李 強，戴世金，史育剛，唐 武，張漢威，趙由才，曹偉華

(1.光大綠色環(huán)保管理(深圳)有限公司，深圳 518040；2.中國光大綠色環(huán)保有限公司，深圳 518040；3.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；4.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

1 前 言

我國正處于經(jīng)濟建設(shè)大發(fā)展時期，工業(yè)化和城市化進程產(chǎn)生了大量危險廢物。據(jù)統(tǒng)計，2015年全國危險廢物產(chǎn)生量已超過4 000萬噸，當年儲存量超過800萬噸[1-2]?；谄湮：π裕瑖液偷胤街饾u建立起嚴格的監(jiān)管體系。我國《國家危險廢物名錄》規(guī)定的危廢有49大類600多種，涉及行業(yè)亦近百種，重點行業(yè)20余項，種類繁雜，處理難度大。

當前各省市危廢綜合處理中心建設(shè)速度加快，由于危廢的復(fù)雜性，危廢處理廠的穩(wěn)定運行面臨諸多挑戰(zhàn)。在科研領(lǐng)域，各高校和研究所主要聚焦于單一反應(yīng)器的開發(fā)，或控制參數(shù)對溫度場和速度場影響等[3～5]；在工程領(lǐng)域，研究熱點圍繞管理體系的完善，全廠總體設(shè)計等[6～8]。整體而言，關(guān)于回轉(zhuǎn)窯焚燒及相關(guān)煙氣凈化的工藝研究較多，而涉及配套設(shè)施和工藝系統(tǒng)安全的研究缺乏。

在危廢處理廠的工藝系統(tǒng)安全方面，廢液罐區(qū)起著重要作用[9]。在本研究中，罐區(qū)系統(tǒng)針對危廢種類包括油水混合物、烴水混合物(HW09)、廢乳化液、廢礦物油(HW08)、有機溶劑廢物(HW06)、廢有機溶劑(HW41)、廢鹵化有機溶劑(HW42)等。在江蘇和上海一些化工園區(qū)的危廢中心，液廢處理量達到或超過了總處理對象的50%。危廢處理廠的很多安全風(fēng)險和運營問題與罐區(qū)的工藝系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)。然而，廢液常為混合物，物性復(fù)雜；罐區(qū)工藝系統(tǒng)設(shè)計無法照搬石油化工行業(yè)設(shè)計規(guī)范。本研究將依據(jù)危廢特點和運行需要，對廢液罐區(qū)的“氮封系統(tǒng)”和“安全泄放系統(tǒng)”等進行設(shè)計探討。

2 氮封系統(tǒng)

2.1 設(shè)計依據(jù)

氮封系統(tǒng)常用于石化行業(yè)，防止儲罐內(nèi)物料與外界空氣接觸而發(fā)生化學(xué)或生物反應(yīng)。尤其針對低閃電點介質(zhì)，有毒性易揮發(fā)組分，以及飽和蒸汽壓較高的介質(zhì)。

在傳統(tǒng)設(shè)計中，氮封系統(tǒng)由氮封裝置、呼吸閥等組成；根據(jù)工藝需要，氮封閥組可配限流孔板旁路。氮封裝置由供氮裝置(即帶指揮器自力式壓力調(diào)節(jié)閥)和泄氮裝置(即自力式微壓調(diào)節(jié)閥)兩部分組成。該流程無需外加能源，在無電無氣場合利用介質(zhì)自身能量。供氮裝置和泄氮裝置的動作原理見圖1和圖2。

P1：閥前壓力; P2：閥后壓力; Ps：執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動壓力; A：指揮器檢測室; B：指揮器B氣室; C:上膜室

如圖1所示，帶指揮器自力式壓力調(diào)節(jié)閥的供氮裝置作用方式為壓閉型。其原理如下：介質(zhì)由閥體上箭頭方向流經(jīng)閥體，閥芯的位置即閥芯和閥座之間的截流面積決定了介質(zhì)流量，同時P1經(jīng)減壓器減壓進入指揮器B室作為驅(qū)動能源使用。系統(tǒng)停止時，閥門主閥關(guān)閉。受控的下游壓力(P2)經(jīng)導(dǎo)壓管傳送到指揮器檢測室A，并在此轉(zhuǎn)換成定位力。根據(jù)彈簧力大小，定位力調(diào)整指揮器閥芯位置。當閥后壓力P2升高時，指揮器閥芯位移，使指揮器趨向關(guān)閉，相應(yīng)PS壓力減小，調(diào)壓閥主閥趨向關(guān)閉。從而達到減壓、穩(wěn)壓目的。相反當閥后壓力P2降低時，指揮器開啟度增大，相應(yīng)PS壓力增大，調(diào)壓閥主閥趨向開啟度增大，從而達到減壓、穩(wěn)壓目的。

P1：閥前壓力; P2：閥后壓力; A：執(zhí)行機構(gòu)

在圖2中，自力式微壓調(diào)節(jié)閥的泄氮裝置作用方式為壓開型。其原理如下：介質(zhì)由閥體上箭頭方向流經(jīng)閥體，閥芯的位置(閥芯和閥座之間的截流面積)決定了介質(zhì)流量。受控的上游壓力(P1)進入檢測室，并在此轉(zhuǎn)換成定位力。根據(jù)彈簧力大小，定位力調(diào)整閥芯位置。當閥前壓力P1升高時，閥芯位移，使閥門趨向開啟，從而達到泄壓目的。與之相反，當閥前壓力P1降低時，調(diào)壓閥主閥趨向關(guān)閉，從而達到穩(wěn)壓目的。

呼吸閥起安全作用，是在主閥失靈，導(dǎo)致罐內(nèi)壓力過高或過低時工作。在正常情況下不工作；一般泄氮裝置的壓力設(shè)定點略大于供氮閥的壓力設(shè)定點，呼吸閥的呼氣壓力設(shè)定點略大于泄氮裝置的壓力設(shè)定點。此設(shè)計可避免呼吸閥頻繁工作，耗費氮氣、影響設(shè)備使用壽命。

2.2 危廢罐區(qū)氮封系統(tǒng)特點

危廢物料特點與石化行業(yè)儲罐物料存在較大差異；兩者的功能屬性也不相同。在危廢處理中心，廢液罐體常超過100方，進入罐體中的，均為混合物。具體描述見表1。

表1 危廢廠廢液罐區(qū)氮封系統(tǒng)關(guān)鍵點分析Tab.1 Key-point analysis of “Nitrogen Seal System” in the liquid waste storage zone of hazardous waste treatment plant

基于上述分析，在危險廢物處理廠廢液罐區(qū)，主要特點是廢液為混合物料；物性差異大，飽和蒸汽壓值確定需分析各種工況。

2.3 工藝設(shè)計中的關(guān)鍵問題

2.3.1 氮封壓力確定

危險廢物處理項目工程設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)擬處理物料調(diào)研數(shù)據(jù)確定氮封壓力。

若危險廢液來源集中、物性穩(wěn)定，并且不存在高飽和蒸氣壓物料，可根據(jù)《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3007-2014)來設(shè)置供氮壓力。

若廢液物性多樣，存在高飽和蒸氣壓物料，同時有反應(yīng)熱控制較難。為控制危險廢液閃蒸氣體揮發(fā)造成的風(fēng)險，氮封壓力設(shè)定值則顯著高于石油化工行業(yè)常規(guī)參數(shù)范圍。其設(shè)置思路可參考可燃介質(zhì)儲罐(如乙酸乙酯)[10]。

2.3.2 系統(tǒng)配置方案

根據(jù)上述內(nèi)容(氮封壓力)分析，基于氮封壓力值與常規(guī)石化儲罐設(shè)定參數(shù)的對比，通常存在兩種系統(tǒng)配置方案。

2.3.2.1 低氮封壓力系統(tǒng)

此種情況下，可根據(jù)《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3007)、《石油化工罐區(qū)自動化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3184)等在罐頂設(shè)置供氮裝置和呼吸閥。另外，出于環(huán)?？紤]，設(shè)置專門管線收集處理排出廢氣。排氣管線上的出口閥組處于常開狀態(tài)，此功能代替3.1章節(jié)描述的泄氮裝置，因此不設(shè)單獨的泄氮裝置。根據(jù)SH/T 3007，氮封壓力值設(shè)置在1～1.5kPa。當儲罐操作壓力超過氮封壓力設(shè)定值時，排氣管線出口閥打開，通過排氣泄壓使氮封壓力維持在正常設(shè)定值；當泄壓管線或者供氮裝置異常，并引起操作壓力升高時，呼吸閥動作，確保儲罐安全。具體壓力系統(tǒng)控制模式同2.1章節(jié)描述。

2.3.2.2 高氮封壓力系統(tǒng)

此種工況，氮封設(shè)定壓力通常在15～50kPa，因此無法安裝符合需要的呼吸閥。根據(jù)實際情況需要，可組合式設(shè)置事故泄放裝置來代替呼吸閥功能，保護罐體安全。氮氣進出的控制及排氣收集等設(shè)置同低氮封壓力模式。

2.3.3 其他

在危廢類項目中，補氮系統(tǒng)通常未設(shè)置旁路，調(diào)節(jié)閥更換檢修時，停止補氮；并停止罐區(qū)的正常運行。

此設(shè)計與石化行業(yè)不同，運營方主要基于兩點考慮：一方面是對自力式調(diào)節(jié)閥性能標準要求較高，降低故障風(fēng)險；另一方面危險廢物處理廠本身有其檢修周期，可將調(diào)節(jié)閥檢修等納入檢修內(nèi)容。

3 安全泄放系統(tǒng)

3.1 設(shè)計依據(jù)

在危廢處理廠，“氮封”和“安全泄放裝置”共同維持著罐區(qū)的工藝系統(tǒng)安全。在前述內(nèi)容已確定氮封壓力的基礎(chǔ)上，進一步探討安全泄放系統(tǒng)設(shè)計；可參考的標準規(guī)范包括“煉油廠壓力泄放裝置的尺寸確定、選擇和安裝[ API RP 520，521，576]”， “ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范 第VIII卷”，“石油儲罐附件 第1部分：呼吸閥[SY/T 0511.1]”等。

上述均為傳統(tǒng)行業(yè)常用安全泄放系統(tǒng)設(shè)計標準，然而廢液罐物料混合過程反應(yīng)復(fù)雜，動力學(xué)系數(shù)不確定性高；因此在工況分析和計算過程，需結(jié)合危廢廠實際情況處理。

在此類項目中，安全泄放系統(tǒng)主要包括緊急泄放裝置(爆破片和安全閥)和呼吸閥組。

3.2 緊急泄放系統(tǒng)設(shè)置

在設(shè)計緊急泄放系統(tǒng)時，首先進行泄放工況分析，包括出口堵塞、外部火災(zāi)、化學(xué)反應(yīng)、閥門失效、以及其他各類事故工況。計算出各工況的泄放量，并比較選出最大值。再以此值為依據(jù)，進行泄放閥的選型計算。根據(jù)危廢處理廠實際工藝系統(tǒng)，選取事故工況分析，具體過程見表2。

表2 廢液罐區(qū)安全泄放工況分析Tab.2 Working condition analysis of “Safety Relief System” in the liquid waste storage zone of hazardous waste treatment plant

在表2中，標注(1)分析泄氮閥堵塞的情況，此時考慮泄放氮氣的最大進入量，泄放物質(zhì)為氮氣；標注(2)分析外部火災(zāi)情況超壓，首先需利用工具計算出起跳壓力下的泄放溫度，然后根據(jù)如下公式進一步計算：

A=πD(L+0.3D)

(1)

(2)

(3)

公式中，

A——容器濕潤面積，m2；

F——容器外壁修正系數(shù)(根據(jù)耐火層相關(guān)參數(shù)和泄放溫度計算)；

H——泄放條件時的氣化熱，kJ/kg；

W——質(zhì)量泄放量，kg/h。

根據(jù)上述公式及分析過程，氣化熱、濕潤面積和容器外壁修正系數(shù)影響著泄放量計算。其中泄放工況的氣化熱是確定火災(zāi)工況泄放量的關(guān)鍵參數(shù)。因廢液儲罐無耐火材料，F(xiàn)值可取經(jīng)驗值0.7～1.0。

關(guān)于化學(xué)反應(yīng)超壓，此工況分析需明確動力學(xué)過程，并獲取相關(guān)過程參數(shù)。對于多數(shù)危險廢物處理廠，無法針對性計算此工況泄放量。對于廢液來源單一的物料，可在試驗獲取相關(guān)參數(shù)后計算。

基于上述分析，可比較堵塞情況和外部火災(zāi)情況，并選取其中的較大值；再根據(jù)化學(xué)反應(yīng)放熱的風(fēng)險大小，并結(jié)合儲罐設(shè)備和管路系統(tǒng)設(shè)計防范措施的完善程度，經(jīng)驗性放大泄放量。

根據(jù)泄放介質(zhì)特性，選擇全啟式安全閥或正拱型爆破片。

3.3 呼吸閥系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)API2000和 SY/T 0511.1，查相關(guān)表格計算物料進出和熱效應(yīng)引起的呼吸量；具體的計算分析過程，也可參考相關(guān)文獻描述[11]。

根據(jù)SY/T 0511.1，呼吸閥的開啟壓力等級分為五級，如表3所示。

表3 呼吸閥開啟壓力分級表*Tab.3 Grading table of opening pressure for breather valve (Pa)

危廢罐區(qū)涉及的呼吸閥常為D、E等級。在氮封壓力較高時，無法選型出適宜的呼吸閥，此時由破真空閥和安全閥組合來代替呼吸閥組。

在確定呼吸量基礎(chǔ)上，需結(jié)合具體呼吸閥樣品規(guī)格書，來確定呼吸閥進出口管徑以及連接法蘭[12]。

3.4 泄放氣體處理

呼吸閥泄放廢氣是經(jīng)管道輸送進入廠區(qū)臭氣處理系統(tǒng)集中處理。

4 結(jié) 論

罐區(qū)是危廢綜合處理廠的關(guān)鍵單元，其氮封系統(tǒng)和安全泄放系統(tǒng)的設(shè)置對于危廢處理廠的穩(wěn)定運行和安全環(huán)保具有重要意義。

本文提出了危險廢液罐區(qū)氮封系統(tǒng)和安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計思路和分析方法。氮封壓力需基于廢液物性調(diào)研檢測報告確定，尤其對于高飽和蒸氣壓廢料，不宜直接參照傳統(tǒng)行業(yè)設(shè)計思路；安全泄放系統(tǒng)泄放工況應(yīng)結(jié)合廢液罐區(qū)整體設(shè)計具體分析，計算過程應(yīng)基于危險廢液混合特點，氣化熱等參數(shù)是設(shè)計過程的關(guān)鍵點。

危險廢液罐區(qū)的工藝系統(tǒng)的設(shè)計方法可參考石油化工行業(yè)的國內(nèi)外標準，然而危廢廠有其自身特點，如更高的環(huán)保要求和更復(fù)雜的控制風(fēng)險。因此，在工藝設(shè)計過程中，對各類標準應(yīng)當甄別，提煉其計算內(nèi)涵，并結(jié)合危廢特點選取和調(diào)整相關(guān)參數(shù)，形成適合于危險廢物處理廠的工程設(shè)計思路；從而有效規(guī)避運行中的風(fēng)險，保障危險廢物處理過程的安全。

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