龐 雷，巴勝富，王永強(qiáng)，張 的，韓彩紅，曲玉棟

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司通用機(jī)械復(fù)合材料技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031）

0 引言

加油站埋地油罐在長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存油品的過程中，因沙粒泥土、金屬鐵銹、水分和成品油組分的沉積和相互作用，在罐底及內(nèi)壁會(huì)積存許多污垢。污垢不僅影響油品的質(zhì)量，而且對(duì)油罐產(chǎn)生腐蝕。按照規(guī)定，埋地油罐定期每3～5 年需清洗1 次，在換裝不同種類的油料時(shí)，原儲(chǔ)油料對(duì)新?lián)Q裝的油料有影響時(shí)也需要對(duì)油罐進(jìn)行檢維修和清洗[1-3]。目前的清洗方式有2 種，人工清洗和機(jī)械清洗。人工清洗安全性極差，將逐步被機(jī)械清洗取代。但是市場(chǎng)上現(xiàn)有的機(jī)械清洗設(shè)備存在諸多問題，一方面清洗工藝設(shè)計(jì)不合理，沒有油水分離、固液分離等功能，產(chǎn)生大量的含油污水和含油固體廢棄物；另一方面，機(jī)械清洗過程中工藝流程不封閉，造成大量的超標(biāo)油氣長(zhǎng)時(shí)間排放，存在極大的安全隱患和環(huán)境污染問題。鑒于以上問題，針對(duì)加油站埋地油罐機(jī)械清洗的特殊性，研制了更加安全、環(huán)保和高效的自動(dòng)化機(jī)械清洗成套設(shè)備，主要由清洗模塊、回收模塊、分離模塊、油氣處理模塊和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)利用水射流沖刷罐壁，剝離附著的油和油泥，并回收后進(jìn)行油水分離，清洗用水達(dá)到城市排放標(biāo)準(zhǔn)或循環(huán)利用。清洗過程無需人員進(jìn)罐，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。清洗噴頭射流半徑可達(dá)12 m 以上，能夠覆蓋加油站所有類型的儲(chǔ)油罐。

1 成套設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)

如圖1 所示，清洗泵將水加壓輸送至清洗噴頭，在水射流的流動(dòng)推力驅(qū)動(dòng)下，清洗噴頭在罐內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，射流沖擊罐壁附著的油泥，與水形成油水混合物。真空泵將真空罐內(nèi)的空氣抽出，使得真空罐內(nèi)形成負(fù)壓，在大氣壓的作用下，地埋罐中的油水混合物引流進(jìn)入真空罐。回收泵將真空罐中的油水混合物抽出輸送至油水分離器。油水混合物在油水分離器中實(shí)現(xiàn)油和水的分離，油漂浮在上層，由上部排油口進(jìn)入存油罐內(nèi)，下層的水由循環(huán)泵輸送回水箱。清洗與回收同步進(jìn)行，組成一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的循環(huán)系統(tǒng)。

為了防止地埋罐的機(jī)械清洗過程造成環(huán)境污染，成套設(shè)備設(shè)計(jì)了2 套分離裝置，即油水分離系統(tǒng)和油氣處理系統(tǒng)。清洗過程產(chǎn)生的油水混合物經(jīng)油水分離系統(tǒng)處理后，水可繼續(xù)循環(huán)用于清洗，當(dāng)清洗工程完成后需要將設(shè)備中的水排放時(shí)也可以直接排放，經(jīng)油水分離系統(tǒng)處理后的水已經(jīng)達(dá)到城市污水排放標(biāo)準(zhǔn)。真空泵抽出的氣中含有揮發(fā)的汽油或柴油，經(jīng)油氣處理系統(tǒng)處理后，空氣可達(dá)標(biāo)排放，分離出的汽油或柴油回收入存油罐內(nèi)。

圖1 加油站機(jī)械清洗工藝流程

2 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 清洗噴頭的設(shè)計(jì)

2.1.1 清洗噴頭射流參數(shù)設(shè)計(jì)

清洗噴頭是加油站機(jī)械清洗成套設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是產(chǎn)生360°全方位三維旋轉(zhuǎn)射流，清洗地埋罐罐壁的附著物，恢復(fù)罐內(nèi)壁的清潔度，并能夠破碎、攪拌罐底沉積物，使其產(chǎn)生流動(dòng)性，以便抽吸回收，清洗噴頭性能的優(yōu)劣直接決定著施工的效率。

加油站地埋罐為圓柱形臥式儲(chǔ)罐，直徑2.2～2.4 m，容積為5～60 m3，長(zhǎng)度一般不超過12 m。地埋罐的人孔設(shè)置在距離封頭1 m 的位置上。清洗噴頭通過罐體人孔安裝在儲(chǔ)罐內(nèi)部，遠(yuǎn)端封頭與其距離在11 m 以內(nèi)。因此，清洗噴頭的噴嘴射程不得低于11 m。根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社出版的《噴灌機(jī)械 原理·設(shè)計(jì)·應(yīng)用》中關(guān)于射程、進(jìn)水壓頭、噴嘴直徑和噴射角度之間的計(jì)算公式[4]：

式中 R——射程，m

H——噴嘴前壓頭，m

d——噴嘴直徑，mm

θ0——噴射角

λ——空氣阻力系數(shù)

取噴嘴前壓頭為100 m，噴嘴直徑取8 mm，噴射角取10°，帶入上式可得射程R=21.54 m，滿足設(shè)計(jì)條件。

噴嘴直徑計(jì)算公式[5]為：

式中 d——噴嘴直徑，mm

p——噴射壓力，MPa

q——噴射流量，m3/h

n——噴嘴個(gè)數(shù)

η——噴嘴效率系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值1.05

將噴嘴直徑d=10 mm，噴射壓力p=1 MPa，噴嘴個(gè)數(shù)n=2 帶入上式，可得流量q=22.3 m3/h。根據(jù)上述計(jì)算，要達(dá)到規(guī)定射程，包含2 個(gè)直徑為10 mm 噴嘴的清洗噴頭需配套壓力1 MPa、流量22.3 m3/h 的射流動(dòng)力來源。選擇輕型不銹鋼立式多級(jí)離心泵，級(jí)數(shù)為10 級(jí)，額定壓力1 MPa，額定流量24 m3/h，配套動(dòng)力11 kW。

2.1.2 清洗噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2 所示，研發(fā)了一種三維旋轉(zhuǎn)射流噴頭及進(jìn)給機(jī)構(gòu)，它主要由收放機(jī)構(gòu)、伸縮桁架、軸向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)控制及動(dòng)力系統(tǒng)、三維旋轉(zhuǎn)射流噴頭體、噴嘴及安裝盤等組成。整個(gè)裝置通過安裝盤與待清洗罐體連接，安裝在待清洗油罐的人孔上。收放機(jī)構(gòu)和伸縮桁架共同作用下，可將三維旋轉(zhuǎn)噴頭放置在油罐內(nèi)的各個(gè)深度。軸向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)裝置在安裝盤上的軸向旋轉(zhuǎn)，三維旋轉(zhuǎn)噴頭放置在不同的方向，真正實(shí)現(xiàn)定向進(jìn)給。針對(duì)大深度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的臥式槽罐，自動(dòng)控制的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，解決了臥式槽罐清洗一直存在的三維旋轉(zhuǎn)噴頭定向進(jìn)給的難題，實(shí)現(xiàn)了加油站地埋罐的機(jī)械化清洗工藝。該裝置既提高了清洗效果，又實(shí)現(xiàn)了覆蓋面積大、無死角、三維旋轉(zhuǎn)全方位清洗[6-7]。

開發(fā)研制的三維旋轉(zhuǎn)射流清洗噴頭采用流體驅(qū)動(dòng)噴頭內(nèi)部的軸向葉輪作為動(dòng)力來源，葉輪驅(qū)動(dòng)噴頭內(nèi)部的行星齒輪減速器，通過減速器帶動(dòng)噴頭底座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，噴頭底座與噴嘴環(huán)通過傘齒輪嚙合并驅(qū)動(dòng)噴嘴環(huán)旋轉(zhuǎn)，形成2 個(gè)垂直方向旋轉(zhuǎn)自由度，進(jìn)而使噴嘴既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)形成空間360 度球面曲線，真正實(shí)現(xiàn)無盲點(diǎn)全覆蓋清洗。噴嘴采用耐腐蝕的316L 材料，內(nèi)部流道經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，射流不發(fā)散。

2.2 油水分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

經(jīng)噴頭清洗沖刷后，底部形成油水混合物，回收后必須進(jìn)行油水分離，分離出的水繼續(xù)用于循環(huán)清洗，減少水的耗費(fèi)。由于油和水的化學(xué)性質(zhì)不同，大部分的油在水中是以浮油層的形式存在，小部分油是以分散油、乳化油和溶解油形式存在，難以分離。由于油的存在，油水混合物無法達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)，因此在清洗循環(huán)過程中即進(jìn)行油水分離，并且需要滿足與清洗泵和回收系統(tǒng)的流量匹配。

在理想層流條件下，油滴在水中的上浮速度遵守斯托克斯定律，表達(dá)式如下：

式中 VR——油滴上升速度，cm/s

g——重力加速度，取980 cm/s2

η——水的粘度，Pa·s

ρw——水的密度，g/cm3

ρo——油的密度，g/cm3

Do——油滴粒徑，cm

由上式可以看出，油滴上升速度是油滴粒徑的二次方關(guān)系，即油滴粒徑的增加將帶來油水分離效率平方倍的增加。因此，油水分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路即為增加油滴粒徑，從而提高油水分離效率。

圖2 三維旋轉(zhuǎn)射流噴頭及進(jìn)給機(jī)構(gòu)

如圖3 所示，該油水分離系統(tǒng)的核心裝置是油水分離塔，油水混合物在塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)進(jìn)液分散、油滴聚集、分離油溢出和底水排放，達(dá)到油水分離的目標(biāo)。油水混合物在進(jìn)液泵的作用下進(jìn)入層流分布器，并緩慢滲透出來，進(jìn)液由紊流狀態(tài)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，油水混合物緩慢運(yùn)動(dòng)，有利于油水的兩相分離。油水混合物向下首先接觸親水厭油層，該層的作用是僅允許水通過，油被攔截下來[8-9]。此時(shí)的水排放口是關(guān)閉狀態(tài)，隨著油水混合物的不斷進(jìn)入，液體逐漸覆蓋塔底并且液面逐步上移，攔截下來的油與油水混合物一起向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入聚結(jié)板層。在聚結(jié)板層內(nèi)，由于油水的密度差異，油滴上浮，不斷穿過聚結(jié)板，在聚結(jié)板的作用下，細(xì)小油滴不斷聚集形成較大的油滴，并且繼續(xù)聚集加速上浮，在液面上層形成油層。隨著油水混合物的持續(xù)進(jìn)入，液面不斷上升，當(dāng)油層到達(dá)塔頂?shù)姆蛛x油溢流口時(shí)，油被排出。該位置設(shè)置在線式油液水分檢測(cè)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到分離油已經(jīng)排完時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)排液泵，將塔底水排出。在聚結(jié)板層的底部設(shè)置液位傳感器，液位降至此位置時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)停止排液泵，液位恢復(fù)上升并在聚結(jié)板層內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行油水分離。排液泵的流量大于進(jìn)液泵流量，結(jié)合傳感器和自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)液位的自動(dòng)控制。由此，油水分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油水分離、分離油溢出和底水排放的自動(dòng)操作。

圖3 分離塔結(jié)構(gòu)

2.3 油氣處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

真空回收系統(tǒng)中，真空抽出的油氣含有較高濃度的汽油、柴油的揮發(fā)氣體，在排氣口周圍的小范圍區(qū)域內(nèi)聚集容易達(dá)到爆炸極限，此時(shí)如遇明火或靜電即會(huì)發(fā)生爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患，因此必須對(duì)油氣進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后排放?？紤]到加油站機(jī)械清洗成套設(shè)備需要設(shè)計(jì)成車載形式，油氣處理系統(tǒng)應(yīng)盡量緊湊、功耗低?，F(xiàn)有的油氣處理方法有吸收法、吸附法、冷凝法和膜分離法等[10]，這些方法的缺點(diǎn)是設(shè)備體積龐大、功耗大，比較適合固定式安裝，對(duì)于加油站機(jī)械清洗需要轉(zhuǎn)場(chǎng)快捷的需求顯然是不合適的。本文根據(jù)冷凝法的原理，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了采用液氮和板式冷凝器結(jié)合的油氣處理系統(tǒng)工藝。該工藝功耗非常低，僅有杜瓦瓶的液氮?dú)饣刂葡到y(tǒng)和低溫電磁閥的功耗，不涉及動(dòng)設(shè)備，并且設(shè)備簡(jiǎn)單，體積小，操作維護(hù)方便。

如圖4 所示，該工藝包含一級(jí)預(yù)冷裝置和兩級(jí)深冷裝置，油氣首先進(jìn)入一級(jí)預(yù)冷裝置，在板式冷凝器內(nèi)與液氮產(chǎn)生熱量交換，油氣溫度迅速降低至3 ℃左右，其中的大部分水蒸氣冷凝排出。油氣繼續(xù)進(jìn)入串聯(lián)的兩級(jí)深冷裝置，在第一級(jí)深冷裝置內(nèi)將油氣溫度降低至-70 ℃左右，可以將大部分輕烴冷凝成為液體狀態(tài)；在第二級(jí)深冷裝置內(nèi)將油氣溫度降低至-110 ℃左右，油氣中的汽油和柴油揮發(fā)氣體繼續(xù)冷凝，其中的非甲烷總烴含量降至25 g/m3以下，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。

3 成套設(shè)備的工程應(yīng)用

該套設(shè)備總體撬裝尺寸6.5 m×2.2 m×2.4 m，重量6 t，整體放置于1 輛車廂長(zhǎng)度6.8 m 的貨車上，清洗作業(yè)時(shí)直接將車輛停放在待清洗油罐附近，減少了設(shè)備與油罐之間的管線長(zhǎng)度。清洗噴頭約20 min 即可射流覆蓋油罐內(nèi)壁的所有表面，完成1臺(tái)油罐的清洗，殘余油氣的處理時(shí)間約30 min，人孔打開、安裝清洗噴頭及清洗結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)約40 min，即單臺(tái)油罐清洗時(shí)長(zhǎng)約1.5 h。通常加油站的油罐數(shù)量為4～6 臺(tái)，使用該套設(shè)備最長(zhǎng)9 h 即可完成1 座加油站的清洗。

圖4 油氣處理系統(tǒng)工藝流程

4 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)階段加油站機(jī)械清洗中存在的問題，開發(fā)設(shè)計(jì)了具有油水分離和油氣處理功能的加油站機(jī)械清洗工藝流程，并研制了加油站機(jī)械清洗成套設(shè)備。成套設(shè)備車載設(shè)計(jì)，機(jī)動(dòng)靈活，適合加油站快速清洗以便恢復(fù)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的要求，大大降低運(yùn)行成本。成套設(shè)備代替人工清洗，保障了人員和財(cái)產(chǎn)安全，配置的油水分離系統(tǒng)和油氣處理系統(tǒng)，使得清洗過程中產(chǎn)生的油水混合物和廢氣得到了有效處理，達(dá)標(biāo)排放，杜絕了環(huán)境污染。