內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐VOCs綜合治理和整改措施

張萬(wàn)福，冀世剛

(1.河北華飛工程設(shè)計(jì)有限公司海南分公司，海南 ?？?570105；2.中國(guó)石化海南煉油化工有限公司，海南 儋州 578101)

0 引言

近年來(lái)環(huán)保設(shè)施因?yàn)楦鞣N原因?qū)е碌陌踩鹿蕰r(shí)有發(fā)生，比如罐頂氣VOCs治理中，采用罐頂油氣直接連接方式的儲(chǔ)罐數(shù)量較多，雖然解決了排放超標(biāo)問(wèn)題，但由于這種方式對(duì)設(shè)計(jì)、安裝質(zhì)量，以及安全附件等要求較高，如考慮不周或管理不到位，存在事故擴(kuò)大的重大風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)家安監(jiān)總局也提出儲(chǔ)罐連通要經(jīng)過(guò)安全論證后方可投用，原則上能不連通的盡量不連通，按照“內(nèi)浮頂+密封”改造方式達(dá)到達(dá)標(biāo)排放的要求。因此，儲(chǔ)罐VOCs治理，不管是否采用密閉收集處理的方式，均需從工藝源頭和儲(chǔ)罐源頭減排，控制油品損耗和VOCs排放[1]。

1 罐頂氣密閉收集分析

1.1 安全隱患

罐頂氣VOCs治理中，采用了罐頂油氣密閉收集，雖然這種方式解決了排放超標(biāo)問(wèn)題，但由于儲(chǔ)罐密閉后，罐頂氣采用氣相連通管路，將多個(gè)儲(chǔ)罐連接起來(lái)，儲(chǔ)存介質(zhì)互相連通、儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)條件和結(jié)構(gòu)變化等，對(duì)設(shè)計(jì)、安裝質(zhì)量，以及安全附件等要求較高，如考慮不周、管理不到位、設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)帶來(lái)較大安全隱患。

(1)罐體沉降帶來(lái)管線位移風(fēng)險(xiǎn)，主要是指儲(chǔ)罐使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生基礎(chǔ)繼續(xù)下沉的現(xiàn)象。此外，在地震烈度大于或等于7度、地質(zhì)松軟的情況下，儲(chǔ)罐會(huì)發(fā)生相應(yīng)的翹離效應(yīng)，若儲(chǔ)罐與附屬管道是剛性連接，會(huì)加大儲(chǔ)罐的損壞。

(2)事故狀態(tài)下，如儲(chǔ)罐發(fā)生內(nèi)部閃爆，連通線發(fā)生位移導(dǎo)致的機(jī)械損壞。儲(chǔ)罐罐頂與罐壁連接處一般作為薄弱環(huán)節(jié)(如采用弱頂結(jié)構(gòu))會(huì)撕裂，導(dǎo)致罐頂掀起而不破壞儲(chǔ)罐罐壁，掀開(kāi)的罐頂短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大位移，容易造成罐頂氣相連通管路的整體位移，從而對(duì)與之連通的相鄰儲(chǔ)罐罐頂安全性造成影響。

(3)缺少阻火設(shè)施。早期的儲(chǔ)罐，為了減少揮發(fā)和收集氣相組分，多采用罐頂直接連通，或連通線和水封罐的組合，這種連通方式，沒(méi)有考慮到儲(chǔ)罐事故狀態(tài)下連通線隔斷火焰?zhèn)鞑サ囊?，?chǔ)罐氣相連通線未設(shè)阻火器或所設(shè)阻火器沒(méi)有認(rèn)證，導(dǎo)致儲(chǔ)罐發(fā)生事故時(shí)事態(tài)擴(kuò)大。

(4)罐體改造沒(méi)有考慮泄壓能力的風(fēng)險(xiǎn)。主要是罐體設(shè)計(jì)中泄壓能力不足、設(shè)計(jì)“弱頂不弱”，或者在進(jìn)行連通改造后，沒(méi)有對(duì)儲(chǔ)罐的承壓計(jì)算，罐頂泄放量設(shè)計(jì)不足，罐體根部強(qiáng)度不夠等，導(dǎo)致事故中罐體根部或者管壁破裂，事故擴(kuò)大。

(5)未對(duì)儲(chǔ)罐強(qiáng)度進(jìn)行校核，尤其對(duì)于部分老罐，其強(qiáng)度降低，罐頂增設(shè)阻火器、切斷閥、氮封閥組、緊急泄壓閥等設(shè)備，對(duì)儲(chǔ)罐本體和罐頂?shù)膹?qiáng)度影響較大。

(6)去明火設(shè)備的安全控制措施不完善：尾氣進(jìn)入加熱爐、焚燒爐等明火設(shè)施，增大了燃爆風(fēng)險(xiǎn)；收集系統(tǒng)去瓦斯回收的風(fēng)險(xiǎn)等。

(7)增加儲(chǔ)罐連通后氮封消耗較大。部分企業(yè)儲(chǔ)罐的氮封耗量比較高，有的儲(chǔ)罐月平均耗量達(dá)到50萬(wàn)Nm3以上。另外，已投用的罐頂氣相連通系統(tǒng)，連通儲(chǔ)罐沒(méi)有設(shè)置單獨(dú)、氮封耗量不能監(jiān)控。

上述安全隱患，儲(chǔ)罐密閉收集改造過(guò)程中均不同程度的存在，2017 年以前實(shí)施改造的項(xiàng)目，對(duì)儲(chǔ)罐連通管線火焰?zhèn)鞑?lái)的罐區(qū)爆炸風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，阻火設(shè)施達(dá)不到要求。2017年以后實(shí)施改造的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐核算不重視，尤其是“弱頂不弱”帶來(lái)的儲(chǔ)罐整體位移、破裂風(fēng)險(xiǎn)等較高，另外，儲(chǔ)罐氣相支管道配管設(shè)計(jì)隨意，存在管線拉扯導(dǎo)致的機(jī)械破壞風(fēng)險(xiǎn)等，需要重點(diǎn)防范。

1.2 整改措施

(1)密閉改造的儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)壓力不宜超過(guò)原儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)需要提高設(shè)計(jì)壓力時(shí)，應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐罐壁、罐底和罐頂厚度實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，重新校核罐壁、罐頂和罐底的強(qiáng)度，嚴(yán)禁用原設(shè)計(jì)值代替實(shí)際檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行核算。

(2)儲(chǔ)罐實(shí)施密閉改造，應(yīng)以儲(chǔ)罐罐體不被提離為原則確定儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力，并考慮儲(chǔ)罐是否已由常壓儲(chǔ)罐變更為微內(nèi)壓儲(chǔ)罐，根據(jù)儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)罐內(nèi)的舉升力重新核算。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓產(chǎn)生的舉升力不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要在儲(chǔ)罐底部增加錨固等措施。錨栓和錨固附件的相關(guān)設(shè)計(jì)要求具體可參照GB 50341附錄A[2]等內(nèi)容，防止事故狀態(tài)下罐底拔起、罐壁破裂等事故隱患。儲(chǔ)罐配置的緊急泄放人孔，不僅要考慮工藝泄放的需要，也要滿足事故泄放的要求。

(3)在實(shí)施罐頂氣相連通改造時(shí)，罐頂增設(shè)阻火器、切斷閥、氮封閥組、緊急泄壓閥等附屬設(shè)施并需要罐頂支撐時(shí)，應(yīng)盡量將這些附件分散布置，其支撐點(diǎn)盡量靠近罐壁設(shè)置。罐頂增加載荷對(duì)儲(chǔ)罐本體和罐頂?shù)膹?qiáng)度影響較大，必須對(duì)儲(chǔ)罐強(qiáng)度及罐頂承重能力重新校核，并根據(jù)校核結(jié)果采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，加固后罐頂穩(wěn)定性校核可采用有限元數(shù)值分析法。當(dāng)罐頂載荷增加較多時(shí)，除了對(duì)罐頂進(jìn)行校核外，還應(yīng)校核罐壁穩(wěn)定性。

(4)儲(chǔ)罐 VOCs 治理的支管收集管線配管設(shè)計(jì)應(yīng)合理，儲(chǔ)罐的油氣支管道應(yīng)從罐頂沿罐壁敷設(shè)至儲(chǔ)罐底部，與罐區(qū)的油氣總管連接，保證油氣支管道具有足夠的柔性。儲(chǔ)罐之間相連的油氣收集或平衡支管道，如果采用罐頂部直接連接方式，存在事故狀態(tài)下收集管線位移變化對(duì)相鄰儲(chǔ)罐造成機(jī)械破壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此收集支管線應(yīng)按照“步步低”從罐頂下到罐底的設(shè)計(jì)方式，嚴(yán)禁采用罐頂部直連的方式，防止事故時(shí)管線隨罐體發(fā)生位移而導(dǎo)致機(jī)械破壞的風(fēng)險(xiǎn)，最大限度減少事故影響。這種設(shè)計(jì)方式在“氣相平衡管連通方案”中比較常見(jiàn)，風(fēng)險(xiǎn)也最高。

(5)不同油氣收集系統(tǒng)共用油氣回收(處理)裝置時(shí)，應(yīng)避免系統(tǒng)之間的相互影響。儲(chǔ)罐收集不應(yīng)與污水提升及污水處理設(shè)施、工藝裝置儲(chǔ)罐及設(shè)備、酸性水罐等共用油氣收集系統(tǒng)。

(6)根據(jù)GB 50074的規(guī)定，內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐設(shè)置氮?dú)饷芊獗Ｗo(hù)并密閉回收處理罐內(nèi)排出的氣體，應(yīng)控制儲(chǔ)存溫度低于液體閃點(diǎn)5 ℃及以下[3]等必要的安全保護(hù)措施。因此，建議降低儲(chǔ)罐溫度，夏季采用噴淋、增加隔熱板或采用熱反射隔熱涂料[4]。

2 “內(nèi)浮頂+密封”結(jié)構(gòu)

依據(jù)GB/T50759規(guī)定[5]和生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于加快解決當(dāng)前揮發(fā)性有機(jī)物治理突出問(wèn)題的通知》(環(huán)大氣〔2021〕 65號(hào))要求，為了減少油品儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的油氣損耗和消除安全隱患，應(yīng)首先通過(guò)“內(nèi)浮頂+密封”改造、維修的方式達(dá)到VOCs治理要求。因此，一種新型全接液結(jié)構(gòu)類型內(nèi)浮盤(pán)，由蜂巢式單元模塊組裝而成，覆蓋于儲(chǔ)罐油品表面、減少油品揮發(fā)損耗的內(nèi)浮盤(pán)技術(shù)得以推廣和應(yīng)用，并且對(duì)內(nèi)浮盤(pán)各附件針對(duì)性進(jìn)行密封升級(jí)改造，達(dá)到消除安全隱患、降低VOCs排放量的目標(biāo)。

2.1 損耗分析

內(nèi)浮頂罐VOCs的排放主要包括邊緣密封、浮盤(pán)附件、浮盤(pán)盤(pán)縫、掛壁損耗四個(gè)方面。邊緣密封位于內(nèi)浮盤(pán)與罐壁之間，可以防止內(nèi)浮盤(pán)與罐壁摩擦，同時(shí)減少VOCs泄漏排放。自然風(fēng)力和有機(jī)液體的真實(shí)蒸氣壓對(duì)邊緣密封VOCs排放影響較大。內(nèi)浮盤(pán)常見(jiàn)的開(kāi)口附件(人孔、量油孔、液位計(jì)口等)都是VOCs排放源。內(nèi)浮頂罐的非接觸型內(nèi)浮盤(pán)通常是螺栓連接或鉚接存有縫隙，在內(nèi)浮頂蓋板的下部存在一定高度的油氣空間，部分VOCs通過(guò)盤(pán)縫排放至內(nèi)浮盤(pán)上方的氣相空間。隨著內(nèi)浮盤(pán)的升降，部分液體會(huì)滯留在罐壁及內(nèi)浮盤(pán)支撐柱上，造成掛壁損耗，直到罐體再次充滿液體，暴露面再次被覆蓋時(shí)，掛壁損耗才會(huì)停止。因此，只要將內(nèi)浮盤(pán)以上四個(gè)方面的密封全面優(yōu)化，才能提升VOCs治理效果。

2.2 優(yōu)化措施

(1)依據(jù)GB 50160規(guī)定[6]，全接液高效浮盤(pán)采用不銹鋼雙盤(pán)式全接液內(nèi)浮頂(無(wú)梁結(jié)構(gòu)，含雙密封)，全面接觸儲(chǔ)液，浮盤(pán)整體浸液面積率99.5%以上，消除了油氣揮發(fā)空間，有效阻絕了油氣揮發(fā)，油氣揮發(fā)損失理論核算減少85%以上，實(shí)際檢測(cè)減排95%以上，從源頭抑制油品揮發(fā)散逸。

(2)依據(jù)SH/T 3024規(guī)定[7]，內(nèi)浮盤(pán)密封采用大補(bǔ)償彈性密封+二次舌型刮板密封[8]的雙密封型式。密封整體材料應(yīng)滿足耐溫、耐磨、耐腐蝕、阻燃、抗?jié)B透、抗老化等性能要求[2]，并與罐壁貼合良好。周邊彈性壓力板密封能夠最大限度的彌補(bǔ)-100～+350 mm(密封裝置應(yīng)能補(bǔ)償±100 mm的環(huán)形間隙尺寸偏差[8])儲(chǔ)罐內(nèi)壁直徑偏差，浸入液下100 mm以上[2]，且與罐壁壓緊力不低于100 N/m3。

(3)全接液高效浮盤(pán)采用無(wú)主副梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊單元排列為品字形錯(cuò)位連接。模塊單元內(nèi)部設(shè)置蜂巢芯，蜂巢孔密度要求超過(guò)2 500個(gè)/m2，每個(gè)蜂巢孔之間形成相互獨(dú)立空間，即使收到穿刺性破壞，液體也只能充滿單個(gè)蜂巢孔的空間，不會(huì)流入其他蜂巢孔內(nèi)，不影響內(nèi)浮盤(pán)整體浮力，避免卡盤(pán)事故。模塊單元采用全焊接工藝，進(jìn)行氣密檢測(cè)，保證模塊單元無(wú)任何泄漏點(diǎn)。浮箱為獨(dú)立單元結(jié)構(gòu)，任意兩個(gè)浮箱泄漏或內(nèi)浮頂浮力喪失15%后，內(nèi)浮頂應(yīng)仍能漂浮在液面上且不產(chǎn)生附加危害，浮箱整體為全焊接結(jié)構(gòu)，焊縫采用自動(dòng)焊，形成一個(gè)獨(dú)立密封的浮力單元，浮箱應(yīng)可拆卸更換。

(4)在邊緣密封氣相空間和內(nèi)浮頂上方氣相空間之間設(shè)置氣相平衡設(shè)施，控制二者之間的壓差低于設(shè)定值，保證內(nèi)浮頂安全運(yùn)行。在原負(fù)壓消除裝置基礎(chǔ)上，加裝楔形填充部件，同時(shí)增大負(fù)壓消除裝置的舉升高度。正常開(kāi)啟時(shí)，氣體可順暢進(jìn)出內(nèi)浮盤(pán)上下空間；負(fù)壓閥關(guān)閉時(shí)，閥體下落，下部填充物回落至油品液面以下，達(dá)到浸液密封效果，消除油氣空間的存在。

(5)內(nèi)浮盤(pán)盤(pán)縫之間的油氣揮發(fā)損耗占比大。全接液模塊化不銹鋼雙盤(pán)式內(nèi)浮頂通過(guò)在模塊之間加裝耐油、耐腐蝕的密封墊片實(shí)現(xiàn)第一道密封；通過(guò)在相鄰兩模塊上立邊加裝密封材料和不銹鋼扣槽實(shí)現(xiàn)第二道、第三道密封。以上三道盤(pán)隙密封措施可大幅防止油氣通過(guò)盤(pán)縫揮發(fā)散逸。

(6)伸縮囊套技術(shù)：針對(duì)立柱側(cè)壁開(kāi)孔情況，采用伸縮囊套將立柱整體包裹，伸縮囊套將儲(chǔ)罐立柱隔絕。在內(nèi)浮盤(pán)上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)立柱開(kāi)孔和立柱與內(nèi)浮盤(pán)之間縫隙散逸的油氣始終在伸縮囊套之中，不會(huì)逸散到內(nèi)浮盤(pán)上方的空間。

(7)內(nèi)浮盤(pán)采用不銹鋼材質(zhì)，免除了油品污染、噴砂、除銹、防腐以及后續(xù)補(bǔ)漆、焊縫開(kāi)裂補(bǔ)焊等動(dòng)火作業(yè)和減少清罐維護(hù)次數(shù)。同時(shí)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)應(yīng)急事故時(shí)，內(nèi)浮盤(pán)模塊所采用的非易熔不銹鋼材質(zhì)使得浮盤(pán)具備耐受高溫達(dá)1 400 ℃以上，降低了安全隱患。

(8)內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐加氮封，將內(nèi)浮頂油罐透氣孔(包含罐壁和罐頂)全部封閉，用氮?dú)庋a(bǔ)充罐內(nèi)氣體空間。由于氮?dú)獗扔驼魵廨p，所以氮?dú)飧≡谟驼魵馍?。?dāng)呼氣時(shí)，呼出罐外的是氮?dú)舛皇怯驼魵?；?dāng)罐內(nèi)壓力降低時(shí)，氮?dú)庾詣?dòng)進(jìn)罐補(bǔ)充氣體空間，減少蒸發(fā)損耗，避免油品接觸空氣氧化。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，常壓儲(chǔ)罐的選型和內(nèi)浮頂安裝質(zhì)量等，是降低油品損耗的主要措施。因此，儲(chǔ)罐VOCs綜合治理，不管是否采用密閉收集處理的方式，均需做好儲(chǔ)罐選型設(shè)計(jì)、確保內(nèi)浮頂安裝質(zhì)量等，從源頭控制油品損耗，降低VOCs排放。明確常壓儲(chǔ)罐VOCs治理安全環(huán)?；驹瓌t，補(bǔ)充常壓儲(chǔ)罐密閉收集改造、內(nèi)浮頂設(shè)計(jì)安裝驗(yàn)收、常壓儲(chǔ)罐安全環(huán)保運(yùn)行及檢測(cè)等內(nèi)容，以進(jìn)一步規(guī)范常壓儲(chǔ)罐VOCs治理的安全風(fēng)險(xiǎn)防范工作，使石油、化工企業(yè)中儲(chǔ)罐產(chǎn)品的安全、環(huán)保、節(jié)能實(shí)現(xiàn)一體化。