煉油廠已建成品儲(chǔ)罐區(qū)VOCs治理工藝的設(shè)計(jì)

國(guó)立軍(山東墾利石化集團(tuán)有限公司，山東 東營(yíng) 257500)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度越來越大，煉油廠已建成品油庫(kù)浮頂罐設(shè)計(jì)和氮?dú)夥舛略O(shè)計(jì)的VOCs排放已達(dá)不到地方和國(guó)家大氣排放標(biāo)準(zhǔn)，已建成品罐區(qū)VOCs排放治理改造勢(shì)在必行。作者從事儲(chǔ)罐區(qū)管理20余年，與同行經(jīng)過長(zhǎng)期交流，結(jié)合煉油廠實(shí)際情況，對(duì)工藝設(shè)計(jì)改造中存在的問題進(jìn)行對(duì)比和探討，僅以此篇論文和大家探討一下煉油廠已建成品儲(chǔ)罐區(qū)VOCs治理改造工藝的設(shè)計(jì)。

1 已建儲(chǔ)罐區(qū)油氣回收工藝路線的選擇

1.1 現(xiàn)有油氣回收可選擇工藝路線

現(xiàn)有油氣處理方法有冷凝法回收法、吸附法回收法、吸收法回收法、膜分離法回收法和焚燒法[1]。

冷凝法的油氣回收是采用多級(jí)連續(xù)冷卻方法降低揮發(fā)油氣的溫度，從而使油氣中的輕油凝聚成液體回收，排除潔凈空氣的方法。一般油氣回收效率80%左右，多用于高濃度油氣的回收處理。冷凝后的尾氣一般高于3 000.0×10-6，只使用冷凝回收法達(dá)不到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，冷凝回收法一般和吸附回收法或吸收法聯(lián)合處置。

吸附法主要是利用吸附介質(zhì)與油氣分子的親和作用吸附油氣分子，再吸附介質(zhì)脫附，用以達(dá)到油氣回收的目的。目前使用較多的吸附介質(zhì)是活性炭。吸附介質(zhì)脫附一般使用真空脫附和氮?dú)獯得?，或兩者?lián)合使用，活性炭深度再生一般使用加熱氮?dú)獯得?，活性炭吸附法不適合高濃度油氣和揮發(fā)性較差的油品，易造成活性炭失效。

吸收法就是利用吸收劑，使他與排放的油氣接觸來吸收油氣的方法?，F(xiàn)在我國(guó)吸收過程有常壓常溫吸收法和常壓冷卻吸收法。

焚燒法是利用熱力破壞有機(jī)廢氣的方法，該方法使油氣中的有機(jī)物轉(zhuǎn)變成CO2和H2O，達(dá)到達(dá)標(biāo)排放的目的，該方法處理使用范圍較廣，處理效率較高。焚燒法適合處理無回收價(jià)值的低濃度有機(jī)物。

為了達(dá)到環(huán)保排放要求，一般采用兩種或兩種以上處理方法聯(lián)合處理，以便達(dá)到達(dá)標(biāo)排放的要求。

一般聯(lián)合處理工藝路線如圖1所示。

圖1 一般聯(lián)合處理工藝路線圖

1.2 工藝路線對(duì)比選擇

以上三條工藝路線均可油氣達(dá)標(biāo)排放，第三條工藝路線較短，經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，不使用吸附劑，減少了設(shè)備和附料的投資成本，而且可避免固體廢物(廢活性炭)的產(chǎn)生，建議選擇第三條工藝路線。

對(duì)于熱力燃燒和催化燃燒選擇，熱力燃燒一般溫度在800 ℃以上，可有效對(duì)有機(jī)物(包括甲烷)破壞，低溫催化燃燒一般溫度在300～400 ℃，投資大，運(yùn)行費(fèi)用較低，后續(xù)維護(hù)費(fèi)用較高。低溫催化燃燒對(duì)油氣中甲烷的破壞較少，易造成甲烷逃逸。熱力燃燒對(duì)有機(jī)氣體的破壞優(yōu)于催化燃燒，綜合以上因素，建議選擇熱力燃燒。

熱力燃燒分明火燃燒和蓄熱燃燒，蓄熱燃燒的缺點(diǎn)是進(jìn)氣濃度達(dá)到爆炸極限易引起氣體爆炸，全國(guó)已有幾起因設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)引起的爆炸事故，雖然運(yùn)行費(fèi)用較低，但從安全方面考慮建議選擇明火燃燒。

煉廠一般都有自備電廠鍋爐或蒸汽鍋爐，正常生產(chǎn)時(shí)油氣冷凝后的尾氣經(jīng)稀釋后作為鍋爐配風(fēng)，配置一臺(tái)熱力燃燒爐作為應(yīng)急燃燒爐使用，正常生產(chǎn)時(shí)尾氣進(jìn)入電廠鍋爐或蒸汽鍋爐，異常情況時(shí)可轉(zhuǎn)換至應(yīng)急燃燒爐處理，第三套路線即節(jié)約了初期投資成本，后續(xù)運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用也較低。工藝流程圖如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

2 設(shè)計(jì)改造中注意的幾點(diǎn)問題

2.1 制冷回收機(jī)組數(shù)量配置問題

煉油廠成品罐區(qū)儲(chǔ)量一般超過10萬t，各產(chǎn)品分組儲(chǔ)存，設(shè)計(jì)中制冷機(jī)組按罐組配置較為合理，即每個(gè)罐組配置一臺(tái)制冷機(jī)組，每個(gè)制冷機(jī)組服務(wù)罐組數(shù)量不宜超過2個(gè)，制冷處理后的油氣尾氣接入油氣總管。如果整個(gè)罐區(qū)配置一臺(tái)大制冷機(jī)組，運(yùn)行中較易管理，但是一旦發(fā)生事故可能影響整個(gè)罐區(qū)的油氣回收。如果每罐配置一臺(tái)制冷機(jī)組，初期投資費(fèi)用較大，機(jī)組多運(yùn)行較難管理，舊罐區(qū)罐體之間一般預(yù)留空間較少，設(shè)備多平面布置防火間距較難解決，極易造成設(shè)備之間防火間距不足的問題。綜合以上因素，每罐組或每?jī)晒藿M配置一臺(tái)制冷回收機(jī)組較為合理，發(fā)生事故或故障影響范圍較小，機(jī)組少運(yùn)行中易于管理。

2.2 改造設(shè)計(jì)中儲(chǔ)罐弱頂結(jié)構(gòu)的保護(hù)問題

煉油廠成品油儲(chǔ)罐一般采用拱頂罐或內(nèi)浮頂罐，罐頂采用弱頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，弱頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的是一旦發(fā)生罐內(nèi)爆炸，罐頂弱結(jié)構(gòu)最先破壞泄壓，防止除罐頂外的罐體結(jié)構(gòu)破裂，進(jìn)而造成油品大量泄漏，使事故進(jìn)一步擴(kuò)大。油氣回收改造需在儲(chǔ)罐頂部增加油氣管線，如果設(shè)計(jì)不合理易破壞原弱頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中可通過減少油氣管線重量，采用柔性連接，采用易破壞結(jié)構(gòu)三個(gè)措施來避免破壞原有弱頂結(jié)構(gòu)的目的，具體如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)圖

儲(chǔ)罐頂油氣出口宜靠近罐體邊緣設(shè)置，罐頂連接管線盡量短，減少管線重量，有利于保護(hù)儲(chǔ)罐弱頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。管線材質(zhì)選擇不銹鋼管線，不銹鋼管線耐腐蝕性好，不易產(chǎn)生銹渣，運(yùn)行中不易堵塞阻火器，可減少日常維護(hù)成本。

罐頂連接管連接不銹鋼軟管(圖3)，軟管長(zhǎng)度宜短，減少對(duì)罐頂因重量產(chǎn)生的應(yīng)力。軟管與油氣支管使用弱結(jié)構(gòu)螺栓連接(圖3)，一旦發(fā)生罐內(nèi)爆炸，弱結(jié)構(gòu)螺栓斷裂，很好地避免了對(duì)原儲(chǔ)罐弱頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的破壞。

2.3 油氣管線材質(zhì)和阻火器的選擇

對(duì)于油氣管線材質(zhì)的選擇可從耐腐蝕性和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，由于油氣管線最大工作壓力不超過8 kPa，壓力較低，所以管線強(qiáng)度可不予重點(diǎn)考慮。

不銹鋼管線耐腐蝕性較好，但價(jià)格較貴，初期投資成本較高，使用壽命長(zhǎng)，后期維護(hù)成本較低。碳鋼管線耐腐蝕性較差，容易產(chǎn)生銹渣堵塞阻火器，使用壽命較短，后期維護(hù)成本較高。鍍鋅管線耐腐蝕性較好，不易產(chǎn)生銹渣，后期維護(hù)成本較低，價(jià)格較不銹鋼便宜，建議油氣支管和總管選擇鍍鋅鋼管。

油氣管線支管和總管進(jìn)燃燒爐處應(yīng)分別安裝阻火器，阻火器可分為爆燃型和爆轟型兩種，運(yùn)行時(shí)油氣管線內(nèi)可燃?xì)怏w有時(shí)能達(dá)到爆炸極限，遇點(diǎn)火源能引起燃燒爆炸，設(shè)計(jì)中參照GB/T50759—20XX(征求意見稿)《油氣回收處理設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》選擇爆轟型阻火器。

2.4 工藝聯(lián)鎖設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定

2.4.1 本工藝聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

油氣制冷機(jī)組吸風(fēng)泵由罐頂壓力聯(lián)鎖啟動(dòng)和停止。即罐頂壓力高于設(shè)定值高限值，油氣制冷回收機(jī)組吸風(fēng)泵啟動(dòng)，抽取儲(chǔ)罐內(nèi)油氣，當(dāng)罐頂壓力降至設(shè)定值低限值，吸風(fēng)泵停止運(yùn)行。

油氣總管線稀釋風(fēng)機(jī)變頻啟動(dòng)控制由總管第一個(gè)可燃?xì)怏w探測(cè)器檢測(cè)到的可燃?xì)夂柯?lián)鎖控制。即可燃?xì)怏w探測(cè)器檢測(cè)油氣稀釋前濃度，根據(jù)油氣濃度計(jì)算稀釋風(fēng)量，稀釋風(fēng)量由變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

油氣總管線緊急切斷閥由總管第二個(gè)可燃?xì)怏w探測(cè)器檢測(cè)到的可燃?xì)夂柯?lián)鎖關(guān)閉。即檢測(cè)到的可燃?xì)怏w含量達(dá)到設(shè)定值，油氣總管線緊急切斷閥關(guān)閉。

2.4.2 工藝參數(shù)設(shè)定原則

罐頂呼吸閥作為罐體的保護(hù)裝置，設(shè)定值不得大于罐體設(shè)計(jì)壓力，冷凝機(jī)組吸風(fēng)泵啟動(dòng)壓力小于罐頂呼吸閥高設(shè)定值，冷凝機(jī)組風(fēng)泵停泵壓力大于罐頂呼吸閥低設(shè)定值。

稀釋風(fēng)機(jī)變頻由空氣稀釋口前可燃?xì)鉂舛戎德?lián)鎖控制，根據(jù)罐區(qū)可燃?xì)獬煞秩”ㄏ孪拮钚〉奈镔|(zhì)的爆炸下限值的25%做為稀釋后濃度設(shè)定高限值。

事故緊急切斷閥由總管稀釋風(fēng)機(jī)與緊急切斷閥之間的可燃?xì)怏w探測(cè)器檢測(cè)的可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)值控制關(guān)閉，檢測(cè)值根據(jù)罐區(qū)可燃?xì)獬煞秩”ㄏ孪拗底钚〉奈镔|(zhì)的爆炸下限值的50%作為關(guān)閥設(shè)定值[2]。

2.5 油氣總管可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置位置選擇

油氣總管設(shè)置可燃?xì)怏w濃度探測(cè)器兩個(gè)，第一個(gè)設(shè)在油氣稀釋風(fēng)機(jī)前面，檢測(cè)油氣濃度，聯(lián)鎖稀釋風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，稀釋風(fēng)機(jī)變頻由空氣稀釋口前可燃?xì)鉂舛戎德?lián)鎖控制，根據(jù)罐區(qū)可燃?xì)獬煞秩”ㄏ孪拮钚〉奈镔|(zhì)的爆炸下限值的25%作為稀釋后濃度值設(shè)定值。第二個(gè)可燃?xì)怏w濃度探測(cè)器設(shè)置在稀釋風(fēng)機(jī)和緊急切斷閥之間，第二個(gè)可燃?xì)怏w濃度探測(cè)器一旦檢測(cè)到可燃?xì)鉂舛瘸^設(shè)定值立即切斷油氣總管線。第二個(gè)可燃?xì)怏w濃度探測(cè)器至緊急切斷閥的管線距離要大于可燃?xì)怏w濃度探測(cè)器檢測(cè)到可燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)到緊急切斷閥完全關(guān)閉這一時(shí)間段內(nèi)油氣的流動(dòng)距離。

3 結(jié)語

煉油廠成品儲(chǔ)罐區(qū)的油氣回收改造勢(shì)在必行。本文從工藝路線的選擇、安全設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定等方面探討了煉油廠成品儲(chǔ)罐區(qū)的油氣回收的部分設(shè)計(jì)問題。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守GB 50160—2008(2018年版)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50074—2014《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50759《油品裝載系統(tǒng)油氣回收設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》等法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，利用HAZOP、LOPA等工具在充分論證的基礎(chǔ)上確定設(shè)計(jì)方案。