环境科学  2023, Vol. 44 Issue (2): 709-718   PDF    
加油站油气处理装置VOCs化学组成及二次污染生成贡献
胡玮1,2, 黄玉虎2,3, 梁文俊1, 刘明宇4, 杨天羿2, 任碧琪2     
1. 北京工业大学环境与生命学部, 区域大气复合污染防治北京市重点实验室, 北京 100124;
2. 北京市生态环境保护科学研究院, 城市大气挥发性有机物污染防治技术与应用北京市重点实验室, 北京 100037;
3. 天津大学环境科学与工程学院, 天津 300072;
4. 北京市机动车排放管理事务中心, 北京 100176
摘要: 加油站油气处理装置是控制埋地油罐油气压力并对油气进行回收处理的装置,测试分析油气处理装置进口和出口挥发性有机物(VOCs)化学组成,利用最大增量反应活性(MIR)和气溶胶生成系数(FAC)估算VOCs的臭氧生成潜势(OFP)和二次有机气溶胶生成潜势(SOAP),量化评估其二次污染生成贡献.结果表明:①油气处理装置进口和出口ρ(TVOC)分别为436~706 g ·m-3和4.98~10.04 g ·m-3,VOCs排放主要为烷烃(72%±4%)、含氧有机物(14%±2%)和烯烃(11%±5%).不同处理工艺VOCs排放差异较小,关键物种均为异戊烷(约25%),其次为正丁烷、异丁烷和正戊烷.②油气处理装置出口排放的VOCs臭氧生成系数(SR值)为2.6~3.3 g ·g-1,OFP为3.5~25.6 g ·m-3,其中烯烃对OFP贡献率(43%~69%)最大,其次为烷烃(20%~35%)和含氧有机物(10%~22%),OFP主要贡献物种为丁烯、顺-2-丁烯、反-2-丁烯、异戊烷和丙醛.③油气处理装置出口排放的VOCs中芳烃对SOAP贡献率(80%~92%)最大,SOAP主要贡献物种为甲苯、1,2,4-三甲苯、1,3,5-三甲苯和对-二乙基苯.结果显示,油气处理装置排放的VOCs各物种对二次污染贡献差异较大,丁烯类物种和甲苯类芳烃是车用汽油和油气处理装置VOCs排放控制的重点.
关键词: 加油站      油气处理装置      挥发性有机物(VOCs)      臭氧生成潜势(OFP)      二次有机气溶胶生成潜势(SOAP)     
Chemical Composition of VOCs from Service Stations Vapor Processing Device and Associated Contributions to Secondary Pollution
HU Wei1,2 , HUANG Yu-hu2,3 , LIANG Wen-jun1 , LIU Ming-yu4 , YANG Tian-yi2 , REN Bi-qi2     
1. Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, Faculty of Environment and Life, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. Beijing Key Laboratory of Urban Atmospheric Volatile Organic Compounds Control Technology and Applications, Beijing Municipal Research Institute of Eco-Environmental Protection, Beijing 100037, China;
3. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China;
4. Beijing Vehicle Emission Management Center, Beijing 100176, China
Abstract: Vapor processing device is a device that can control the headspace pressure in the underground storage tanks and recover the vapor. By analyzing the chemical composition of volatile organic compounds (VOCs) at the inlet and outlet of the vapor processing device, the ozone formation potential (OFP) and secondary organic aerosol formation potential (SOAP) were estimated by maximum incremental reaction (MIR) and fractional aerosol coefficients (FAC), and the secondary pollution formation contribution of VOCs were quantitatively evaluated. The results showed that: ① the ρ(total volatile organic compounds, TVOC) at the inlet and outlet of the vapor processing device were 436-706 g·m-3 and 4.98-10.04 g·m-3, respectively. Alkanes (72%±4%), oxygenated organics (14%±2%), and olefins (11%±5%) were the dominant components of VOCs emissions. There were little differences in VOCs emissions from the different vapor processing devices; the key species were i-pentane (approximately 25%), followed by n-butane, i-butane, and n-pentane. ② The ozone source reactivity (SR) of VOCs emissions from the outlet of the vapor processing device was 2.6-3.3 g·g-1, and the OFP was 3.5-25.6 g·m-3. Olefins contributed the most (43%-69%), followed by alkanes (20%-35%) and oxygenated organics (10%-22%). Butene, cis-2-butene, trans-2-butene, i-pentane, and propionaldehyde were the species that highly contributed to OFP. ③ Aromatics in VOCs emissions contributed the most to SOAP (80%-92%), and the main active species were toluene, 1, 2, 4-trimethylbenzene, 1, 3, 5-trimethylbenzene, and p-diethylbenzene. The research showed that different VOCs species emitted by the vapor processing device contributed obvious differences to the secondary atmospheric pollution, and butene species and aromatics such as toluene were the focus of VOCs emission control of vehicle gasoline and vapor processing device.
Key words: service stations      vapor processing device      volatile organic compounds(VOCs)      ozone formation potential(OFP)      secondary organic aerosol formation potential(SOAP)     

近年来, 我国环境空气质量不断改善, 但臭氧(O3)污染问题日益显现[1~3].挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)是细颗粒物(PM2.5)和O3的重要前体物[4, 5], 是造成我国城市大气污染的主要因素之一.移动源、工业源、溶剂使用源和油品储运销等是北京地区VOCs的主要贡献者[6], 车辆汽油蒸发及尾气排放占京津冀区域VOCs排放总量的35%以上[7].

车用汽油具有较高的饱和蒸气压[8], 在空气中极易挥发, 汽油直接挥发产生的油气VOCs体积浓度平均值约为30%, 按油气平均分子量65 g·mol-1换算成ρ(VOCs)为870 g·m-3.高浓度油气VOCs直接排放至大气中, 对大气环境和人体健康等均有显著不利影响[9], 加油站VOCs排放因子为3.243 g·kg-1[10], 北京市加油站已全部完成加油和卸油油气回收, 油气回收效率达80%; 2008年以后超过30%的加油站安装了油气处理装置[11], 油气回收效率提升至90%[12], 2020年北京市汽油销售量为423.06万t[13], 加油站VOCs年排放量约为2 332.4 t.我国加油站大气污染物排放标准(GB 20952-2020)[14]规定加油油气回收系统气液比(A/L)限值为1.00~1.20, A/L≥1.00势必导致埋地油罐压力增大.油气处理装置采用吸附、膜分离和冷凝等技术[15~18], 可控制卸油和加油工作时埋地油罐压力增加所产生的无组织排放.吸附法利用活性炭多孔吸附和分子间范德华力的作用, 当油气通过活性炭吸附剂床层时, 油气中的烃类物质被吸附截留下来[15], 目前加油站常用的吸附法油气处理为双活性炭罐, 吸脱附同步进行, 脱附后的高浓度油气返回埋地油罐, 可以达到较高的油气回收效率; 膜分离技术利用高分子膜对油气碳氢化合物的优先透过性, 使油气/空气混合气在一定的压差作用下经过膜的“过滤作用”, 实现油气和空气分离[16, 17], 近年来国内研发的膜材料装置运行稳定, 油气回收效率较高; 冷凝法利用压缩机制冷技术, 使油气各组分温度低于凝点从气态变为液态, 从而实现油气回收利用[18], 设备工艺原理简单, 但能耗和投资成本较高.北京市加油站油气处理装置3种主流工艺分别为膜分离、吸附和冷凝+膜分离法, 2018年3种主流工艺市场占比分别为25.6%、39.3%和34.5%, 其他工艺合计占比约0.6%[19].

我国加油站VOCs排放及控制研究主要集中在排放标准[14, 20, 21]、排放现状[19, 22]和油气回收技术[15~18]等方面, 国外对加油站的研究主要为加油VOCs排放[7, 23~25]、环境和人体健康影响[26~28]等, 油气处理装置作为加油站VOCs有组织排放口, 国内外对其排放的VOCs化学组成及二次污染特征等研究较少.随着VOCs行业精细化管控, VOCs排放源成分谱对于量化VOCs在大气污染中的作用至关重要.本研究以加油站不同工艺油气处理装置进出口VOCs为研究对象, 利用气相色谱-质谱法对加油站有组织排放VOCs化学组成进行分析.利用最大增量反应活性(maximum incremental reactivity, MIR)和气溶胶生成系数(fractional aerosol coefficients, FAC)估算VOCs臭氧生成潜势(ozone formation potential, OFP)和二次有机气溶胶生成潜势(secondary organic aerosol formation potential, SOAP), 量化评估二次污染生成贡献, 明确VOCs优先控制物种, 以期为下一步车用汽油和油气处理装置VOCs治理提供科学指导.

1 材料与方法 1.1 试验对象

全国成品油年零售量<3 000、3 000~10 000和>10 000 t的加油站数量占比分别为72.7%、23.3%和4.0%[29].北京市加油站主要销售92号、95号和98号车用汽油, 单站汽油年销售规模大于全国水平.2021年2~4月, 在北京市选取3种不同工艺油气处理装置的加油站, 开展卸油与非卸油期间油气处理装置进出口VOCs样品采集及组分分析.

从中石化、中石油和民营企业中各选取1座年汽油销售规模较大的加油站作为试验站, 油气样品及采样情况见表 1.油气处理装置进口VOCs浓度较高, 采用100 mL玻璃针筒采集; 出口VOCs排放浓度较低, 采用内置1 L特氟龙气袋的采样箱采集.

表 1 被测加油站及油气处理装置采样情况 Table 1 Sampling of tested service stations and sampling number

1.2 样品稀释方法

采用SUMMA罐(内壁惰性硅烷化处理的气体采样罐)和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)定量分析VOCs样品组分, SUMMA罐内VOCs本底浓度一般低于10 μmol·mol-1, 单个VOCs组分一般低于200 nmol·mol-1.为避免高浓度油气污染SUMMA罐, 在实验室进行油气VOCs稀释, 稀释方法见图 1.

图 1 油气处理装置进出口VOCs样品稀释步骤 Fig. 1 Dilution steps of VOCs sample from the inlet and outlet of vapor processing device

使用10 mL气密玻璃注射器(气密针)、流量计(TSI 5210-1)、1 L特氟龙气袋和高纯氮气(99.99%)对样品进行稀释.向SUMMA罐中充入约1/3罐体积的高纯氮气待用.油气处理装置出口油气采用气密针抽取5 mL样品, 转移至3.2 L的SUMMA罐, 然后通入高纯氮气至常压, 稀释约600倍; 进口油气采用气密针抽取10 mL样品, 转移至充满高纯氮气的1 L特氟龙气袋, 利用流量计测量充入气袋中的氮气体积, 稀释约100倍.混合均匀后, 使用气密针抽取5 mL, 转移至3.2 L的SUMMA罐, 合计稀释约为60 000倍.

1.3 质保质控与样品分析

油气处理装置进出口VOCs浓度高于GC-FID/MS检测范围, 本研究同步采集2个油气平行样品, 在VOCs样品稀释之前, 利用气相色谱仪测定平行样品的非甲烷总烃(NMHC)浓度, 根据NMHC测定结果确定稀释倍数; VOCs组分的定量分析参照环境空气挥发性有机物的测定罐采样/气相色谱-质谱法(HJ 759-2015)[30], 采用三级冷井GC-FID/MS监测系统分析, 通过ENTECH 7200大气预浓缩系统进样, 结合气相冷柱箱与中心切割技术, 将C2与C3组分切割至PLOT Al2O3柱, 在FID检测器进行分析, 其余组分通过DB-1柱子分离后进入质谱分析.分析的物质为PAMS臭氧前体混和物(57种)、TO-15标准气体(47种)和醛酮化合物(13种), 共117种目标化合物.以SUMMA罐内5 nmol·mol-1为目标物质检测浓度, GC-FID/MS测试各物质相对标准偏差(RSD)<10%, 1.25~20 nmol·mol-1浓度范围内标准曲线可决系数(R2)>99.95%.

2 结果与讨论 2.1 TVOC浓度及物种构成 2.1.1 TVOC浓度水平

图 2为加油站油气处理装置进出口总挥发性有机物(TVOC)浓度.卸油与非卸油期间, 1号加油站油气处理装置进口ρ(TVOC)分别为620 g·m-3和463 g·m-3, 2号加油站ρ(TVOC)分别为609 g·m-3和436 g·m-3, 3号加油站ρ(TVOC)分别为706 g·m-3和665 g·m-3.卸油期间TVOC浓度明显高于非卸油期间, 主要原因为卸油期间油罐车内汽油不断进入埋地油罐, 加剧埋地油罐内汽油的挥发, 产生过饱和油气, 非卸油期间则为相对静态的饱和油气.

A表示1号加油站卸油时, B表示1号加油站非卸油时, C表示2号加油站卸油时, D表示2号加油站非卸油时, E表示3号加油站卸油时, F表示3号加油站非卸油时 图 2 油气处理装置进口和出口TVOC浓度 Fig. 2 TVOC concentration at the inlet and outlet of vapor processing device

卸油和非卸油期间, 1号加油站油气处理装置出口ρ(TVOC)分别为7.41 g·m-3和4.98 g·m-3, 2号加油站ρ(TVOC)分别为10.04 g·m-3和9.86 g·m-3, 3号加油站ρ(TVOC)分别为8.31 g·m-3和6.41 g·m-3, 平均油气去除效率分别为98.9%、98.8%和98.0%.不同加油站油气处理装置TVOC排放浓度略有差别, 1号加油站TVOC排放浓度最低, 其采用活性炭吸附工艺, 而活性炭吸附工艺TVOCs排放浓度会受吸附阶段影响; 3号加油站采用冷凝+膜分离工艺, 在2号加油站(膜分离工艺)的基础上增加冷凝预处理, 油气去除效率有所提高.总体而言, 油气处理装置出口TVOC排放与王思宇等[19]全口径检测分析的北京市2016~2018年NMHC排放(5.43、3.67和2.30 g·m-3)基本处于同一水平, 不同工艺油气处理装置的差异有待进一步研究.

与石油化工和有机溶剂等其他VOCs重点行业相比, Feng等[31]测试大型炼油厂不同工艺单元ρ(TVOC)为0.206~5.151 mg·m-3; Li等[32]测试橡胶行业不同加工工序ρ(VOCs)为383~1 507 mg·m-3; Li等[33]实测炼焦行业不同点位ρ(VOCs)为0.189~0.528 mg·m-3; 刘文文等[34]测试京津冀地区典型印刷企业ρ(VOCs)为3.3~755 mg·m-3.加油站虽进行油气回收处理, VOCs去除效率>98%, 但VOCs排放浓度仍高出其他VOCs重点行业1~4个数量级, 排放水平较高, 应进行重点治理.

2.1.2 化学物种构成

图 2可以看出, 油气处理装置进出口VOCs物种构成存在微小差异, 总体上烷烃对油气VOCs的贡献最大, 其次为烯烃和含氧有机物, 芳烃贡献较小, 质量分数详见图 3.

(a)进口,(b)出口; A表示1号加油站卸油时, B表示1号加油站非卸油时, C表示2号加油站卸油时, D表示2号加油站非卸油时, E表示3号加油站卸油时, F表示3号加油站非卸油时 图 3 油气处理装置进口和出口VOCs物种构成 Fig. 3 Composition of VOCs species at inlet and outlet of vapor processing device

3座加油站油气处理装置进口烷烃、烯烃、芳烃和含氧有机物质量分数平均值分别为66%±2%、11%±2%、3%±1%和19%±1%; 出口烷烃、烯烃、芳烃和含氧有机物质量分数平均值分别为72%±4%、11%±5%、1%±1%和14%±2%.经不同工艺处理后, 出口油气中烷烃质量分数增加, 芳烃和含氧有机物下降.这是由于油气处理装置进口VOCs浓度较高, 高浓度油气经吸附、冷凝和膜分离等工艺处理后, 出口VOCs各组分浓度显著降低, 表现在化学物种构成层面差异较小.

国内外多位学者对汽油油气组分进行测试, Zhang等[35]对比测试广东汽油油气VOCs组分中烷烃、烯烃和芳烃质量分数分别为: 59%~72%、18%~28%和4%~10%; Yue等[36]实测不同燃油车24 h蒸发排放中, 烷烃、烯烃和芳烃质量分数分别为: 68.5%~82.6%、10.0%~27.7%和0.7%~7.3%; Man等[37]测试汽油顶空蒸气中烷烃、烯烃、芳烃和含氧有机物质量分数分别为: 66.0%、18.7%、1.1%和13.8%.本研究与国内外汽油油气化学组成相比, 烷烃和烯烃质量分数范围基本一致, 但含氧有机物构成差异较大, 主要原因可能与地区汽油配方有关, 如汽油中添加甲基叔丁基醚(MTBE)和少量的醇类物质(甲醇、乙醇)等.试验期间北京市执行的车用汽油标准[38]规定, 烯烃含量不大于15%(体积分数)、芳烃含量不大于35%(体积分数).2021年12月1日北京市将实施车用汽油环保技术要求(DB 11/238-2021)[39], 规定烯烃含量不大于12%(体积分数)、芳烃含量不大于32%(体积分数).

2.2 VOCs化学组成 2.2.1 基本化学组成

油气处理装置进口VOCs化学组成见图 4.从中可见, 不同加油站油气处理装置进口VOCs化学组成较为一致, 主要为C4~C6的烷烃类物质(丁烷、戊烷和己烷及其同分异构体)、MTBE和乙酸乙烯酯、丙酮和丙醛等含氧有机物.3座加油站油气处理装置进口VOCs中异戊烷所占比例均最高, 质量分数为25%~30%, 其高比例特征与国内外研究的结果相同[40, 41], 其次为正丁烷、异丁烷和正戊烷, 三者合计约14%~27%.汽油主要由C4~C13的碳氢化合物和含氧有机物[42]等构成, 在常温环境下, 碳氢化合物相对分子质量越低、沸点越高, 越易挥发, 因此C4~C6等低分子质量的挥发性物质更容易从汽油中挥发出来[43].此外, MTBE常用作汽油添加剂, 以改善车用汽油的使用性能及辛烷值; 汽油中添加少量丙酮, 能降低汽油沸点, 达到合适的混合比, 因此相较于其他相对分子质量高且难挥发性物质, MTBE和丙酮等物质在油气处理装置进口中占比略高.

①乙烯, ②乙烷, ③丙烷, ④异丁烷, ⑤正丁烯, ⑥正丁烷, ⑦顺-2-丁烯, ⑧反-2-丁烯, ⑨异戊烷, ⑩戊烯, ⑪ 正戊烷, ⑫ 反-2-戊烯, ⑬ 2-甲基-1, 3-丁二烯, ⑭ 顺-2-戊烯, ⑮ 2, 2-二甲基丁烷, ⑯ 环戊烷, ⑰ 2, 3-二甲基丁烷, ⑱ 2-甲基戊烷, ⑲ 3-甲基戊烷, ⑳ 正己烷, ㉑ 甲基环戊烷, ㉒ 苯, ㉓ 环己烷, ㉔ 2-甲基己烷, ㉕ 3-甲基己烷, ㉖ 2, 2, 4-三甲基戊烷, ㉗ 正庚烷, ㉘ 甲苯, ㉙ 间-二甲苯, ㉚ 丁二烯, ㉛ 甲基叔丁基醚, ㉜ 乙酸乙烯酯, ㉝ 1, 2-二氯丙烷, ㉞ 1, 4-二氧六环, ㉟ 2-己酮, ㊱ 邻二氯苯, ㊲ 1, 2, 4-三氯苯, ㊳ 萘, ㊴ 1, 1, 2, 3, 4, 4-六氯-1, 3-丁二烯, ㊵ 甲醛, ㊶ 乙醛, ㊷ 丙酮, ㊸ 丙醛, ㊹ 丁烯醛, ㊺ 正丁醛, ㊻ 苯甲醛, ㊼ 间甲基苯甲醛, ㊽ 乙醇; 图中未列出贡献率<0.2%的VOCs化学组分, 图 5 图 4 油气处理装置进口VOCs化学组成 Fig. 4 Composition of VOCs at the inlet of vapor processing device

油气处理装置出口VOCs化学组成见图 5.从中可见, 出口VOCs排放主要为C4和C5的烷烃和烯烃, 以及少量的醛酮等含氧有机物, 相对于油气处理装置进口, 出口MTBE显著降低.不同工艺油气处理装置出口VOCs排放差异较小, VOCs主要组分构成与进口较为相似, 原因是进口高浓度VOCs经不同工艺处理后, 出口VOCs各组分浓度均大幅降低, VOCs组分相对稳定、质量分数变化不大.1号加油站油气经活性炭吸附后, VOCs组分主要为异戊烷和正丁烷, 所占质量分数分别为25.5%和24.5%, 卸油期间异戊烷质量分数达到45.7%; 2号和3号加油站采用膜分离和冷凝+膜分离工艺, 卸油与非卸油期间, 出口VOCs排放主要组分均为异戊烷、正丁烷和异丁烷, 与活性炭吸附相比, 这两种工艺VOCs排放中乙烷、丙烷和MTBE等物质所占质量分数有所增加.

图注同图 4 图 5 油气处理装置出口VOCs化学组成 Fig. 5 Composition of VOCs at the outlet of vapor processing device

2.2.2 排放特征组分

3座加油站卸油和非卸油时出口VOCs各组分贡献在1%以上的化合物分别有15种和16种, 质量分数合计分别为91.7%和91.4%, VOCs关键物种较为集中, 与王继钦等[44]测试四川省各加油站加油和卸油VOCs排放组分研究相似, 卸油与非卸油期间VOCs化学组成无显著差异.加油站日卸油时长约占日运营时长的4%~8%, 以非卸油时油气处理装置出口VOCs排放为对象, 量化分析TVOC贡献占比前5位的特征组分, 如表 2所示.从中可见, 不同油气处理工艺VOCs排放中异戊烷贡献最高(约25%), 其次为正丁烷和异丁烷.3座加油站油气处理装置出口前5位特征组分占比分别为76.0%、65.5%和67.4%, 此外, 吸附法油气处理装置VOCs排放中丁烯占比较为明显, 反-2-丁烯和正丁烯合计为16.6%, 膜分离法VOCs排放中乙烷占比为7.2%, 冷凝+膜分离法VOCs排放中MTBE占比为6.0%.

表 2 油气处理装置出口VOCs特征组分 Table 2 Characteristic components of VOCs at the outlet of vapor processing device

2.3 二次污染生成贡献 2.3.1 臭氧生成潜势

以非卸油时VOCs排放测试结果计算OFP.3座加油站臭氧生成系数(source reactivity, SR值)分别为3.3、2.6和2.7 g·g-1, 平均值为2.9 g·g-1, OFP分别为3.5、25.6和17.2 g·m-3, 平均值为15.4 g·m-3, 结合汽油年销售量计算3座加油站OFP年生成量分别为27.7、44.4和204.3 kg.虽然吸附法油气处理装置排放VOCs的SR值较高, 但受益于油气处理后TVOC排放浓度较低, OFP生成量少; 膜分离法和冷凝+膜分离法油气排放SR值接近, 整体上OFP生成量随TVOC浓度和汽油销售量的增加而增加.相比于Zhang等[35]测试的汽车加油、顶空蒸气和液体汽油SR值(3.3、3.4和4.1 g·g-1), 加油站油气经处理后SR值略有下降, 但仍高于大部分合成树脂工业[45](0.30~2.68 g·g-1)、印刷企业[34](1.24 g·g-1)和橡胶制造车间[32](0.84 g·g-1)等VOCs重点行业, 是VOCs污染物减排治理的重点.

图 6油气处理装置出口VOCs排放OFP构成上可见, OFP贡献大小为:烯烃(43%~69%)>烷烃(20%~35%)>含氧有机物(10%~22%)>芳烃(1.3%~2.4%).其中, 1号加油站烯烃OFP贡献率>50%, 2号和3号加油站烯烃贡献率介于40%~45%, 烯烃MIR系数较高, 叠加质量分数(11%±2%), 对OFP贡献较大.3座加油站OFP主要贡献物种为丁烯、顺-2-丁烯、反-2-丁烯、异戊烷和丙醛, 合计贡献率分别为83%、60%和57%, 其中1号加油站VOCs排放中反-2-丁烯、顺-2-丁烯和正丁烯对OFP贡献(16%~33%)比2号和3号加油站(10%~15%)显著.由此可见, 限制汽油中烯烃的含量, 尤其加强对油气中丁烯类物质的去除, 有利于控制加油站油气VOCs对臭氧的生成贡献.

(a)1号加油站, (b)2号加油站, (c)3号加油站 图 6 油气处理装置出口OFP组成及关键活性组分 Fig. 6 OFP composition and key active components at the outlet of vapor processing device

烷烃MIR系数低, 但在油气VOCs中含量最丰富, OFP贡献仍然较高.3座加油站中烷烃质量分数分别为65%、75%和73%, OFP贡献率分别为20%、35%和34%, 尤其以异戊烷最为显著, OFP贡献率高达9%、14%和13%.含氧有机物MIR系数普遍高于烷烃、低于烯烃, 同时质量分数介于烷烃和烯烃之间, 计算其OFP贡献率也较为凸显, 3座加油站中含氧有机物质量分数分别为10%、14%和15%, OFP贡献率分别为10%、22%和20%, 特征物质均为丙醛, 其OFP贡献率分别为7%、12%和11%.

2.3.2 二次有机气溶胶生成潜势

图 7为油气处理装置出口SOAP组成及关键活性组分, 从SOAP评估结果来看, 芳烃和烷烃为SOAP主要贡献物种, 烯烃、卤代烃和含氧有机物的SOAP活性贡献基本可以忽略.1号加油站VOCs排放中芳烃对SOAP贡献率为80%, 烷烃贡献率为20%; 2号和3号加油站芳烃和烷烃对SOAP贡献率分别为90%~92%和8%~10%.从物种来看, 甲苯(5%~23%)、1, 2, 4-三甲苯(10%~13%)、1, 3, 5-三甲苯(11%~15%)和对-二乙基苯(10%~19%)等芳烃为SOAP主要活性贡献物种, 其中2号和3号加油站VOCs排放中甲苯SOAP贡献率最大, 其次为对-二乙基苯和三甲苯, 1号加油站甲苯贡献率略低, 未在前5种SOAP关键活性组分中.国内外对汽油油气VOCs排放的SOAP相关研究较少, 在与油品储运及加工相关的石油炼制[46]和石油化工[47]等工业企业VOCs排放SOAP的影响研究中, 芳烃为主要贡献化合物, SOAP贡献率超过78%, 这与本研究的结果相似.许多城市VOCs变化特征研究也均表明[48, 49], 芳烃对SOAP的贡献率最大.由此可见, 控制芳烃物种及含量对降低城市颗粒物中SOA浓度具有关键影响.

(a)1号加油站, (b)2号加油站, (c)3号加油站 图 7 油气处理装置出口SOAP组成及关键活性组分 Fig. 7 SOAP composition and key active components at the outlet of vapor processing device

3 结论

(1) 加油站油气处理装置进口ρ(TVOC)为436~706 g·m-3, 出口ρ(TVOC)为4.98~10.04 g·m-3, 卸油期间TVOC浓度高于非卸油期间.油气处理装置出口VOCs排放主要为烷烃、含氧有机物和烯烃, 质量分数分别为72%±4%、14%±2%和11%±5%, 排放特征组分为异戊烷、正丁烷和异丁烷, 异戊烷质量分数约为25%.

(2) 加油站油气处理装置出口VOCs排放SR值为2.6~3.3 g·g-1, OFP为3.5~25.6 g·m-3.不同物种对OFP贡献大小为:烯烃>烷烃>含氧有机物>芳烃; OFP贡献率分别为: 43%~69%、20%~35%、10%~22%和1.3%~2.4%.OFP贡献关键物种为: 丁烯、顺-2-丁烯、反-2-丁烯、异戊烷和丙醛.

(3) 芳烃和烷烃是控制加油站油气处理装置出口VOCs排放SOA生成的关键物种, 芳烃对SOAP的贡献率超过80%.甲苯、1, 2, 4-三甲苯、1, 3, 5-三甲苯和对-二乙基苯SOAP活性最强, SOAP贡献率分别为: 5%~23%、10%~13%、11~15%和10%~19%.

(4) 加油站油气处理装置排放的各VOCs物种对大气环境贡献差异较大, 应结合VOCs物种含量和筛选出的OFP和SOAP关键活性物种, 有针对性的改进汽油炼制技术和油气处理技术, 减少车用汽油和油气处理装置排放油气中的烯烃和芳烃含量.

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