼吸阀处油气体积分数达到50%的时间从183 s减少至66 s。结合初始油气浓度对拱罐内油气扩散也具有明显影响的情况，建议将罐内初始油气浓度作为拱顶罐呼吸损耗量核算公式的一项参数。