關(guān)于鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設(shè)備的研究

徐 剛，郭 浩，孫紹杰

(中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 豐臺(tái)車輛段，北京 100070)

1 研究背景

《鐵路貨車廠修規(guī)程》和《鐵路貨車段修規(guī)程》要求：毒品車須按規(guī)定洗刷并有洗刷合格證明；裝用易燃、危化物品罐車須經(jīng)洗罐作業(yè)。中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司豐臺(tái)車輛段石樓檢修區(qū)域擔(dān)負(fù)著中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司路用鐵路罐車及企業(yè)自備罐車的廠修、段修工作，擁有14個(gè)洗車臺(tái)位，采用國內(nèi)通用的敞口蒸汽洗罐工藝，年均洗車能力6 000余輛。敞口蒸汽洗罐工藝的弊端有：(1)如圖1所示，在清洗過程中，大量的揮發(fā)性油氣擴(kuò)散到大氣中，造成空氣污染；(2)洗車過程中罐口蒸汽噴射產(chǎn)生的噪聲大于85 dB，噪聲大，產(chǎn)生噪聲污染，對作業(yè)人員的身心健康造成傷害；(3)清洗下來的黏油等油脂黏著力較強(qiáng)，在明溝內(nèi)流動(dòng)時(shí)部分會(huì)黏著在溝壁，長此以往會(huì)向地下土壤滲漏，造成土壤污染。

圖1 敞口蒸汽洗車

2012年國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》，明確了包括京津冀等13個(gè)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)控制區(qū)的環(huán)保要求。在2013年北京市清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃中明確將“揮發(fā)性有機(jī)物”納入總量控制項(xiàng)目，并制定減排核算細(xì)則。為貫徹落實(shí)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，北京市明確了本市空氣質(zhì)量改善目標(biāo)，提出了八大污染減排工程、六大實(shí)施保障措施和三大全民參與行動(dòng)。其中要求全面開展加油站、儲(chǔ)油庫和油罐車油氣回收治理，大力削減揮發(fā)性有機(jī)物排放。

2013年環(huán)保部發(fā)布《揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)污染防治技術(shù)政策》(公告2013年第31號(hào))，明確對VOCs污染防治應(yīng)遵循源頭和過程控制與末端治理相結(jié)合的綜合防治原則,并規(guī)定：采用先進(jìn)的清潔生產(chǎn)技術(shù)，對于設(shè)備與管線組件、工藝排氣、廢水處理等過程產(chǎn)生的含VOCs廢氣污染進(jìn)行防治。

2016年，密閉蒸汽洗車技術(shù)被列為中國鐵路總公司北京鐵路局科技研究開發(fā)計(jì)劃引導(dǎo)課題(2016CC17)；同年8月，進(jìn)入制訂設(shè)計(jì)方案和樣機(jī)制造階段；同年12月20日，14臺(tái)位的鐵路油罐車密閉清洗設(shè)備開始安裝調(diào)試。2017年4月，樣機(jī)在石樓檢修區(qū)域洗罐站開始試運(yùn)轉(zhuǎn)(圖2)；2017年8月1日，設(shè)備通過了北京局集團(tuán)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)辦公室組織的技術(shù)評(píng)審(京鐵集團(tuán)公司技審字[2017]第81號(hào))。該設(shè)備設(shè)計(jì)精巧，功能齊全，安全可靠，自動(dòng)化水平高，總體達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。截至2020年底，共清洗罐車20 424輛，運(yùn)行情況良好。

圖2 石樓檢修區(qū)域洗罐站鐵路油罐車密閉清洗設(shè)備及現(xiàn)場

2 油罐車清洗技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外油罐車清洗技術(shù)

國外油罐車清洗方法主要有人工清洗、干冰清洗、化學(xué)清洗、高壓水射流清洗和蒸汽清洗等，其中，高壓水射流清洗技術(shù)占有工業(yè)清洗領(lǐng)域較大份額。在罐車清洗技術(shù)方面，具有代表性的國家為日本和美國。

日本對罐車(塔罐類)主要清洗方法有化學(xué)清洗、高壓水射流清洗、濕式噴射清洗、吸引清洗、電解研磨等。從清洗后的情況看，化學(xué)清洗和高壓水射流清洗后罐車均存在損傷等各種故障(缺陷)。

美國最先進(jìn)的罐車清洗技術(shù)是使用ETEC公司開發(fā)的新一代生物產(chǎn)品BioEnviroSolve(簡稱BES溶劑)進(jìn)行清洗。BES溶劑對石油的乳化、溶解和分散能力大大超過原來的產(chǎn)品，能輕易地將原油、重油和其他石油產(chǎn)品溶解、分散和從罐壁剝離。

歐洲國家如德國、英國、意大利是開發(fā)應(yīng)用高壓水射流清洗技術(shù)較早的國家。高壓水射流清洗存在局部清洗不干凈和冬天易出現(xiàn)管線凍堵問題。

2.2 國內(nèi)油罐車清洗技術(shù)

國內(nèi)油罐車清洗絕大多數(shù)采用敞口蒸汽洗罐工藝，直接將蒸車小鶴管和真空抽吸管插入罐內(nèi)，打開蒸汽閥門對罐車內(nèi)部加熱蒸洗，然后對蒸洗殘液進(jìn)行抽吸，并在清水二次清洗后烘干。該工藝優(yōu)點(diǎn)是使用設(shè)備簡易，操作簡單。雖然可以引進(jìn)高壓水射流清洗技術(shù)，但是該技術(shù)一次性投資高，操作相對專業(yè)，維護(hù)難度大，不能滿足航煤特洗及重油油罐車清洗要求，且耗水量大，故在國內(nèi)推廣進(jìn)展緩慢。

3 鐵路油罐車清洗方式對比分析

(1) 干冰清洗法(又稱冷噴)。以壓縮空氣作為動(dòng)力，通過專用的噴射清洗機(jī)將干冰顆粒噴射到被清洗物體表面，使其升華、熔化，使污垢、油污、殘留雜質(zhì)等迅速冷凍、脆化和剝離，且同時(shí)隨氣流清除。該方法不會(huì)對被清洗物體表面特別是金屬表面造成任何傷害，也不會(huì)影響金屬表面的光潔度。但是干冰清洗設(shè)備復(fù)雜，投資大，清洗罐車需要大量的干冰，費(fèi)用昂貴。

(2) 化學(xué)清洗法?；瘜W(xué)清洗法是用化學(xué)藥品或其他溶劑通過化學(xué)反應(yīng)清除物體表面油污的方法，如酸洗、堿洗等。采用化學(xué)藥品浸泡清洗不僅會(huì)因排放的水溶液中含有化學(xué)藥品而造成環(huán)境污染，而且為防止清洗中的藥品對罐壁造成腐蝕破壞，清洗時(shí)還需要使用適當(dāng)?shù)木徫g劑保護(hù)被清洗設(shè)備，清洗罐壁上黏附的殘留藥液需要消耗大量的清水清洗。

(3) 高壓水射流清洗法。高壓水射流清洗一般采用冷水作為工作介質(zhì)，在北方地區(qū)冬季就無法作業(yè)；另外，高壓水射流清洗不僅需要消耗大量的水資源，而且洗罐后含油廢水回收和處理的成本較大，同時(shí)在清洗過程中對罐車內(nèi)壁的破壞大，容易將罐車內(nèi)壁的保護(hù)層破壞掉。高壓水射流清洗設(shè)備一次性投資及維修成本高。

(4) 密閉蒸汽洗車法。密閉蒸汽洗車技術(shù)是一種先進(jìn)的罐車清洗技術(shù)，具有環(huán)保、高效、節(jié)能降耗的優(yōu)點(diǎn)。

4 鐵路油罐車密閉蒸汽洗車技術(shù)

4.1 研究目標(biāo)

鐵路油罐車密閉蒸汽洗車技術(shù)圍繞以下目標(biāo)開展研究：

(1) 節(jié)約能源。減少蒸汽用量，提高蒸汽熱能使用率，降低洗車成本。

(2) 減少油氣揮發(fā)。采取密閉方式解決蒸汽洗車時(shí)混合氣體排放問題，改善現(xiàn)場環(huán)境。

(3) 提高洗車效率。提高罐內(nèi)溫度，縮短蒸洗時(shí)間，提高洗車作業(yè)效率。

(4) 提高清潔生產(chǎn)水平。采取密閉管道對洗車廢水進(jìn)行收集。

(5) 降低洗車噪聲。

4.2 結(jié)構(gòu)組成

鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設(shè)備樣機(jī)由懸臂系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、密閉系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)、進(jìn)汽及排污系統(tǒng)、儀表檢測系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)構(gòu)成(圖3)。其中懸臂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的左右旋轉(zhuǎn)；升降系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密閉蓋的上下運(yùn)動(dòng)；密閉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密閉洗車時(shí)罐口與洗車裝置的密封、鎖緊以及洗車后解鎖；進(jìn)汽及排污系統(tǒng)控制洗車時(shí)的進(jìn)汽量及利用正壓排出罐內(nèi)殘液；儀表檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測罐內(nèi)參數(shù)情況，安全保障系統(tǒng)保證洗車安全。波紋管補(bǔ)償器的補(bǔ)償作用及硅膠密封墊的壓力形變使得系統(tǒng)能夠消除因人孔水平度不均勻及形狀變化引起的漏氣。鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，既保證了各部件的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)空間，又實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的氣密性。

圖3 鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

4.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 采用多自由度鉸鏈傳動(dòng)技術(shù)與耐高溫硅膠密封墊、波紋管補(bǔ)償器相配合，使裝置密閉系統(tǒng)滿足不同規(guī)格的罐口密封要求，確保系統(tǒng)密封效果完好耐用，使蒸汽在罐內(nèi)充分利用。

(2) 采用PLC可編程控制+三級(jí)壓力檢測儀表，將罐內(nèi)壓力控制在70 kPa以內(nèi)，保證罐內(nèi)壓力符合設(shè)備安全要求。利用罐內(nèi)的29～49 kPa的壓力通過排污系統(tǒng)排出殘液，蒸洗時(shí)不需要真空抽吸系統(tǒng)及其他動(dòng)力源。

(3) 利用三維吊裝技術(shù)保證洗車設(shè)備與罐口的方便對接及拆卸，且不影響鐵路運(yùn)輸安全。

(4) 控制中心根據(jù)采集的壓力、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對計(jì)算，控制蒸汽進(jìn)量及間歇噴水時(shí)間，使蒸洗溫度在80～110 ℃之間按設(shè)定曲線工作，徹底清除罐壁油污。

(5) 蒸洗時(shí)密閉系統(tǒng)處于非機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，無機(jī)械噪聲產(chǎn)生，對油罐口的完全密封解決了蒸汽在罐口噴射的噪聲問題，將噪聲降低到65 dB以下。

(6) 罐壁溫度、壓力與蒸汽進(jìn)汽量自動(dòng)調(diào)節(jié)，方便系統(tǒng)操作，防止超壓，保證了洗車安全。

(7) 整套系統(tǒng)有安全的防靜電措施，并配備故障檢測系統(tǒng)，能對出現(xiàn)的問題報(bào)警并根據(jù)報(bào)警等級(jí)進(jìn)行聯(lián)鎖控制。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設(shè)備為鐵路油罐車清洗帶來了如下實(shí)效：

(1) 每輛罐車可節(jié)省蒸汽用量3.1 t,按低壓蒸汽量156元/t計(jì)算，可節(jié)省費(fèi)用480余元，累計(jì)節(jié)約費(fèi)用980.352萬元。

(2) 無蒸汽揮發(fā)擴(kuò)散，提高了蒸汽熱能使用率，節(jié)約蒸汽70%以上。

(3) 利用罐內(nèi)正壓排出清洗產(chǎn)生的殘液，無需真空抽吸系統(tǒng)，節(jié)約了電能。

(4) 將罐內(nèi)溫度提高20～30 ℃(最高可達(dá)到110 ℃)，縮短了蒸洗時(shí)間，提高了洗車作業(yè)效率。

(5) 通過密閉管道將洗車含油污水收集至污油罐，大大改善了現(xiàn)場工作環(huán)境。

(6) 洗車時(shí)間僅為20～30 min/輛，提高洗車效率2倍以上，節(jié)約一半的工時(shí)。

(7) 檢測結(jié)果表明，敞口洗車罐口處VOCs平均濃度為3.65×104～7.28×104mg/m3，采用密閉清洗工藝后，VOCs平均濃度為1.95～4.05 mg/m3，向周邊環(huán)境揮發(fā)油氣量減少99%以上，不僅環(huán)境得到了極大改善，而且每年可減少大量的排污費(fèi)用。

目前，該成果已在中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司石家莊車輛段陽泉洗罐站推廣1臺(tái)位、中石化天津分公司推廣4臺(tái)位、中石化濟(jì)南分公司推廣3臺(tái)位、中石油玉門煉油廠推廣4臺(tái)位、中石化金陵分公司推廣12臺(tái)位、中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司推廣4臺(tái)位。國內(nèi)現(xiàn)有鐵路洗罐站300多家，普遍采用敞口蒸汽洗罐工藝，隨著該成果推廣面的不斷擴(kuò)大，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將十分顯著，對推動(dòng)減少大氣污染和噪聲污染，改善環(huán)境起到積極作用。