煉廠罐區(qū)排氣減排及集中收集設(shè)計(jì)*

金 平，廖昌建，劉忠生，劉 偉，樸 勇

(中國(guó)石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045)

煉油廠儲(chǔ)罐是油品儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中的主要設(shè)施之一，承擔(dān)著原油、油品、污油及酸性水等液體介質(zhì)的儲(chǔ)存、輸轉(zhuǎn)功能。油品在儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)存在著油品蒸發(fā)、排放廢氣等過(guò)程[1]。油品儲(chǔ)罐在靜儲(chǔ)和輸轉(zhuǎn)過(guò)程中，排放的油氣濃度較高，排放氣中污染物主要有揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、硫化氫、有機(jī)硫化物、苯、甲苯、二甲苯等。煉油廠儲(chǔ)罐排放的廢氣主要有酸性水罐排氣、污油罐排氣、粗柴油罐排氣、成品汽油罐排氣、堿渣罐排氣、高溫瀝青罐排氣、高溫蠟油罐排氣等[2]。我國(guó)煉油企業(yè)早已開(kāi)始對(duì)惡臭和VOCs污染物進(jìn)行治理。儲(chǔ)罐排放氣達(dá)標(biāo)治理的技術(shù)主要有回收法和破壞法，VOCs回收法主要包括吸附、吸收、冷凝及膜分離法等。破壞法主要包括高溫焚燒、催化氧化(催化燃燒)、生物氧化、低溫等離子體破壞和光催化氧化技術(shù)等[3，4]。

在對(duì)某煉廠儲(chǔ)運(yùn)部污油罐、混合二甲苯罐、加氫柴油料罐等儲(chǔ)罐排放氣治理前，需要對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行密閉、儲(chǔ)罐排氣進(jìn)行收集，建立罐頂氣相連通管網(wǎng)[5]。通過(guò)核算儲(chǔ)罐排氣量、吸氣量及安全承壓等，設(shè)計(jì)合理的儲(chǔ)罐氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)、儲(chǔ)罐排氣收集系統(tǒng)、罐區(qū)排氣壓力控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐排氣密閉收集，罐區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 罐區(qū)概況

某煉油廠儲(chǔ)運(yùn)部罐區(qū)有4臺(tái)輕污油內(nèi)浮頂罐、3臺(tái)混合二甲苯內(nèi)浮頂罐、4臺(tái)加氫柴油料拱頂罐，3臺(tái)焦化汽油內(nèi)浮頂罐，7臺(tái)重污油拱頂罐。21臺(tái)儲(chǔ)罐排放廢氣的污染物主要有VOCs、硫化氫、有機(jī)硫化物、苯系物等。輕污油罐總罐容為8 000 m3、最大進(jìn)料量為150 m3/h；混合二甲苯罐總罐容為15 000 m3、最大進(jìn)料量為40 m3/h；加氫柴油料罐總罐容為30 000 m3、最大進(jìn)料量為249 m3/h；焦化汽油罐總罐容為6 000 m3、最大進(jìn)料量為20 m3/h；重污油罐總罐容為10 000 m3、最大進(jìn)料量為70 m3/h。21臺(tái)罐正常運(yùn)行時(shí)總罐容實(shí)際裝液體積為55%。

2 儲(chǔ)罐排氣減排措施

污油罐、焦化汽油罐等常壓儲(chǔ)罐排放廢氣量主要與儲(chǔ)存物料蒸汽壓、罐的操作溫度和壓力、進(jìn)出料流量及時(shí)間等有關(guān)。為了減少儲(chǔ)罐廢氣排放量，可通過(guò)以下措施達(dá)到儲(chǔ)罐廢氣減排效果[6]。

a)控制輕污油、重污油、焦化汽油等物料進(jìn)儲(chǔ)罐的溫度和物料儲(chǔ)存溫度?？刂七M(jìn)料溫度可避免高溫進(jìn)料在儲(chǔ)罐內(nèi)閃蒸，減少高濃度廢氣排放。進(jìn)料溫度和儲(chǔ)罐操作溫度需按照SH/T 3007-2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》中可燃液體儲(chǔ)存溫度推薦值執(zhí)行。

b)結(jié)合儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力和使用情況，設(shè)置合理的儲(chǔ)罐操作壓力，使儲(chǔ)罐在微正壓下操作，減少儲(chǔ)罐排氣和吸氣量。儲(chǔ)罐操作壓力應(yīng)按照SH/T 3007-2014中規(guī)定的儲(chǔ)罐操作壓力確定原則執(zhí)行。

c)在輕污油罐、焦化汽油儲(chǔ)罐外表面增加隔熱涂層，減小儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空氣溫度變化差，減少儲(chǔ)罐小呼吸排氣量。

d)優(yōu)化生產(chǎn)管理，合理安排儲(chǔ)罐進(jìn)出料時(shí)間和周期，平衡控制進(jìn)出料流量，減少儲(chǔ)罐大呼吸排氣量。

e)設(shè)計(jì)罐區(qū)罐頂氣相空間連通管網(wǎng)，平衡儲(chǔ)罐之間的大呼吸排氣和小呼吸排氣，減少整個(gè)罐區(qū)排氣量和吸氣量。

3 罐區(qū)排氣集中收集方案

儲(chǔ)罐排氣集中收集應(yīng)根據(jù)排氣污染物性質(zhì)、排氣溫度等進(jìn)行分類(lèi)收集。某煉油廠儲(chǔ)運(yùn)部罐區(qū)21臺(tái)儲(chǔ)罐排氣收集方案如圖1。

圖1 罐區(qū)排氣收集方案示意

輕污油內(nèi)浮頂罐、混合二甲苯內(nèi)浮頂罐、加氫柴油料拱頂罐、焦化汽油內(nèi)浮頂罐為非恒溫儲(chǔ)罐。首先將該4種物料的非恒溫儲(chǔ)罐按照同類(lèi)物料儲(chǔ)罐罐頂氣相空間分別連通，同類(lèi)物料儲(chǔ)罐排氣可相互串通，再將所有非恒溫儲(chǔ)罐罐頂連通管道通過(guò)收集管道匯總為非恒溫儲(chǔ)罐廢氣收集總管道，該廢氣收集總管的操作溫度為常溫，操作壓力為微正壓。

7臺(tái)重污油罐罐頂氣經(jīng)過(guò)引氣支管匯總后進(jìn)空冷器，高溫氣體經(jīng)過(guò)空冷器冷卻至45～50 ℃，冷卻分離后的廢氣與輕污油罐等非恒溫儲(chǔ)罐廢氣收集總管道匯總至廢氣治理裝置處理。重污油罐罐頂氣排放口至空冷器廢氣進(jìn)口之間的管道需要設(shè)置保溫，避免重組分冷凝堵塞管閥件。

4 罐區(qū)最大排氣/吸氣量計(jì)算

4.1 最大排氣量計(jì)算

儲(chǔ)罐在運(yùn)行過(guò)程中，由于物料的輸轉(zhuǎn)、晝夜溫差變化等產(chǎn)生排氣。儲(chǔ)罐最大排氣量包含大呼吸排氣量、小呼吸排氣量、進(jìn)料溫度高于罐內(nèi)儲(chǔ)存溫度導(dǎo)致的蒸發(fā)排氣量及高壓進(jìn)料釋放的溶解氣量。當(dāng)煉油廠儲(chǔ)運(yùn)部21臺(tái)儲(chǔ)罐罐區(qū)設(shè)計(jì)采用罐頂連通管網(wǎng)等減排措施后，罐區(qū)排氣及吸氣量計(jì)算方法可依據(jù)《石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)VOCs治理項(xiàng)目油氣連通工藝實(shí)施方案及安全措施指導(dǎo)意見(jiàn)》(中國(guó)石化煉發(fā)函[2016]127號(hào))、《石油化工企業(yè)儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)罐頂氣連通安全技術(shù)要求(試行)》(中國(guó)石化安技[2018]33號(hào))，參照劉忠生等[7]提出的估算方法，經(jīng)估算，21臺(tái)罐的最大大呼吸排氣量為529 m3/h，最大小呼吸排氣量為347 m3/h，合計(jì)排氣量為876 m3/h。

4.2 最大吸氣量計(jì)算

輕污油內(nèi)浮頂罐等非恒溫儲(chǔ)罐密封后吸氣的工況主要有：正常工況時(shí)儲(chǔ)罐的大呼吸吸氣、小呼吸吸氣和暴雨天氣時(shí)儲(chǔ)罐的突然吸氣。正常工況時(shí)采用罐區(qū)吸氣估算公式[7，8]，計(jì)算得到大呼吸最大吸氣量為459 m3/h，小呼吸最大吸氣量為347 m3/h。煉廠夏季暴雨時(shí)，假設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間在單位時(shí)間(1 h)的溫差變化為30 ℃，此時(shí)罐區(qū)瞬時(shí)最大吸氣量為2 760 m3/h。重污油拱頂罐為恒溫儲(chǔ)罐，其最大吸氣量為最大大呼吸吸氣量，氣量為70 m3/h。

5 罐區(qū)氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 氮?dú)庥昧坑?jì)算

在儲(chǔ)罐吸氣時(shí)，煉油廠一般采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，向含硫化氫介質(zhì)的儲(chǔ)罐中注入氮?dú)?，降低罐頂排氣中的氧氣含量，在氮?dú)夥諊鷹l件下，汽油油氣組分不發(fā)生爆炸時(shí)的最大氧氣濃度為11.6%，同時(shí)考慮硫化亞鐵在氧氣中氧化放熱的影響，建議控制罐內(nèi)氣體中氧氣濃度低于6%，避免氧化放熱而存在局部高溫的區(qū)域，達(dá)到抑制罐頂火源的產(chǎn)生[8]。在控制罐內(nèi)氧氣濃度低于6%的條件下，罐區(qū)補(bǔ)氮量為1 971 m3/h。

5.2 氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a)氮?dú)夤艿涝O(shè)計(jì)。罐頂?shù)忾y組包括氮?dú)庠?、氮?dú)夤芫€(xiàn)、自控閥門(mén)、限流孔板等，每個(gè)儲(chǔ)罐罐頂均設(shè)計(jì)有補(bǔ)氮閥組，采用0.6 MPa氮?dú)庾鳛楣揄斞a(bǔ)氮?dú)庠?，根?jù)暴雨天氣時(shí)罐區(qū)補(bǔ)氮用量，補(bǔ)氮系統(tǒng)總管管徑可設(shè)計(jì)為DN100，各儲(chǔ)罐補(bǔ)氮支管管徑可設(shè)計(jì)為DN50，以滿(mǎn)足罐區(qū)瞬時(shí)最大補(bǔ)氮?dú)饬俊?/p>

b)補(bǔ)氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在綜合考慮儲(chǔ)罐承壓及呼吸閥工作壓力范圍的條件下，罐區(qū)補(bǔ)氮系統(tǒng)控制壓力值設(shè)置可按照SH/T 3007-2014中推薦值確定。

以3臺(tái)混合二甲苯罐(V-01/02/03)補(bǔ)氮設(shè)計(jì)為例，如圖2。設(shè)計(jì)校核了該罐的承壓壓力為1 950 Pa，每臺(tái)儲(chǔ)罐罐頂新更換了2臺(tái)呼吸閥，呼吸閥正壓定壓為1 400 Pa、負(fù)壓定壓為-295 Pa，同時(shí)罐頂增設(shè)緊急泄放人孔，緊急泄壓人孔定壓為1 500 Pa。當(dāng)罐(V-01)內(nèi)氣體壓力低于控制壓力200 Pa時(shí)，通過(guò)壓力控制自動(dòng)開(kāi)啟補(bǔ)氮控制閥(PV-01)向罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?；補(bǔ)氮至罐內(nèi)氣體壓力達(dá)到控制壓力500 Pa時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)氮閥(PV-01)。罐(V-02)、罐(V-03)的補(bǔ)氮過(guò)程與罐(V-01)一樣。

圖2 混合二甲苯罐氮?dú)獗Ｗo(hù)與排氣收集設(shè)計(jì)

6 罐頂連通管網(wǎng)設(shè)計(jì)

6.1 罐頂連通安全設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50341[9]、SH/T 3002[10]、SH/T 3007-2014等相關(guān)規(guī)范要求，罐頂需要配置相應(yīng)的安全附件，如呼吸閥、水封罐、管道阻火器、緊急泄壓人孔等。罐頂連通及罐頂排氣收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)須符合《石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)罐頂連通安全技術(shù)要求(試行)》、《石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)VOCs治理項(xiàng)目油氣連通工藝實(shí)施方案及安全措施指導(dǎo)意見(jiàn)》等相關(guān)規(guī)定。儲(chǔ)罐罐頂需要設(shè)置壓力變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐工作壓力。某煉油廠儲(chǔ)運(yùn)部21臺(tái)罐區(qū)最大排氣量為876 m3/h，按照油氣管線(xiàn)氣速要求小于8 m/s設(shè)計(jì)，排氣收集總管管徑可設(shè)計(jì)為DN200，各個(gè)儲(chǔ)罐排氣收集支管應(yīng)選用DN100管徑。

6.2 罐區(qū)排氣收集設(shè)計(jì)

為了減少儲(chǔ)罐內(nèi)物料蒸發(fā)損耗和防止儲(chǔ)罐癟罐，儲(chǔ)罐排氣一般在微正壓條件下運(yùn)行。通過(guò)在排氣收集管道上設(shè)置自動(dòng)控制閥門(mén)和壓力變送器，控制罐內(nèi)氣體壓力[11]。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力達(dá)到排氣壓力時(shí)，儲(chǔ)罐排氣進(jìn)入收集管網(wǎng)；當(dāng)罐內(nèi)壓力降低至停止排氣壓力時(shí)，收集管道上的壓控閥關(guān)閉，儲(chǔ)罐停止排氣。儲(chǔ)罐排氣壓力與停止排氣壓力的范圍應(yīng)在儲(chǔ)罐安全附件工作壓力范圍內(nèi)，且儲(chǔ)罐的停止排氣壓力值一般大于氮?dú)獗Ｗo(hù)工作壓力范圍的最大值，以減少儲(chǔ)罐補(bǔ)充氮?dú)饬?。?臺(tái)混合二甲苯罐排氣收集設(shè)計(jì)為例，按照《石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)罐頂連通安全技術(shù)要求(試行)》等相關(guān)規(guī)定設(shè)置罐區(qū)連通罐網(wǎng)，如圖2所示，3臺(tái)儲(chǔ)罐排氣管連通匯總，并在該匯總管上設(shè)置自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥(PSV-04)和壓力變送器(PT-04)，當(dāng)罐頂壓力變送器PT-01、PT-02、PT-03和PT-04任意2臺(tái)變送器的壓力值達(dá)到1 200 Pa時(shí)，控制閥(PSV-04)開(kāi)啟，儲(chǔ)罐排氣至排氣收集管，收集的廢氣再輸送至廢氣治理裝置處理；當(dāng)罐頂壓力變送器PT-01、PT-02、PT-03和PT-04任意2臺(tái)變送器的壓力值降低至600 Pa時(shí)，控制閥(PSV-04)關(guān)閉，儲(chǔ)罐停止排氣。

7 結(jié)語(yǔ)

a)在采取儲(chǔ)罐排氣減排措施的基礎(chǔ)上，按照儲(chǔ)罐排氣性質(zhì)對(duì)排氣分類(lèi)收集，設(shè)計(jì)罐區(qū)氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)和罐頂連通管網(wǎng)。在正常工況時(shí)，儲(chǔ)運(yùn)部21臺(tái)儲(chǔ)罐最大排氣量、吸氣量均為876 m3/h；但當(dāng)遇暴雨時(shí)，罐區(qū)瞬時(shí)最大吸氣量為2 760 m3/h。在控制罐內(nèi)氧氣濃度低于6%的條件下，罐區(qū)補(bǔ)氮量為1 971 m3/h。設(shè)計(jì)補(bǔ)氮總管管徑為DN100、各儲(chǔ)罐補(bǔ)氮支管為DN50，排氣收集總管管徑為DN200，各個(gè)儲(chǔ)罐排氣收集支管為DN100。

b)通過(guò)校核儲(chǔ)罐的承壓、呼吸閥定壓等，合理設(shè)置儲(chǔ)罐安全操作壓力。以3臺(tái)混合二甲苯儲(chǔ)罐為例，儲(chǔ)罐的承壓為1 950 Pa，呼吸閥定壓為1 400 Pa、-295 Pa，為了儲(chǔ)罐安全運(yùn)行和節(jié)約氮?dú)庥昧?，設(shè)置儲(chǔ)罐排氣操作壓力范圍為600～1 200 Pa、補(bǔ)氮操作壓力范圍為200～500 Pa。