常壓儲罐罐頂氣VOCs連通收集的技術(shù)思考

余偉

(中韓(武漢)石油化工股份公司 武漢 430082)

0 引言

VOCs是石化企業(yè)的特征污染物，作為大氣霧霾形成的前置物，近年來備受關(guān)注。為響應(yīng)當(dāng)?shù)豓OCs減排方案和三年行動計劃，石油化工企業(yè)的儲罐區(qū)罐頂氣的治理迫在眉睫。但從安全方面考慮，儲罐區(qū)罐頂氣的連通和收集也是VOCs治理的難點，為解決此問題，我國組織了專家多次討論了儲罐無組織排放氣的連通收集方案，力求安全且環(huán)保[1]。但在實際操作中，仍存在罐頂連通和收集相關(guān)認(rèn)識的不統(tǒng)一，導(dǎo)致方案并不明確和優(yōu)化。本文就中韓(武漢)石化公司罐頂連通實踐作相關(guān)探討，希望能夠查遺補(bǔ)缺，為各行業(yè)后續(xù)儲罐的罐頂氣VOCs治理提供參考。

1 罐頂氣及罐頂氣連通簡介

儲油罐頂氣一般指常壓儲罐的罐頂?shù)暮粑y排氣口呼出的廢氣。罐頂通常設(shè)置呼吸閥和緊急泄放閥作為正壓保護(hù)附件，設(shè)置補(bǔ)氮閥和呼吸閥作為負(fù)壓保護(hù)附件。如果正常情況下不收集廢氣，則廢氣從呼吸閥處排出；如果要收集廢氣，則需在正壓和負(fù)壓保護(hù)之間的壓力范圍設(shè)置壓控閥(或單呼閥)去廢氣收集的管網(wǎng)。

《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》GB 37822—2019頒布后，對未設(shè)置罐頂連通的儲罐呼吸閥處的排口氣體規(guī)定了排放濃度要求，通常稱其為罐頂氣。標(biāo)準(zhǔn)中提出的罐頂連通是指多個罐頂氣排放口密閉連通并統(tǒng)一治理的VOCs治理方案，就是通過對罐頂各附件壓力的精準(zhǔn)控制，使廢氣排放從連通前的呼吸閥處排放改為從罐頂控制閥(或單呼閥)統(tǒng)一排出到連通管道，并被密閉引入廢氣治理設(shè)施的方法。

改造后，常壓有氮封的儲罐的各罐頂?shù)母郊饕ňo急泄壓閥、呼吸閥、氮封閥和控制閥。具體控制方案以中韓(武漢)石化公司加氫原料中間罐為例，見表1。

從表1可以看出，該案例的罐頂氣氣體的壓力設(shè)定在0.90 kPa左右壓控閥開始打開呼出氣體，隨著罐內(nèi)氣體呼出，罐內(nèi)氣體壓力下降到0.765 kPa時，停止呼出。

表1 加氫原料中間罐的罐頂氣VOC治理的罐內(nèi)壓力控制方案

2 罐頂氣性質(zhì)分析

2.1 組分分析

以中韓(武漢)石化公司加氫原料中間罐區(qū)罐頂氣為例，罐頂廢氣組成分析結(jié)果見表2。

表2 加氫原料罐頂氣組成檢測濃度分析

罐頂氣是從大呼吸和小呼吸狀況下從罐頂呼吸口采樣，采樣過程中罐運(yùn)行正常，附件無損壞。從罐頂氣的組成看，罐頂氣含氧與呼吸閥泄露有關(guān)，屬于正常；其組成的惡臭物質(zhì)與儲存介質(zhì)相關(guān)，以低分子量的極性組分為主；占比較大的是非極性組分，其總VOCs高達(dá)12.2～32.8 g/L，超過GB 37822—2019所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 罐頂氣量分析

儲罐的基本參數(shù)見表3。

表3 罐區(qū)儲罐基本參數(shù)

儲罐罐頂?shù)呐艢饬繛榇蠛粑c小呼吸之和。大呼吸是儲罐液位上升造成的呼吸量，小呼吸是環(huán)境溫度升高造成的罐區(qū)氣相膨脹引起的呼吸量，按50%的氣相空間和2 ℃/h溫升考慮，計算結(jié)果見表4。

表4 儲罐進(jìn)出料及呼吸量的統(tǒng)計

結(jié)合表4的數(shù)據(jù)與生產(chǎn)實際，該罐區(qū)的大呼吸排氣量可以分3種工況：

工況1：正常生產(chǎn)狀態(tài)。6臺加氫原料罐的大呼吸量為40 m3/h，加上小呼吸量，總最大排氣量為214.6 m3/h。

工況2：開工進(jìn)料狀態(tài)。開工初期，加氫原料中間罐區(qū)同時接收各裝置的進(jìn)料量，其大呼吸排氣量為330+40+120+80=570 m3/h，最大排氣量為744.6 m3/h。

工況3：停工退料狀態(tài)。停工退料前的吹掃罐運(yùn)行，2臺污油罐接收吹掃退料，其他儲罐正常進(jìn)出物料，大呼吸排氣量為(330-290)+40+120+80+280=560 m3/h；加上小呼吸量，最大排氣量為734.6 m3/h。

因此最大工況的大呼吸排氣量為570 m3/h?？偱艢饬縿t加小呼吸量，為744.6 m3/h。從實際考慮吹掃罐在停工前使用情況，可以不考慮開工初期和吹掃罐運(yùn)行同時進(jìn)行的情況。

2.3 濃度和流量波動情況

濃度波動：從罐頂氣的組分分析可以看出，廢氣組分的波動較大，大多數(shù)以2～3倍的濃度波動。這一方面是由于罐體形式內(nèi)浮頂和拱頂存在差異，另一方面也與罐的使用周期有關(guān)，罐使用周期的末期，可能會存在浮盤密封失效等問題，因此特殊情況下總烴濃度會大幅增加。

流量波動：除2.2節(jié)中的工況不同可能會產(chǎn)生的波動以外，氣溫的變化和局部工況的變化，都可能產(chǎn)生排出廢氣量的大幅變化，考慮到罐本體的壓力控制特點，最小呼吸量為0?？紤]日夜溫差及日照等氣候特點，每日呼出氣量時間為5～7 h。

3 重點關(guān)注的問題和思考

3.1 罐頂氣連通的連接形式

目前總共有5種連接形式：直接連通、氣相平衡管、直接連通共用切斷閥、單罐單控和單呼閥[2]。從安全性考慮，單罐單控方案和單呼閥方案是安全性最好的方案，其杜絕了罐體直接連通的方式，優(yōu)點是確保一定的安全性，缺點是氮?dú)庀暮蚔OCs廢氣的排量都較其他的連接方式大。一般應(yīng)考慮爆炸和燃燒危險性較大的儲罐，但在實際設(shè)計中存在矛盾，一般爆炸風(fēng)險較大的儲罐儲存介質(zhì)的閃點較小，但閃點較高的重質(zhì)油組分一般自燃點較高，因此爆炸風(fēng)險較小的儲罐往往燃燒風(fēng)險較大。

本項目考慮到介質(zhì)主要是加氫原料中間組分，閃點和自燃點均適中，因此采用了直接連通共用切斷閥方案，即多臺儲罐氣相通過連通管道連通，實現(xiàn)氣相平衡功能，并在罐組連接收集總管上設(shè)置遠(yuǎn)程開關(guān)閥，通過監(jiān)測儲罐壓力或罐組收集總管的壓力，控制連通罐組排氣，從而兼顧了排氣量的減少和風(fēng)險控制。

3.2 儲罐連接數(shù)量選擇

連接數(shù)量要考慮風(fēng)險性，不宜超過總風(fēng)險容量，一般要求容積小于10 000 m3的儲罐不能大于16個。本項目儲罐按圍堰設(shè)置單獨(dú)連通的收集管網(wǎng)，加之從介質(zhì)考慮風(fēng)險，考慮6個儲罐為1組收集管網(wǎng)。

3.3 罐體附件的要求

從表1可以看出：罐頂氣密閉收集，對于各罐體附件均有明確的壓力范圍值要求，各安全附件壓力不重疊，導(dǎo)致排氣壓力區(qū)間較窄。阻火器的壓降不能太大，一般要求阻火器壓降不大于300 Pa，因此各緊急泄壓閥、呼吸閥、氮封閥、單呼閥等關(guān)鍵附件的技術(shù)參數(shù)至關(guān)重要。對于壓力的高靈敏度，一般要求額定流量下的壓力不超過設(shè)定壓力的110%，全關(guān)壓力要在設(shè)定壓力的85%以內(nèi)。呼吸閥的泄露值在75%設(shè)定壓力下應(yīng)選擇盡可能小的型號。

關(guān)于阻火器，要選定合適的MESG值，既要考慮滿足要求的阻火性能，又要考慮介質(zhì)的性質(zhì)，防止過度選擇導(dǎo)致MESG值偏小帶來的堵塞風(fēng)險增大。混合氣體的MESG值需要按規(guī)范要求估算。

3.4 罐頂氣收集管線的連接要求

連通管道要考慮單罐異常情況下對其他罐的影響，防止拉裂其他的罐體；同時管道要考慮低點排凝，避免罐內(nèi)外溫差導(dǎo)致的凝液堵塞管線。

連通管阻火器應(yīng)設(shè)置在罐頂部，要考慮新增管線和阻火器等附件對罐頂部的支撐受力影響[3-4]，需要核定管壁厚度和支撐力。

在考慮阻火器的安裝位置時，需要注意阻火器的管徑與阻火長度，以確保爆轟氣體穩(wěn)態(tài)通過阻火器。同時要考慮阻火器的流量范圍，避免因特殊情況下的變化影響到罐體的安全運(yùn)行(例如夏季暴雨引起的快速降溫)。

3.5 新建常壓罐的壓力建議

過去常壓儲罐的設(shè)計壓力一般為-500 Pa～6 700 Pa，出于成本考慮，壓力多為2 000 Pa，目前考慮罐頂連通之后，新建常壓儲罐的壓力應(yīng)該進(jìn)一步提高，可以按5 000 Pa考慮，這樣既可以通過增大呼吸閥的啟動壓力來極大減少罐體VOCs氣體的排放量，減少儲存介質(zhì)的儲存損耗，也可以給罐頂各附件的設(shè)計帶來更多選擇，降低罐頂氣治理的綜合成本。

4 結(jié)語

隨著國家對VOCs治理的進(jìn)一步要求越來越嚴(yán)格，石化儲罐的罐頂氣VOCs的收集技術(shù)逐漸在實踐中進(jìn)行完善，目前已經(jīng)形成了一套較為完整的技術(shù)體系，實現(xiàn)了安全風(fēng)險和環(huán)保排放的有機(jī)融合。希望本文能為各行各業(yè)常壓儲罐的VOCs氣體的收集治理提供借鑒。