李偉達(dá)
(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長沙 410011)
有色金屬冶煉生產(chǎn)會產(chǎn)生大量副產(chǎn)品硫酸,遇到春節(jié)假期或銷售淡季時(shí),下游用酸企業(yè)用酸量急劇減少,不少企業(yè)會因硫酸脹庫而降低生產(chǎn)負(fù)荷。為不影響正常生產(chǎn),用酸企業(yè)通常會建設(shè)大型硫酸庫進(jìn)行儲存和緩沖。硫酸庫的儲存能力根據(jù)企業(yè)銷售情況而定,一般儲存能力為15~30 d。銷售淡季過后,就迅速將酸庫中的硫酸裝車外賣,盡量清空硫酸儲罐中的硫酸。筆者以某400 kt/a銅冶煉產(chǎn)1 600 kt/a硫酸項(xiàng)目為例,從設(shè)備選型、工藝設(shè)計(jì)、布置設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)等方面介紹同時(shí)儲存w(H2SO4)93%及w(H2SO4)98%硫酸的大型硫酸庫及裝酸設(shè)施的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
通過調(diào)查硫酸的銷售情況,結(jié)合酸庫和裝酸設(shè)施的總圖布置,硫酸庫儲存能力按24 d設(shè)計(jì),即設(shè)計(jì)10個(gè)12 kt硫酸儲罐,其中8個(gè)儲存w(H2SO4)93%硫酸,2個(gè)儲存w(H2SO4)98%硫酸。
硫酸儲罐規(guī)格φ22 000 mm×19 600 mm,有效體積達(dá)6 550 m3,裝酸量12 kt,材料為Q235-B,通過條形基礎(chǔ)支撐。筒體壁厚由下至上依次為38,36,32,30,26,24,20,16,14 mm;底板厚度為34 mm;頂蓋厚度為12 mm;底部設(shè)工字鋼支撐。
交通運(yùn)輸部《道路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)定》要求,運(yùn)輸爆炸品、強(qiáng)腐蝕性危險(xiǎn)貨物的罐式專用車輛的罐體容積不得超過20 m3。為提高裝酸效率,每個(gè)計(jì)量槽按裝2車硫酸的容積設(shè)計(jì),計(jì)量槽規(guī)格φ3 600 mm×5 000 mm,有效體積達(dá)45 m3。
根據(jù)HG/T 21608—2012《液體裝卸臂工程技術(shù)要求》8.1.1的規(guī)定,液體裝卸臂數(shù)量及口徑按式(1)計(jì)算:
式中:N——裝卸所需液體裝卸臂數(shù)量,臺;
G——年裝卸物料量,kg/a;
t——汽車槽車日作業(yè)時(shí)間,8~12 h/d;考慮白班作業(yè),選 8 h/d;
K——運(yùn)輸不均衡系數(shù),宜取1.4;
τ——年操作時(shí)間,d/a;一年按 330 d計(jì)算;
ρ——裝卸車時(shí)液體介質(zhì)的密度,kg/m3;硫酸密度 1 836 kg/m3;
F——1臺液體裝卸臂灌裝能力,m3/h。
F可按式(2)進(jìn)行計(jì)算:
式中:D——液體裝卸臂的內(nèi)徑,m;
V——控制裝車流速,m/s;裝酸時(shí)從計(jì)量槽自流到槽罐車的流速可取1.5 m/s。
經(jīng)計(jì)算,選用DN125液體裝卸臂,N為6.98;選用DN100液體裝卸臂時(shí),N為10.90。綜合考慮現(xiàn)場布置及業(yè)主需求,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用DN125液體裝卸臂11個(gè),配套11個(gè)硫酸計(jì)量槽,其中8個(gè)用于w(H2SO4)93%硫酸,3個(gè)用于w(H2SO4)98%硫酸。
裝卸臂選用電動式頂部上接式插入裝卸臂,型號AL1401,硫酸從上部進(jìn),下部出,管道及裝卸臂中不易存酸。裝卸臂垂管設(shè)置掛鉤,裝酸完畢后用于懸掛集酸筒。
酸庫及裝酸設(shè)施的主要設(shè)備見表1。
表1 酸庫及裝酸設(shè)施的主要設(shè)備
為使酸庫及裝酸設(shè)施操作方便、簡單、安全,同時(shí)降低運(yùn)行成本和減少定員,工藝設(shè)計(jì)原則一般遵循以下幾點(diǎn):①干吸產(chǎn)出的w(H2SO4)93%或w(H2SO4)98%硫酸通過管網(wǎng)送至硫酸儲罐儲存或直接送至裝酸設(shè)施計(jì)量槽;②硫酸儲罐高液位時(shí)可自流到硫酸計(jì)量槽,低液位時(shí)自流至地下槽后通過地下槽泵泵送至計(jì)量槽;③任何一個(gè)硫酸儲罐出現(xiàn)泄漏時(shí)可將硫酸收集并泵送至其他硫酸儲罐;④為滿足開車母酸需要,地下槽中硫酸可反送至干吸地下槽;⑤自動化程度高,減少工人操作;⑥裝酸效率高。
來自干吸管網(wǎng)的w(H2SO4)98%和w(H2SO4)93%濃硫酸送至硫酸儲罐或計(jì)量槽。硫酸儲罐的酸通過自流進(jìn)入地下槽或計(jì)量槽。地下槽的酸通過地下槽泵泵至計(jì)量槽或硫酸儲罐。當(dāng)某一硫酸儲罐的硫酸泄漏至圍堰內(nèi),經(jīng)收集后通過濃酸池泵泵回至其他硫酸儲罐。硫酸儲罐、地下槽和濃酸池設(shè)有液位計(jì)以實(shí)時(shí)監(jiān)控硫酸液位高度,各切換閥門選用電動閥門。w(H2SO4)93%硫酸、w(H2SO4)98%硫酸通過計(jì)量槽進(jìn)行汽車裝酸,每個(gè)計(jì)量槽配備相應(yīng)的計(jì)量裝置和裝卸臂,流量計(jì)與裝卸臂入口閥門聯(lián)鎖,保證裝酸過程的安全和精確。全部計(jì)量槽設(shè)有溢流口,溢流酸匯總后通過管道返回酸庫地下槽。地下槽設(shè)置排氣管匯總后接至凈化工序電除霧器前煙氣管道。裝酸工藝流程見圖1。
考慮到冬季產(chǎn)w(H2SO4)98%硫酸的需要,其中2個(gè)硫酸儲罐采用熱水伴熱,以防w(H2SO4)98%硫酸冬季結(jié)晶。w(H2SO4)98%硫酸儲罐做保溫設(shè)計(jì),保護(hù)層要加強(qiáng)防水,以免雨水滲入保溫層引起局部腐蝕,影響硫酸儲罐使用壽命。
GB 50630—2010《有色金屬工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》將硫酸的存儲區(qū)域生產(chǎn)類別定為丙類,但就酸庫和裝酸設(shè)施的布置要求及防火要求未作具體規(guī)定。因此,本酸庫和裝酸設(shè)施布置設(shè)計(jì)執(zhí)行GB 50880—2013《冶煉煙氣制酸工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》,同時(shí)參照GB 50016—2014(2018年版)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、HG 20571—2014《化工企業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)。
圖1 裝酸工藝流程
10個(gè)硫酸儲罐分2排布置,每排5個(gè),儲罐間距為9 m(大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5 m),在兩排儲罐之間設(shè)置2層聯(lián)合操作平臺,下層平臺標(biāo)高1.6 m,作為儲罐出液口和上酸管閥門及入口的操作平臺,上層平臺標(biāo)高21.6 m,為罐頂人孔、閥門、液位計(jì)的操作平臺。罐壁至圍堰內(nèi)側(cè)距離為10.5 m,為罐壁高度的一半。硫酸儲罐立面布置見圖2。地下槽泵房設(shè)置2個(gè)地下槽、配電室及石灰臨時(shí)堆放區(qū),至圍堰外側(cè)基腳線的距離6 m(大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5 m)。硫酸儲罐立面布置見圖2。
圖2 硫酸儲罐立面布置
本項(xiàng)目硫酸平均日裝車達(dá)140車,最大日裝車數(shù)量可能會翻倍,因此在裝酸設(shè)施設(shè)計(jì)中不僅要考慮計(jì)量槽、裝卸臂的合理布置,還應(yīng)考慮槽罐車的停車位、行駛路線等因素,做到方便、快捷和安全。
裝酸設(shè)施設(shè)置11個(gè)裝酸位,每個(gè)裝酸位寬6 m,計(jì)量槽布置在6.0 m高平臺上,計(jì)量槽頂部附近設(shè)通長操作平臺。計(jì)量槽的前方設(shè)置3.2 m高裝酸平臺,裝酸平臺上安裝活動梯和裝卸臂,槽罐車到位后,司機(jī)可在平臺上操作電動裝卸臂,使裝卸臂垂管對準(zhǔn)槽罐車進(jìn)酸口。地面、3.2 m平臺和6.0 m平臺通過樓梯互聯(lián),方便操作工和司機(jī)操作和觀察。
裝酸設(shè)施設(shè)置前坪和后坪,前坪為40 m寬的停車坪,設(shè)置隔離欄桿、車道線及車位線,可供20輛空槽罐車停車,空槽罐車行駛至后坪進(jìn)入裝酸位,裝好酸后通過前坪專用車道駛出,整個(gè)槽罐車從進(jìn)入到裝好駛出,無倒車且全部同向行駛,司機(jī)視線好,便于安全管理。裝酸設(shè)施效果見圖3。
圖3 裝酸設(shè)施效果
設(shè)置1.2 m高圍堰,滿足GB 50880—2013《冶煉煙氣制酸工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的圍堰有效容積大于最大單臺儲罐有效容積的110%。圍堰設(shè)置6個(gè)人行踏步,相鄰踏步小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的60 m。圍堰內(nèi)設(shè)置地溝及集水坑,用于收集雨水并外排至污水處理站,當(dāng)硫酸儲罐泄漏時(shí)收集硫酸返回其他儲罐。
國內(nèi)某些企業(yè)在硫酸儲罐使用過程中,曾出現(xiàn)過出液口開裂的情況,造成硫酸泄漏,危及酸庫運(yùn)行安全。究其原因,一般為沉降影響以及出口彎曲余量不夠?qū)е铝蛩醿薰芸诶选A硪环矫?,?xiàng)目所在地抗震設(shè)防烈度為7度,存在地震危險(xiǎn)的可能性。因此,該項(xiàng)目硫酸儲罐出液口及排凈口按SY/T 4073—1994《儲罐抗震用金屬軟管和波紋補(bǔ)償器選用標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置了金屬軟管,以減輕儲罐的地震破壞,避免嚴(yán)重的次生災(zāi)害。
根據(jù)HG 20571—2014《化工企業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)規(guī)范》,具有化學(xué)灼傷危險(xiǎn)的作業(yè)場所應(yīng)設(shè)計(jì)洗眼器、淋洗器等安全防護(hù)措施,淋洗器、洗眼器的服務(wù)半徑應(yīng)不大于15 m。酸庫的操作平臺、地下槽、裝酸設(shè)施裝卸臂區(qū)域以及槽罐車裝酸停車區(qū)域等都屬于硫酸灼傷危險(xiǎn)的作業(yè)場所,酸庫區(qū)設(shè)置了18個(gè)安全噴淋洗眼器、3個(gè)軟管沖洗水點(diǎn)及1個(gè)洗手池,裝酸設(shè)施設(shè)置了12個(gè)安全噴淋洗眼器、3個(gè)軟管沖洗水點(diǎn)及2個(gè)洗手池,水質(zhì)采用生活飲用水,排水通過地溝收集后送至污水處理站。
為應(yīng)對硫酸管道的跑冒滴漏,地下槽附近設(shè)置了1個(gè)石灰臨時(shí)儲存區(qū),用來中和跑冒滴漏的硫酸及泄漏的硫酸。在圍堰內(nèi)設(shè)置1個(gè)地坑、圍堰外設(shè)置1個(gè)濃酸池和稀酸池。濃酸池和稀酸池通過管道及閥門與地坑連接,平時(shí)閥門關(guān)閉,下雨時(shí)與稀酸池連接的管道閥門打開,雨水經(jīng)稀酸池泵泵送至污水處理站。若酸庫中某一儲罐泄漏,打開與濃酸池連接的管道閥門,濃硫酸經(jīng)濃酸池泵泵回到其他儲罐。
裝酸設(shè)施區(qū)域同樣設(shè)置地溝及地坑,收集地面沖洗水和雨水至污水處理站。地坑泵與地坑液位聯(lián)鎖,高液位時(shí)開啟地坑泵,低液位時(shí)自動停泵。
硫酸屬于強(qiáng)腐蝕液體,圍堰內(nèi)地面、圍堰內(nèi)側(cè)以及裝酸設(shè)施地面均采用耐酸磚防腐。隨著環(huán)保要求的提高,一些地方環(huán)保局要求重點(diǎn)防滲區(qū)還需采用土工膜進(jìn)行防滲處理。此外,濃硫酸管道每個(gè)法蘭處設(shè)置聚四氟法蘭罩以防硫酸噴濺。
硫酸庫和裝酸設(shè)施存在灼傷、車輛傷害、腐蝕、火災(zāi)爆炸、觸電等危險(xiǎn)因素,為了保證酸庫及裝酸設(shè)施的安全運(yùn)行,從設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該全面考慮,做到本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。合理選材、布置,提高裝車效率,提高自動化操作水平,減少人工操作,減少安全風(fēng)險(xiǎn),降低對人的傷害。