工廠(chǎng)原料油儲(chǔ)罐VOCs氣體的收集處理方案設(shè)計(jì)

孫艷

東華工程科技股份有限公司（上海 200233）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，或者根據(jù)有關(guān)規(guī)定確定的有機(jī)化合物[4]。大多數(shù)VOCs有毒、惡臭，刺激人的眼睛和呼吸道，高濃度下可造成急性中毒，甚至死亡。此外，大多數(shù)VOCs易燃易爆，高濃度排放時(shí)易引起爆炸。一些VOCs還會(huì)破壞臭氧層。VOCs在陽(yáng)光照射下，與大氣中的氮氧化物（NOx）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成臭氧、過(guò)氧硝基酞、醛類(lèi)等光化學(xué)煙霧，造成二次污染，同時(shí)危害農(nóng)作物，甚至造成農(nóng)作物死亡。

目前，大氣中的VOCs主要來(lái)自人為污染源：石化廠(chǎng)、煉油廠(chǎng)以及在生產(chǎn)過(guò)程中大量使用有機(jī)溶劑的行業(yè)，如涂料、印刷、樹(shù)脂加工等。在環(huán)境保護(hù)日益重要的今天，VOCs污染和治理受到人民、企業(yè)、國(guó)家的廣泛關(guān)注。

市場(chǎng)上對(duì)VOCs的處理方法多種多樣，不同的工藝過(guò)程可以選擇不同的處理方式，但是對(duì)于VOCs的收集，并沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)定，不同的生產(chǎn)工藝甚至是同種工藝不同的所有者，收集方式也不一樣。

本研究針對(duì)某工廠(chǎng)原料油罐區(qū)產(chǎn)生的VOCs氣體收集及處理方案進(jìn)行討論和設(shè)計(jì)。

1 工廠(chǎng)油罐存儲(chǔ)現(xiàn)狀

VOCs氣體主要來(lái)自于原料油罐區(qū)。原料油罐區(qū)主要存儲(chǔ)煤焦油、乙烯焦油、蒽油，油品主要的物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原料油主要物性參數(shù)

來(lái)自槽罐車(chē)的油品經(jīng)卸車(chē)泵輸送至原料油儲(chǔ)罐。工廠(chǎng)約每30天補(bǔ)充一次原料油，一年約補(bǔ)充11次，每次最多4個(gè)卸車(chē)位同時(shí)進(jìn)行，卸車(chē)持續(xù)時(shí)間為62 h。原料油儲(chǔ)罐設(shè)有罐外循環(huán)加熱器，以維持罐內(nèi)存儲(chǔ)溫度。罐內(nèi)油品經(jīng)由輸送泵送至生產(chǎn)裝置，某些油品不使用時(shí)，該流量循環(huán)回原料油儲(chǔ)罐。

原料油儲(chǔ)罐為固定頂儲(chǔ)罐，罐頂配有雙呼吸閥、氮封、緊急泄壓人孔等安全設(shè)施。罐底部設(shè)有蒸汽加熱器，罐內(nèi)存儲(chǔ)油品揮發(fā)的氣體積存在儲(chǔ)罐上部空間，與罐頂?shù)牡鈿怏w混合。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)有大量進(jìn)料時(shí)，存在于儲(chǔ)罐頂部的VOCs混合氣體積聚并達(dá)到一定壓力，通過(guò)罐頂?shù)暮粑y排出儲(chǔ)罐。

工廠(chǎng)目前VOCs收集有以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）罐區(qū)原料油產(chǎn)生的VOCs氣量有限，是否有必要回收處理。（2）工廠(chǎng)用地有限，VOCs氣體處理或回收裝置的布置難以安排。（3）罐區(qū)占地約108 m×75 m，布置于廠(chǎng)區(qū)的角落。由于儲(chǔ)罐為常壓儲(chǔ)罐，位置偏遠(yuǎn)，呼吸閥排出的氣體壓力低，不易收集。

2 VOCs處理方案的比選

目前主流的VOCs處理方式主要分為兩大類(lèi)：一是采用物理方法回收VOCs，主要有吸附和吸收；二是通過(guò)生化反應(yīng)，將VOCs分解為無(wú)毒或低毒物質(zhì)，如采用等離子技術(shù)、蓄熱式氧化爐（RTO）焚燒技術(shù)、生物法、光催化法、熱破壞法。以上方法均需要或多或少增加額外的設(shè)備和用地面積。此外，吸附和吸收等方法還會(huì)產(chǎn)生固廢和廢液。

根據(jù)估算，油罐區(qū)產(chǎn)生的含VOCs氣體的流量約2 220 m3/h。根據(jù)客戶(hù)現(xiàn)有工廠(chǎng)原料油儲(chǔ)罐罐內(nèi)氣體組分情況，該氣體含油量小，且間斷排放，如采用吸附或吸收方法回收，需要增加設(shè)備投資及占地，工廠(chǎng)廠(chǎng)區(qū)沒(méi)有布置空間；油氣為混合油氣，即使回收也難以再使用。若按照不同介質(zhì)分別收集VOCs氣體，則需要布置3套吸附或吸收裝置，增加的設(shè)備投資及占地面積更大。因此，不考慮將油氣回收。

工廠(chǎng)為生產(chǎn)線(xiàn)配套設(shè)有尾氣焚燒鍋爐、余熱回收裝置、煙氣處理裝置，因此，可以直接將VOCs氣體送至已有尾氣鍋爐焚燒。該方案僅需增加1～2臺(tái)增壓設(shè)備，不需要增加大型設(shè)備，占地少，投資少，不會(huì)產(chǎn)生固廢和廢液，產(chǎn)生的廢氣可通過(guò)下游的煙氣處理裝置凈化達(dá)標(biāo)后排放。廢氣燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量還可經(jīng)過(guò)下游的余熱回收裝置進(jìn)行回收副產(chǎn)蒸汽，節(jié)約能源。綜合考慮，VOCs焚燒為優(yōu)選方案。

3 原料油罐區(qū)VOCs收集方案

3.1 VOCs收集方案

考慮到工廠(chǎng)原料油罐區(qū)VOCs氣體為間歇排放，所以使用吸風(fēng)罩收集VOCs氣體，經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)收集增壓后送至尾氣鍋爐焚燒，經(jīng)過(guò)煙氣處理裝置處理后排放，具體流程如圖1所示。

圖1 VOCs收集方案流程

3.2 VOCs排氣量的確定

儲(chǔ)罐排出的VOCs氣體的量主要為儲(chǔ)罐呼吸閥呼出的量。根據(jù)規(guī)范[1]，儲(chǔ)罐呼出的量主要是儲(chǔ)罐進(jìn)料時(shí)氣體的排出以及儲(chǔ)罐由冷態(tài)受熱時(shí)存儲(chǔ)物料膨脹所排出的氣體，二者綜合考慮。計(jì)算公式如下：

其中：Q為呼吸閥的呼出量、Q入為液體進(jìn)入固定頂罐時(shí)造成的罐內(nèi)氣體呼出量、Q膨脹為大氣升溫造成的罐內(nèi)氣體膨脹而呼出的氣體，m3/h。

該工廠(chǎng)原料油閉口閃點(diǎn)溫度高于45℃，Q入最大值為儲(chǔ)罐卸車(chē)泵流量與工藝輸送泵回流量之和。Q膨脹查SH/T 3007—2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的表5.1.6而得。

分別計(jì)算6個(gè)儲(chǔ)罐的呼吸量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 罐區(qū)儲(chǔ)罐呼吸量情況

6個(gè)儲(chǔ)罐同時(shí)最大呼出量為3 127 m3/h。工廠(chǎng)有4個(gè)卸車(chē)位，卸車(chē)時(shí)最大呼出量為2 220 m3/h。

3.3 風(fēng)機(jī)的初步選型

由于儲(chǔ)罐呼出的VOCs混合氣體壓力低，最遠(yuǎn)的儲(chǔ)罐距離鍋爐約300 m，所以需要在VOCs收集總管上設(shè)置一臺(tái)風(fēng)機(jī)作為流體動(dòng)力來(lái)源。根據(jù)儲(chǔ)罐的最大呼出氣量，確定增壓風(fēng)機(jī)的選型為2 800 m3/h。流體按照不可壓縮流體考慮，用伯努利方程[2]估算進(jìn)出口管路沿程壓力損失，風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓（p全）為14 kPa。風(fēng)機(jī)按照氣流運(yùn)動(dòng)分為離心風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、斜流式風(fēng)機(jī)。不同類(lèi)型的離心風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)不同的全風(fēng)壓。

低壓離心風(fēng)機(jī)：p全≤1 kPa；

中壓離心風(fēng)機(jī)：1 kPa＜p全≤kPa；

高壓離心風(fēng)機(jī)：3 kPa＜p全≤15 kPa。

綜合考慮，風(fēng)機(jī)選型為高壓離心風(fēng)機(jī)。為保證VOCs的收集系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)設(shè)置為一用一備，風(fēng)機(jī)電機(jī)選用防爆電機(jī)。

3.4 VOCs收集管上的其他配置

VOCs氣體收集應(yīng)優(yōu)先考慮密閉收集。但該項(xiàng)目VOCs含量低，將收集的氣體送去鍋爐燃燒，可看作是鍋爐補(bǔ)風(fēng)。對(duì)于鍋爐系統(tǒng)，需要這股氣體連續(xù)且氣量穩(wěn)定。而油罐呼吸閥為間歇操作，如果呼吸閥出口氣體采用管道密閉輸送，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣量連續(xù)穩(wěn)定的要求。所以考慮在呼吸閥出口設(shè)置吸風(fēng)罩來(lái)收集VOCs氣體。在呼吸閥未開(kāi)啟時(shí)，“開(kāi)式”收集系統(tǒng)收集的氣體為空氣，作為尾氣鍋爐的補(bǔ)風(fēng)。

吸風(fēng)罩口風(fēng)速適當(dāng)取值，太小不能保證VOCs收集率；太大造成風(fēng)機(jī)選型過(guò)大，不利于節(jié)約能源。根據(jù)規(guī)范[3-4]，控制吸風(fēng)罩口風(fēng)速不低于0.3 m/s。

由于呼吸閥出口不是密閉管道，所以吸風(fēng)罩口需要能覆蓋呼吸閥排出管道，并盡量靠近呼吸閥出口管道布置。根據(jù)呼吸閥訂貨資料以及配管，綜合吸風(fēng)罩流速計(jì)算值和配管需要值確定吸風(fēng)罩罩口的直徑。吸風(fēng)罩的設(shè)置情況見(jiàn)表3。

表3 吸風(fēng)罩設(shè)置情況

支管靠近吸風(fēng)罩處設(shè)有閥門(mén)及壓力表，閥門(mén)用于VOCs收集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)速，壓力表配合調(diào)節(jié)閥門(mén)控制風(fēng)量時(shí)觀(guān)測(cè)使用。此外，為了便于調(diào)節(jié)風(fēng)口速度，收集總管應(yīng)逆流向逐漸縮小，即距離風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)的收集總管管徑最小，后續(xù)隨著其他儲(chǔ)罐VOCs氣體的匯入，逐漸放大管道。

4 結(jié)語(yǔ)

工廠(chǎng)儲(chǔ)罐中存儲(chǔ)的油品均為混合物，不同原料油廠(chǎng)家提供的油品成分也不同，為確保系統(tǒng)的安全性，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備及儀表均按照防爆要求選型。

在工廠(chǎng)鍋爐故障檢修或停車(chē)檢修期間，VOCs氣體將沒(méi)有地方接收，所以工廠(chǎng)應(yīng)合理安排原料油卸車(chē)時(shí)間，禁止在此期間進(jìn)行原料油卸車(chē)。

該方案適用于工廠(chǎng)有尾氣鍋爐的工廠(chǎng)。目前對(duì)于VOCs氣體的處理方式有很多，但是對(duì)于罐區(qū)VOCs的收集方案并不多，本研究?jī)H對(duì)某工廠(chǎng)的罐區(qū)VOCs收集進(jìn)行討論和設(shè)計(jì)，最終效果有待工廠(chǎng)開(kāi)車(chē)后跟蹤考察。