張紅兵, 孔祥瑜

(山西省化工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030024)

石油化工企業(yè)液體物料儲(chǔ)運(yùn)及污染控制

張紅兵, 孔祥瑜

(山西省化工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030024)

介紹了各種儲(chǔ)罐形式、儲(chǔ)罐選擇及物料儲(chǔ)存的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對呼吸閥的功能、選用等進(jìn)行了介紹，對儲(chǔ)罐的大小呼吸影響因素、不同的計(jì)算公式進(jìn)行了分析對比，提出了液體物料儲(chǔ)運(yùn)的具體污染控制措施。

儲(chǔ)罐；呼吸閥；儲(chǔ)運(yùn)；規(guī)范；污染控制

在石油化工、煤化工、精細(xì)化工等諸多企業(yè)的生產(chǎn)中，都離不開液體物料的儲(chǔ)運(yùn)，而由于企業(yè)生產(chǎn)類型不同，所涉及的化工原材料、產(chǎn)品的性質(zhì)不同，導(dǎo)致物料儲(chǔ)存容器、儲(chǔ)存方式、儲(chǔ)存要求等千差萬別，由此而產(chǎn)生的污染物排放及治理措施也各不相同。因此，對石油化工等企業(yè)液體物料儲(chǔ)運(yùn)過程及污染排放與控制情況進(jìn)行研究，針對不同物料提出不同的控制要求，從而有效減少物料無組織排放、降低企業(yè)生產(chǎn)消耗、減輕環(huán)境污染，是本文研究的重點(diǎn)。

1 儲(chǔ)罐形式

液體的儲(chǔ)罐有六種基本罐體形式：固定頂罐(立式和臥式)、外浮頂罐、拱頂外(或覆蓋的)浮頂罐、內(nèi)浮頂罐、可變蒸汽空間罐和壓力罐(低壓和高壓)。

1.1 固定頂罐

這種類型的儲(chǔ)罐由帶有永久性附加罐頂?shù)膱A柱形鋼殼組成，其罐頂可以有錐形、圓拱頂形到平頂?shù)牟煌O(shè)計(jì)。固定頂罐的損耗是由溫度、壓力和液位的變化造成的。固定頂罐裝有自由排氣孔或呼吸閥，后者可以使儲(chǔ)罐能在極低內(nèi)壓或真空下操作，以防止在溫度、壓力或液面微小變化的情況下蒸氣釋放。對于目前的罐體設(shè)計(jì)，固定頂罐是造價(jià)最低的而且對于儲(chǔ)存有機(jī)液體是最低可接受的罐體。

1.2 外浮頂罐

一個(gè)典型的外浮頂罐(EFRT)是由一個(gè)開放的圓柱形鋼殼和漂浮在儲(chǔ)存液體表面的浮頂組成。浮頂是由一個(gè)浮盤、專用附件和邊緣密封裝置組成。目前使用的浮盤都是使用焊接鋼板建造的，分為兩種類型：浮筒型和雙盤式。所有類型的外浮頂罐，浮盤隨著罐內(nèi)液面上下浮動(dòng)。外浮頂配有一個(gè)邊緣密封系統(tǒng)，它連接在浮盤的外緣并與罐壁接觸。浮頂和密封裝置系統(tǒng)是為了減少儲(chǔ)存液體的蒸發(fā)損耗。在密封裝置和罐壁間仍存在一些環(huán)形空間。當(dāng)浮頂上升和下降時(shí)，密封裝置沿著罐壁滑動(dòng)。浮盤也有配件，這些配件穿過浮盤并提供操作功能，以限制儲(chǔ)存液體的蒸發(fā)損失、限制從邊緣密封系統(tǒng)和浮盤配件及管壁上液體(掛壁液體)蒸發(fā)造成的損失。

1.3 內(nèi)浮頂罐

內(nèi)浮頂罐(IFRT)不僅具有固定的罐頂而且里面有一個(gè)浮頂。內(nèi)浮頂罐的浮頂隨液面水平的變化而升降，浮頂或直接飄在液體表面(接觸型浮頂)，或懸浮在液面幾英寸以上的浮桶上(非接觸型浮頂)。目前在用的大多數(shù)鋁制內(nèi)浮頂用于非接觸型浮頂。內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：一是與浮頂罐比較，因?yàn)橛泄潭?，能有效地防止風(fēng)、砂、雨雪或灰塵的侵入，絕對保證儲(chǔ)液的質(zhì)量。同時(shí)，內(nèi)浮盤漂浮在液面上，使液體無蒸汽空間，減少蒸發(fā)損失，減少空氣污染，減少著火爆炸危險(xiǎn)，易于保證儲(chǔ)液質(zhì)量，特別適合于儲(chǔ)存高級汽油和噴氣燃料及有毒的石油化工產(chǎn)品；由于液面上沒有氣體空間，故減少罐壁罐頂?shù)母g，從而延長儲(chǔ)罐的使用壽命，二是在密封相同情況下，與浮頂相比可以進(jìn)一步降低蒸發(fā)損耗。

1.4 拱頂外浮頂罐

拱頂外(或覆蓋型)浮頂罐使用比外浮頂罐更重的甲板以及像內(nèi)浮頂罐一樣的固定罐頂。拱頂外浮頂罐通常有外浮頂罐加一個(gè)固定罐頂改造而成。這種類型的罐與內(nèi)浮頂罐非常相似，都使用焊接板和自支撐式固定罐頂。與內(nèi)浮頂罐一樣，固定灌頂?shù)淖饔貌皇亲鳛楦魵鈱?，而是為了防風(fēng)。固定頂罐的類型通常是自支撐式鋁制拱頂，鋁制拱頂用螺栓固定。與內(nèi)浮頂罐很像，這種罐也通過固定罐頂頂部的循環(huán)排氣口來實(shí)現(xiàn)自由排氣。但是，浮頂配件和邊緣密封卻與外浮頂罐是相同的。當(dāng)浮頂由更輕的IFRT-型浮頂代替時(shí)，這種罐就可以認(rèn)為是內(nèi)浮頂罐。

1.5 可變氣相空間罐

可變氣相空間罐配有可膨脹的容器，可適應(yīng)由溫度和大氣壓力改變而引起的蒸汽體積波動(dòng)變化。盡管可變蒸汽空間罐有時(shí)也獨(dú)立使用，但通常它們是與一個(gè)或多個(gè)固定頂罐的蒸汽空間相連的。最普通的兩種可變蒸汽空間罐類型是升降式浮頂罐和膜式柔性浮頂罐。

1.6 壓力罐

壓力罐通常是用來存儲(chǔ)高蒸汽壓的有機(jī)液體和氣體，具有多種形狀和尺寸，這取決于罐的操作壓力。一般分為常壓儲(chǔ)罐(設(shè)計(jì)壓力小于或等于6.9kPa的儲(chǔ)罐)、低壓儲(chǔ)罐(設(shè)計(jì)壓力大于6.9kPa且小于0.1MPa的儲(chǔ)罐)和高壓儲(chǔ)罐(設(shè)計(jì)壓力大于0.1MPa的儲(chǔ)罐)。高壓儲(chǔ)罐實(shí)際中可以在無蒸發(fā)或工作損失下操作。在常壓和低壓罐中，工作損失可能伴隨著裝罐的大氣排氣而發(fā)生。壓力罐裝有呼吸閥，用來防止沸騰排氣損失和每日溫度或大氣壓變化引起的呼吸損失。

2 石油化工液體物料儲(chǔ)存的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范

化工建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50483-2009)、石油化工企業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)規(guī)范(SH3047-1993)、石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范(SHT 3007-2007)、石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GB50160-2008)等規(guī)范中，對易揮發(fā)液體、可燃液體的儲(chǔ)存、裝卸等有相關(guān)要求。

3 呼吸閥的設(shè)置

呼吸閥一般用在常壓或低壓貯罐上，即只有常壓和低壓貯罐才有罐呼吸排放(在低壓罐上常有蒸汽回收系統(tǒng))，高壓貯罐沒有排放量，無呼吸損失和工作損失。對于存放有毒物質(zhì)的貯罐，是沒有的呼吸閥的，必須加活性碳過濾器等處理裝置。吸閥是儲(chǔ)罐不可缺少的安全附件，其功能是用以降低常壓及低壓儲(chǔ)罐內(nèi)揮發(fā)性液體的蒸發(fā)損耗。設(shè)置呼吸閥不僅可以減少罐內(nèi)氣體排放，從而降低對大氣的污染，而且可使儲(chǔ)罐避免因超壓而造成破壞或固超真空而導(dǎo)致失穩(wěn)，對安全和環(huán)保均起到一定的促進(jìn)作用。

3.1 呼吸閥的種類

呼吸閥分為兩種：

第一種是達(dá)到一定壓力時(shí)，進(jìn)行呼或吸，當(dāng)外液體輸入罐內(nèi)時(shí)有大量的氣體往外呼(稱正壓)。如罐內(nèi)液體往外輸出時(shí)罐內(nèi)必須從外空氣吸進(jìn)罐內(nèi)(稱負(fù)壓)。如停止工作時(shí)呼吸閥自動(dòng)關(guān)閉不會(huì)把罐內(nèi)液氣往外泄漏，使罐內(nèi)的液體質(zhì)量得到了有利的保障。第二種呼吸閥類似于單向止逆閥，它只能向外呼氣，不能向內(nèi)吸氣，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力升高時(shí)，氣體便經(jīng)過呼吸閥向外放空，保證系統(tǒng)的壓力恒定。

3.2 呼吸閥的功能

呼吸閥在正常狀態(tài)下起密封作用，以防止儲(chǔ)罐內(nèi)氣體泄出，只有在下列條件下呼吸閥才開始工作。

①儲(chǔ)罐向外輸出物料時(shí)呼吸閥即開始向罐內(nèi)吸入空氣。

②向儲(chǔ)罐內(nèi)灌裝物料時(shí)呼吸閥即開始將罐內(nèi)氣體向罐外呼出。

③由于氣候變化等原因引起罐內(nèi)物料蒸氣壓增高或降低，呼吸閥則呼出蒸汽或吸入空氣或氮?dú)?通稱熱效應(yīng))。

④發(fā)生火災(zāi)時(shí)，儲(chǔ)罐因受熱引起罐內(nèi)液體蒸發(fā)量劇增，呼吸閥便開始向罐外呼出，以避免儲(chǔ)罐因超壓而損壞。

⑤在其他工況下，如揮發(fā)性液體的加壓輸送，內(nèi)外部傳熱裝置化學(xué)反應(yīng)，操作失誤等，呼吸閥則進(jìn)行呼出或吸入，以避免儲(chǔ)罐因超壓或超真空而遭受損壞。

3.3 呼吸閥選用

①對安裝位置的要求和溫度范圍的要求，如寒冷地區(qū)就應(yīng)選用全天候呼吸閥，而安裝在管道中的應(yīng)選用管道式呼吸閥。

②機(jī)械呼吸閥的控制壓力應(yīng)與有關(guān)的承壓能力相適應(yīng)。

③機(jī)械呼吸閥的規(guī)格(法蘭通徑)應(yīng)滿足油罐的最大進(jìn)出油呼吸氣體流量要求。

4 儲(chǔ)罐的大、小呼吸及其計(jì)算

4.1 (1) 儲(chǔ)罐的大呼吸及其影響因素

儲(chǔ)罐的大呼吸是指儲(chǔ)罐在進(jìn)出料時(shí)的物料的揮發(fā)和逸散，小呼吸是指儲(chǔ)罐中的物料由于品種、溫度、蒸汽壓、粘度等自身性質(zhì)和風(fēng)、大氣壓等外界條件，以及儲(chǔ)罐本身的種類、形式的不同，隨時(shí)產(chǎn)生的物料的散發(fā)。儲(chǔ)罐的大、小呼吸是液體物料(特別是易揮發(fā)物料)儲(chǔ)運(yùn)過程中兩種主要的污染物排放方式，影響大、小呼吸的主要因素如下：

影響大呼吸的主要因素有：

①物料性質(zhì)。物料油品密度越小，損耗越大；

②收發(fā)料速度。進(jìn)料、出料速度越快，損耗越大；

③儲(chǔ)罐耐壓等級。儲(chǔ)罐耐壓性能越好，呼吸損耗越小。當(dāng)儲(chǔ)罐耐壓達(dá)到5kPa時(shí)，則降耗率為25.1%，若耐壓提高到26kPa時(shí)，則可基本上消除小呼吸損失，并在一定程度上降低大呼吸損失。

④與儲(chǔ)罐所處的地理位置、大氣溫度、風(fēng)向、風(fēng)力及管理水平有關(guān)。

影響小呼吸的主要因素有：

①晝夜溫差變化。晝夜溫差變化愈大，小呼吸損失愈大。

②油罐所處地區(qū)日照強(qiáng)度。日照強(qiáng)度愈大，小呼吸損失愈大。

③儲(chǔ)罐越大，截面積越大，小呼吸損失越大。

④大氣壓。大氣壓越低，小呼吸損失越大。

⑤油罐裝滿程度。油罐滿裝，氣體空間容積小，小呼吸損失小。

4.1 大、小呼吸的計(jì)算公式

目前公開報(bào)道的有機(jī)廢氣儲(chǔ)罐呼吸氣的計(jì)算方法主要有：中國石油化工系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式、美國石油學(xué)會(huì)(APl)推薦的方法、美國國家環(huán)保局推薦公式、石油庫節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則中推薦的方法等。此外，還有幾種純經(jīng)驗(yàn)估算方法，包括中國的《散裝液態(tài)石油產(chǎn)品損耗國家標(biāo)準(zhǔn)》(GB11085-89)估算方法，日本資源能源廳方法，歐盟經(jīng)驗(yàn)方法、無組織排放反推方法等。TANKS4.0是依據(jù)美國國家環(huán)保局推薦公式所編制的應(yīng)用軟件。該軟件適用于估算原油、汽油及揮發(fā)性有機(jī)溶劑的年大呼吸蒸發(fā)損耗和年小呼吸蒸發(fā)損耗。下面就經(jīng)出常用的中國石油化工系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式、美國石油學(xué)會(huì)(APl)推薦的公式、美國國家環(huán)保局推薦公式如下：

美國國家環(huán)境保護(hù)局推薦公式

浮頂罐計(jì)算公式：

LT=LW+LR+LF+LD+LX

(1)

式(1)中，LT為總損耗量(lbs/a)；LW為工作損失(lbs/a)；LR為板層邊緣密封損失(lbs/a)；LF為板層附屬配件損失(lbs/a)；LD為板層接縫損失(lbs/a)，適用于內(nèi)浮頂罐；LX為倒罐損耗量(lbs/a)。

固定罐計(jì)算公式：

LT=LW+LS+LX

(2)

式(2)中，LS為靜置損失(lbs/a)。

美國石油學(xué)會(huì)經(jīng)驗(yàn)公式

浮頂罐小呼吸計(jì)算公式：

LS=KS×Vn×P*×D×Uy×Kc×Ef×Ki

(3)

式(3)中，LS為浮頂罐靜止儲(chǔ)存損耗量(kg/a)；KS為密封系數(shù)；n為與密封裝置類型有關(guān)的風(fēng)速指數(shù)。

浮頂罐大呼吸計(jì)算公式：

W=1·37×10-4×V/D

(4)

式(4)中，W為浮頂罐發(fā)油損耗量(kg/a)；V為油品泵送入罐量(m3/a)。

固定罐小呼吸計(jì)算公式：

LB= 0·191×M×[P/(100910 -P)]0·68×D1·73×H0·51×ΔT0·45×FP×C×KC

(5)

式(5)中，LB為固定頂罐的呼吸排放量(kg/a)；FP為涂層因子(無量綱)，根據(jù)油漆狀況取值為1～1.5；C為用于小直徑罐的調(diào)節(jié)因子(無量綱)；直徑為0～9m的罐體，C=1-0.0123(D-9)×2；罐徑大于9 m的罐體C=1。

固定罐大呼吸計(jì)算公式：

F=5.8×P×V/106×KT

(6)

式(6)中，F(xiàn)為固定頂罐的工作損失；KT為周轉(zhuǎn)因子(無量綱)。

中國石油化工系統(tǒng)公式

浮頂罐小呼吸計(jì)算公式：

LS=Y×V×n×Px×D×Mv×KS×KC×EF

(7)

式(7)中，LS為小呼吸蒸發(fā)損耗(kg/a)；KS為密封系數(shù)；Y為系數(shù)(外浮頂罐Y=3.1，內(nèi)浮頂罐Y=2.05)。

浮頂罐大呼吸計(jì)算公式：

LW=4×Q×C×Py/D

(8)

式(8)中，LW為浮頂罐發(fā)油損耗量(kg/a)。

固定罐小呼吸計(jì)算公式：

Lds=12.751×10-3×KE×[P/(760-P)]0.68×D1.73×H0.51×T0.5×FP×C×v

(9)

式(9)中，Lds為固定頂罐的呼吸排放量(kg/a)；v為儲(chǔ)存油品的平均質(zhì)量(t/m3)。

固定罐大呼吸計(jì)算公式：

LW=4·188×10-7×M×P×KT×KC

(10)

式(10)中，LW為固定頂罐的工作損失(kg/m3)。

在相同周轉(zhuǎn)量情況下，根據(jù)各公式的函數(shù)關(guān)系分析影響因素，可以看出，美國國家環(huán)保局推薦公式主要影響因素為:儲(chǔ)罐形式、儲(chǔ)罐規(guī)格和油品種類。美國石油學(xué)會(huì)經(jīng)驗(yàn)公式主要影響因素為:液體的真實(shí)蒸汽壓、儲(chǔ)罐的溫度變化、儲(chǔ)罐的留空高度、儲(chǔ)罐規(guī)格、儲(chǔ)罐收發(fā)作業(yè)周期及安排、儲(chǔ)罐狀況。中國石油化工系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式影響因素與美國石油學(xué)會(huì)推薦公式大致相同。

經(jīng)過眾多研究者的實(shí)例計(jì)算，經(jīng)出各種公式計(jì)算結(jié)果的差異如下：在計(jì)算浮頂罐污染物量時(shí)，美國石油學(xué)會(huì)公式和中國中石化公式的計(jì)算結(jié)果接近，固定罐相差較大，其原因是由于油品種類和儲(chǔ)罐技術(shù)限制，但較適合我國情況，所以建議采用中石化公式計(jì)算固定罐的呼吸量。美國國家環(huán)保局公式在計(jì)算大容量浮頂罐時(shí)，結(jié)果相對保守一些，對于環(huán)保要求較高的區(qū)域建議使用美國國家環(huán)保局公式計(jì)算浮頂罐呼吸量。

5 液體物料儲(chǔ)運(yùn)的污染控制

下面以汽油等油品為例，給出液體物料儲(chǔ)運(yùn)的污染控制措施。

5.1 儲(chǔ)罐小呼吸污染控制措施

要減少“小呼吸”損耗、應(yīng)從減小氣體體積和油罐表面的溫差著手，主要措施如下：

①使用浮頂罐或內(nèi)浮頂罐，選用合適的密封裝置。對于易揮發(fā)的輕質(zhì)油品，宜儲(chǔ)存在浮頂罐或內(nèi)浮頂罐中。新建的原油和輕質(zhì)油罐已全部采用了這種辦法，一些油庫在改造過程中，也將原來的固定頂罐改造成了內(nèi)浮頂罐，大大地降低了油品的蒸發(fā)損耗。對浮頂罐而言，浮頂與內(nèi)罐壁間的密封裝置對減少油品蒸發(fā)損耗起著關(guān)鍵作用，它有機(jī)械密封、彈性密封和管式密封3種形式。

②高溫季節(jié)對油罐適當(dāng)延長淋水期。未采取淋水措施的地上固定頂金屬油罐氣體空間的最高溫度可比日最高氣溫高出約20℃，而采取了淋水措施的油罐內(nèi)氣體空間的最高氣溫則會(huì)略低于日最高氣溫。因此，采用淋水的辦法在高溫季節(jié)給油罐進(jìn)行降溫對減少油品蒸發(fā)損耗具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高溫時(shí)，采用淋水的辦法可以減少90%的油品蒸發(fā)損耗。對處于不同地區(qū)的油罐，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際天氣情況，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)對油罐進(jìn)行淋水，并適當(dāng)?shù)拇_定淋水時(shí)間以達(dá)到最佳效果。

③采用地下油罐可以減少小呼吸損耗。

④對金屬固定罐而言，提高油罐的承壓能力是通過提高鋼材與焊接工藝的強(qiáng)度，使其能夠超過油品在儲(chǔ)存溫度下的飽和蒸氣壓，從而達(dá)到減少小呼吸損耗的作用。

5.1 儲(chǔ)罐大呼吸污染控制措施

為了盡量減少油罐大呼吸時(shí)對環(huán)境造成的危害，應(yīng)從控制油蒸氣的逸出入手。主要措施如下：

①在油罐進(jìn)油操作時(shí)，應(yīng)盡量在降溫時(shí)作業(yè)。由于在降溫時(shí)罐內(nèi)氣體因溫降而收縮，使蒸氣分子凝結(jié)加快或蒸發(fā)減慢，因此進(jìn)油時(shí)罐內(nèi)排除的氣體量必然少于進(jìn)油量，致使損耗量比升溫時(shí)大量減少。另外，在油罐進(jìn)油時(shí)應(yīng)盡量加大泵的排量，使油品在進(jìn)油過程中來不及大量蒸發(fā)，從而減少損耗。同時(shí)，在安排油罐進(jìn)油時(shí)，應(yīng)優(yōu)先安排剛排空的儲(chǔ)罐。

②在油罐發(fā)油操作時(shí)，作業(yè)應(yīng)進(jìn)行得緩慢些，這樣可使罐內(nèi)氣體濃度下降較為遲緩，以避免或減少發(fā)油結(jié)束后出現(xiàn)回逆呼出損耗。為此，可以在呼吸閥的底部安裝呼吸閥擋板，使氣流折向罐壁，避免直沖油面，從而減少油面蒸發(fā)。

③采用密閉收發(fā)油技術(shù)。將油罐、管路及位于零發(fā)油灌裝場地的油罐車視作一個(gè)整體，將油蒸氣密封起來，盡量減少油蒸氣的逸出。

④采用呼吸氣收集處理裝置，在儲(chǔ)罐呼吸口設(shè)置呼吸氣收集處理裝置。不同物料采用不同處理措施，主要有冷凝回收、活性炭吸附、水吸收等，可較大程度降低物料大呼吸排放量。

6 結(jié)論

石油化工企業(yè)液體物料儲(chǔ)運(yùn)過程的無組織污染物排放數(shù)量較大，應(yīng)引起廣泛的重視，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理、末端治理等全過程進(jìn)行規(guī)范的管理和要求，將儲(chǔ)運(yùn)過程污染物排放量降到最低程度，在減輕環(huán)境污染的同時(shí)也可為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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(本文文獻(xiàn)格式：張紅兵 , 孔祥瑜.石油化工企業(yè)液體物料儲(chǔ)運(yùn)及污染控制[J].山東化工，2016，45(04)：126-128.)

2015-12-23

張紅兵(1976—)，碩士，院長助理，環(huán)評中心主任，山西省環(huán)境影響評價(jià)專家組成員，主要從事環(huán)境影響評價(jià)及研究工作。

TQ086.2

A

1008-021X(2016)04-0126-03