地埋油罐自動清洗及其污染物處理技術研究

龐 雷，巴勝富，王永強，張 的，韓彩紅，曲玉棟

（合肥通用機械研究院有限公司通用機械復合材料技術安徽省重點實驗室，安徽合肥 230031）

0 引言

加油站埋地油罐在長時間儲存油品的過程中，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，在罐底及內壁會積存許多污垢。污垢不僅影響油品的質量，而且對油罐產生腐蝕。按照規定，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，原儲油料對新換裝的油料有影響時也需要對油罐進行檢維修和清洗[1-3]。目前的清洗方式有2 種，人工清洗和機械清洗。人工清洗安全性極差，將逐步被機械清洗取代。但是市場上現有的機械清洗設備存在諸多問題，一方面清洗工藝設計不合理，沒有油水分離、固液分離等功能，產生大量的含油污水和含油固體廢棄物；另一方面，機械清洗過程中工藝流程不封閉，造成大量的超標油氣長時間排放，存在極大的安全隱患和環境污染問題。鑒于以上問題，針對加油站埋地油罐機械清洗的特殊性，研制了更加安全、環保和高效的自動化機械清洗成套設備，主要由清洗模塊、回收模塊、分離模塊、油氣處理模塊和自動控制系統等組成。該系統利用水射流沖刷罐壁，剝離附著的油和油泥，并回收后進行油水分離，清洗用水達到城市排放標準或循環利用。清洗過程無需人員進罐，大大降低了施工風險。清洗噴頭射流半徑可達12 m 以上，能夠覆蓋加油站所有類型的儲油罐。

1 成套設備的工藝設計

如圖1 所示，清洗泵將水加壓輸送至清洗噴頭，在水射流的流動推力驅動下，清洗噴頭在罐內360°旋轉，射流沖擊罐壁附著的油泥，與水形成油水混合物。真空泵將真空罐內的空氣抽出，使得真空罐內形成負壓，在大氣壓的作用下，地埋罐中的油水混合物引流進入真空罐。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現油和水的分離，油漂浮在上層，由上部排油口進入存油罐內，下層的水由循環泵輸送回水箱。清洗與回收同步進行，組成一個連續運行的循環系統。

為了防止地埋罐的機械清洗過程造成環境污染，成套設備設計了2 套分離裝置，即油水分離系統和油氣處理系統。清洗過程產生的油水混合物經油水分離系統處理后，水可繼續循環用于清洗，當清洗工程完成后需要將設備中的水排放時也可以直接排放，經油水分離系統處理后的水已經達到城市污水排放標準。真空泵抽出的氣中含有揮發的汽油或柴油，經油氣處理系統處理后，空氣可達標排放，分離出的汽油或柴油回收入存油罐內。

圖1 加油站機械清洗工藝流程

2 關鍵設備設計

2.1 清洗噴頭的設計

2.1.1 清洗噴頭射流參數設計

清洗噴頭是加油站機械清洗成套設備中的關鍵設備，其作用是產生360°全方位三維旋轉射流，清洗地埋罐罐壁的附著物，恢復罐內壁的清潔度，并能夠破碎、攪拌罐底沉積物，使其產生流動性，以便抽吸回收，清洗噴頭性能的優劣直接決定著施工的效率。

加油站地埋罐為圓柱形臥式儲罐，直徑2.2～2.4 m，容積為5～60 m3，長度一般不超過12 m。地埋罐的人孔設置在距離封頭1 m 的位置上。清洗噴頭通過罐體人孔安裝在儲罐內部，遠端封頭與其距離在11 m 以內。因此，清洗噴頭的噴嘴射程不得低于11 m。根據中國農業機械出版社出版的《噴灌機械 原理·設計·應用》中關于射程、進水壓頭、噴嘴直徑和噴射角度之間的計算公式[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

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，滿足設計條件。

噴嘴直徑計算公式[5]為：

式中 d——噴嘴直徑，mm

p——噴射壓力，MPa

q——噴射流量，m3/h

n——噴嘴個數

η——噴嘴效率系數，取經驗值1.05

將噴嘴直徑d=10 mm，噴射壓力p=1 MPa，噴嘴個數n=2 帶入上式，可得流量q=22.3 m3/h。根據上述計算，要達到規定射程，包含2 個直徑為10 mm 噴嘴的清洗噴頭需配套壓力1 MPa、流量22.3 m3/h 的射流動力來源。選擇輕型不銹鋼立式多級離心泵，級數為10 級，額定壓力1 MPa，額定流量24 m3/h，配套動力11 kW。

2.1.2 清洗噴頭結構設計

如圖2 所示，研發了一種三維旋轉射流噴頭及進給機構，它主要由收放機構、伸縮桁架、軸向旋轉機構、自動控制及動力系統、三維旋轉射流噴頭體、噴嘴及安裝盤等組成。整個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。收放機構和伸縮桁架共同作用下，可將三維旋轉噴頭放置在油罐內的各個深度。軸向旋轉機構可實現裝置在安裝盤上的軸向旋轉，三維旋轉噴頭放置在不同的方向，真正實現定向進給。針對大深度、內部結構復雜的臥式槽罐，自動控制的進給機構的設計方案，解決了臥式槽罐清洗一直存在的三維旋轉噴頭定向進給的難題，實現了加油站地埋罐的機械化清洗工藝。該裝置既提高了清洗效果，又實現了覆蓋面積大、無死角、三維旋轉全方位清洗[6-7]。

開發研制的三維旋轉射流清洗噴頭采用流體驅動噴頭內部的軸向葉輪作為動力來源，葉輪驅動噴頭內部的行星齒輪減速器，通過減速器帶動噴頭底座進行旋轉，噴頭底座與噴嘴環通過傘齒輪嚙合并驅動噴嘴環旋轉，形成2 個垂直方向旋轉自由度，進而使噴嘴既公轉又自轉形成空間360 度球面曲線，真正實現無盲點全覆蓋清洗。噴嘴采用耐腐蝕的316L 材料，內部流道經過專門設計，射流不發散。

2.2 油水分離系統的設計

經噴頭清洗沖刷后，底部形成油水混合物，回收后必須進行油水分離，分離出的水繼續用于循環清洗，減少水的耗費。由于油和水的化學性質不同，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，油水混合物無法達到污水排放標準，因此在清洗循環過程中即進行油水分離，并且需要滿足與清洗泵和回收系統的流量匹配。

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，油水分離系統的設計思路即為增加油滴粒徑，從而提高油水分離效率。

圖2 三維旋轉射流噴頭及進給機構

如圖3 所示，該油水分離系統的核心裝置是油水分離塔，油水混合物在塔內實現進液分散、油滴聚集、分離油溢出和底水排放，達到油水分離的目標。油水混合物在進液泵的作用下進入層流分布器，并緩慢滲透出來，進液由紊流狀態變為層流狀態，油水混合物緩慢運動，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]。此時的水排放口是關閉狀態，隨著油水混合物的不斷進入，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動，進入聚結板層。在聚結板層內，由于油水的密度差異，油滴上浮，不斷穿過聚結板，在聚結板的作用下，細小油滴不斷聚集形成較大的油滴，并且繼續聚集加速上浮，在液面上層形成油層。隨著油水混合物的持續進入，液面不斷上升，當油層到達塔頂的分離油溢流口時，油被排出。該位置設置在線式油液水分檢測傳感器，當檢測到分離油已經排完時，控制系統自動啟動排液泵，將塔底水排出。在聚結板層的底部設置液位傳感器，液位降至此位置時控制系統自動停止排液泵，液位恢復上升并在聚結板層內繼續進行油水分離。排液泵的流量大于進液泵流量，結合傳感器和自動控制系統實現塔內液位的自動控制。由此，油水分離系統實現油水分離、分離油溢出和底水排放的自動操作。

圖3 分離塔結構

2.3 油氣處理系統的設計

真空回收系統中，真空抽出的油氣含有較高濃度的汽油、柴油的揮發氣體，在排氣口周圍的小范圍區域內聚集容易達到爆炸極限，此時如遇明火或靜電即會發生爆炸，存在嚴重的安全隱患，因此必須對油氣進行處理，達標后排放。考慮到加油站機械清洗成套設備需要設計成車載形式，油氣處理系統應盡量緊湊、功耗低。現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]，這些方法的缺點是設備體積龐大、功耗大，比較適合固定式安裝，對于加油站機械清洗需要轉場快捷的需求顯然是不合適的。本文根據冷凝法的原理，創新設計了采用液氮和板式冷凝器結合的油氣處理系統工藝。該工藝功耗非常低，僅有杜瓦瓶的液氮氣化控制系統和低溫電磁閥的功耗，不涉及動設備，并且設備簡單，體積小，操作維護方便。

如圖4 所示，該工藝包含一級預冷裝置和兩級深冷裝置，油氣首先進入一級預冷裝置，在板式冷凝器內與液氮產生熱量交換，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。油氣繼續進入串聯的兩級深冷裝置，在第一級深冷裝置內將油氣溫度降低至-70 ℃左右，可以將大部分輕烴冷凝成為液體狀態；在第二級深冷裝置內將油氣溫度降低至-110 ℃左右，油氣中的汽油和柴油揮發氣體繼續冷凝，其中的非甲烷總烴含量降至25 g/m3以下，達到國家排放標準[11-12]。

3 成套設備的工程應用

該套設備總體撬裝尺寸6.5 m×2.2 m×2.4 m，重量6 t，整體放置于1 輛車廂長度6.8 m 的貨車上，清洗作業時直接將車輛停放在待清洗油罐附近，減少了設備與油罐之間的管線長度。清洗噴頭約20 min 即可射流覆蓋油罐內壁的所有表面，完成1臺油罐的清洗，殘余油氣的處理時間約30 min，人孔打開、安裝清洗噴頭及清洗結束后的現場恢復約40 min，即單臺油罐清洗時長約1.5 h。通常加油站的油罐數量為4～6 臺，使用該套設備最長9 h 即可完成1 座加油站的清洗。

圖4 油氣處理系統工藝流程

4 結語

針對現階段加油站機械清洗中存在的問題，開發設計了具有油水分離和油氣處理功能的加油站機械清洗工藝流程，并研制了加油站機械清洗成套設備。成套設備車載設計，機動靈活，適合加油站快速清洗以便恢復生產經營的要求，大大降低運行成本。成套設備代替人工清洗，保障了人員和財產安全，配置的油水分離系統和油氣處理系統，使得清洗過程中產生的油水混合物和廢氣得到了有效處理，達標排放，杜絕了環境污染。