液體石化物料儲罐霧化噴淋系統的設計

陳世新，蘭善紅 ，方昆釗，嚴旌武，黃志坤

(1.東莞三江港口儲罐有限公司，廣東 東莞　523000；2.東莞理工學院 生態環境與建筑工程學院，廣東 東莞　523808)

輕質液體石化物料在儲運過程中，由于環境溫度相對較高(在夏季溫度可達40 ℃，甚至50 ℃以上)，此時罐里儲存物料的蒸發損失非常大，據資料報道蒸發損失每天可達0.01 %[1]。石化物料蒸發損耗一來造成巨大的經濟損失；二來對周圍環境產生極大的危害。以一座50萬m3罐容量的庫來說，每月損失0.1%，約3900 t。這些損耗造成的直接經濟損失是巨大的，而輕質烴類化合物對環境的污染也相當嚴重。為防止輕質物料的揮發損失，傳統的做法是加浮盤，蓋住物料；大量的水噴淋降溫[2]；最完美的做法是完全回收揮發氣體，但是投資成本高，難于實現。目前行業內最流行的做法是采用大量水噴淋，降溫[3]。大量水噴淋降溫法能有效地降低罐體的溫度，減少罐內液體的揮發損失。但是由于水資源的不斷緊張以及后期受污染水的凈化處理費用直線上升，因此亟需開發出一套有效的、節能的噴淋冷卻方法。

1　設計

本工程項目以宏川集團三江庫區為試點，以T601、T602、T702、T1002四個儲罐為試驗罐體，配置有霧化噴頭，可調式噴頭，可控式噴頭，鍍鋅水管，氣動加手動V型球閥，時控開關等。T601、T602和T702三個儲罐型號與規格都相同，型號和直徑×高度分別是1250 m3和11.5×15.266 m，罐頂裝備了一個可調式噴頭，噴灑直徑為3～5 m，流量0.3～0.7 m3/h，工作壓力1.5～4.5 kg，可調式噴頭噴水后，水流沿著拱頂壁流下降低罐頂溫度。三個儲罐罐頂圓周長C=πd=11.5π=36.1 m，而2P霧化噴頭的噴灑直徑為1.0～1.5 m，2個噴嘴夾角固定50°，根據罐體實際情況，噴頭距離罐壁距離為0.3 m，若要達到噴灑直徑為1.0～1.5 m，則最佳噴霧夾角為80～100°(tan40°≈0.25/0.3=0.83；tan50°≈0.375/0.3=1.25)[4]，故每個儲罐罐周需要37個噴頭，因此T601、T602和T702罐周共裝備了111個2P霧化噴頭，流量0.1～0.2 m3/h，工作壓力1.5～4.5 kg。

T1002型號和直徑×高度分別是7000 m3和23 m×19 m，罐頂裝備了一個可控式噴頭，噴射直徑10～20 m，流量0.8～1.63 m3/h，壓力1.5～5.0 kg，可控式噴頭可360 ° 旋轉，水流沿著拱頂壁流下降低罐頂溫度；罐頂圓周長C=πd=23π=72.3 m，而2P霧化噴頭的噴灑直徑為1.0～1.5 m，同上計算，故T1002罐周裝備了73個2P霧化噴頭，噴灑直徑為1.0～1.5 m，流量0.1～0.2 m3/h，工作壓力1.5～4.5 kg。

罐頂整個噴淋管設計以及噴嘴的安裝見圖1和圖2。

圖1　噴淋管設計簡圖

圖2　噴嘴安裝簡圖

罐頂合理布局霧式噴頭，保證在現有的噴水強度下使冷卻水有效分布均勻，整個罐體噴淋無盲區，以降低能量消耗，罐頂及罐周噴淋配置布局如圖3。其中，T1002罐壁加強圈位置鑲嵌安裝一個40目不銹鋼導流網，起引流作用，將儲罐上層的水流引導到下層罐邊流淌而下，形成掛幕式，更加均勻細膩地灑水；且導流網的設置對消防水及消防泡沫起到輔助作用。導流網具體安裝設計如圖4。

圖3　罐頂及罐周噴淋配置布局簡圖

圖4　導流網安裝設計圖

2　工程設備及其費用一覽表

表1　工程設備及其費用一覽表

表1(續)

3　效益評估

3.1　能源效益

傳統的儲罐噴淋降溫方式是粗放型鋪設水管直接噴淋降溫，噴射的水量不好控制，嘩啦啦地從罐頂沿著罐壁流下來，雖然達到了降溫效果，但噴淋的水量遠遠大于所需要用于蒸發的水量，造成水資源的極大浪費。據統計[5]，以傳統方式噴淋一個儲罐(以T702為例)需要花費25 t/d，而如今新工程采用精細可控型噴霧降溫系統，能夠有效地控制水霧的噴射方式及水量，達到同樣降溫效果只需約3.45 t/d，節約水資源達86.2%。三江庫區一年有5個月需要開噴淋降溫，每個月平均開啟18天，平均每天約15個儲罐，則每個儲罐節約21.5 t/d，一年可節省水資源29025t；新鮮水的單價是3.0元/m3，因此一年可節約水資源成本是87,075元，外加噴淋水提升泵(35 KW)運行費約13,500元，每年合計節省成本約10萬元；而排放污水處理費用約3.0元/m3，則一年可節約排污成本約87,075元。因此，新型的罐頂噴霧降溫方式在很大程度上為國家能源作出貢獻，符合國家能源政策，在節約水資源的同時，也給企業從源頭上節省經營成本。

3.2　經濟效益

三江庫區是宏川集團倉儲版塊下的一個庫區，主要經營液體化工碼頭及液體化工品倉儲、裝卸、管道輸送及公共保稅倉服務，即庫區為客戶提供液體化學品的倉儲一條龍服務，從裝卸、儲存、提貨出庫整個過程對客戶產品保質保量。

由于庫區儲存介質為易燃易爆物質的儲存罐，在遇夏季高溫季節時，受熱膨脹影響，儲存罐內部壓力增大，呼吸閥作用加強，造成罐體內物料的揮發損耗。如今采用新型精細可控型噴霧降溫方式，可及時有效地降低罐體的溫度，使儲罐內物料溫度保持平衡，大大降低了物料的揮發程度，交付予客戶的最終物料也是保質保量的最終產品。據估計，采用新式噴淋系統后，庫區內每個儲罐(以T702為例)節約物料損耗20 ～ 30 kg/d，一年可節約經營成本約6萬元，則三江庫區約15個應用噴霧技術的儲罐一年可節約經營成本90萬元。作為一家以液體化學品倉儲租賃服務為主營業務的企業而言，降低倉儲過程中產品損耗，帶來的不僅僅是實質的經濟效益，更是客戶的信任；若不能保質保量地交付產品，那帶來的經濟與聲譽損失更是無法估量的。

3.3　環保效益

傳統粗放型鋪設水管直接噴淋的降溫方式[6]，造成了至少350 t/d水資源的浪費，而這些浪費的水資源嘩啦啦地從罐頂沿著罐壁流下來，但由于現場格局，難以對噴淋水進行收集回用。其中有小部分的噴淋水不可避免的進入污水系統，給污水站處理增加了一定的壓力，同時也增加了排污費。當采用新型噴霧式降溫系統時，外加加強圈位置的引水網，使儲罐上層的水流呈掛幕式沿著罐壁流淌而下，形成水霧罩層，在露天陽光的暴曬下，細膩地水流在地面幾乎完全被蒸發，無法匯集到污水站，大大減少了污水處理能力。其實際效果圖如圖5所示。

另一方面，新式噴淋降溫系統能使操作員在調度室里按需求開啟或關閉系統，及時有效地控制儲罐里的物料處于合適的安全儲存溫度范圍，大大減少了降溫不及時或超出溫度范圍等情況下物料的揮發損耗，減少了通過呼吸閥對大氣環境造成的污染影響。

圖5罐壁水幕及地面實際效果圖

Fig.5Curtain wall water curtain and ground actual effect diagram

3.4　安全效益

目前，我國石化倉儲行業在安全方面仍存在著安全監測監控設施不完善、安全監督管理困難、事故預警能力不足等突出問題[7]。噴淋系統應用的一個重要原因即是考慮到安全因素，通過液體蒸發帶走儲罐上的熱量，使得儲罐的溫度維持在安全的控制范圍內，避免事故的發生。如何進行有效的控制管理，把事故發生遏制在源頭，這是我們在設計噴淋系統時首要考慮的問題。如今，三江庫區試行的新型噴淋系統在確保可以達到降溫效果的同時，儲罐內的溫度可在控制室中實時監控，并遠程控制開關，決定噴水量大小及噴霧方式，把安全管理提高了一個層次，從小的角度來講，大大地降低了企業的經營安全風險，使一切的安全事故在可控的范圍之內，避免再次發生8.12天津事故；從行業層面來講，提高了石化倉儲行業的安全管理水平，在節約人力成本的同時提高客戶滿意度，在提高企業的經營能力的同時達到創贏創收。

[1] 孫冠華,展學成.甲醇罐區消防及噴淋冷卻水系統的設計優化[J].河北工業科技,2017,34(4):255-257.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T 50160-2008 石油化工企業設計防火規范[S].北京:中國標準出版社,2008.

[3] 隋文.水噴霧系統在液化石油氣儲罐消防冷卻的應用[J].遼寧化工,2015,44(3): 337-339.

[4] 匡以武,耑銳,王文,等.液化天然氣儲罐預冷過程溫度場數值模擬[J].化工學報,2015,66(S2):139-142.

[5] 葛鵬,馮騰騰,燕迎春.閉式泡沫-水噴淋系統的設計及注意事項[J].山東化工,2016,45(6):95-96.

[6] 于雪燕.關于環氧乙烷在罐區設計中安全問題的討論[J].山東化工,2016,45(10):138-139.

[7] 景泉江,王長明.原油儲罐噴淋系統優化研究[J].中國石油和化工標準與質量,2014(10):92-92.