煉油廠已建成品儲罐區VOCs治理工藝的設計

國立軍(山東墾利石化集團有限公司，山東 東營 257500)

0 引言

隨著國家對環境保護力度越來越大，煉油廠已建成品油庫浮頂罐設計和氮氣封堵設計的VOCs排放已達不到地方和國家大氣排放標準，已建成品罐區VOCs排放治理改造勢在必行。作者從事儲罐區管理20余年，與同行經過長期交流，結合煉油廠實際情況，對工藝設計改造中存在的問題進行對比和探討，僅以此篇論文和大家探討一下煉油廠已建成品儲罐區VOCs治理改造工藝的設計。

1 已建儲罐區油氣回收工藝路線的選擇

1.1 現有油氣回收可選擇工藝路線

現有油氣處理方法有冷凝法回收法、吸附法回收法、吸收法回收法、膜分離法回收法和焚燒法[1]。

冷凝法的油氣回收是采用多級連續冷卻方法降低揮發油氣的溫度，從而使油氣中的輕油凝聚成液體回收，排除潔凈空氣的方法。一般油氣回收效率80%左右，多用于高濃度油氣的回收處理。冷凝后的尾氣一般高于3 000.0×10-6，只使用冷凝回收法達不到環保排放標準，冷凝回收法一般和吸附回收法或吸收法聯合處置。

吸附法主要是利用吸附介質與油氣分子的親和作用吸附油氣分子，再吸附介質脫附，用以達到油氣回收的目的。目前使用較多的吸附介質是活性炭。吸附介質脫附一般使用真空脫附和氮氣吹脫，或兩者聯合使用，活性炭深度再生一般使用加熱氮氣吹脫，活性炭吸附法不適合高濃度油氣和揮發性較差的油品，易造成活性炭失效。

吸收法就是利用吸收劑，使他與排放的油氣接觸來吸收油氣的方法。現在我國吸收過程有常壓常溫吸收法和常壓冷卻吸收法。

焚燒法是利用熱力破壞有機廢氣的方法，該方法使油氣中的有機物轉變成CO2和H2O，達到達標排放的目的，該方法處理使用范圍較廣，處理效率較高。焚燒法適合處理無回收價值的低濃度有機物。

為了達到環保排放要求，一般采用兩種或兩種以上處理方法聯合處理，以便達到達標排放的要求。

一般聯合處理工藝路線如圖1所示。

圖1 一般聯合處理工藝路線圖

1.2 工藝路線對比選擇

以上三條工藝路線均可油氣達標排放，第三條工藝路線較短，經濟效益最優，不使用吸附劑，減少了設備和附料的投資成本，而且可避免固體廢物(廢活性炭)的產生，建議選擇第三條工藝路線。

對于熱力燃燒和催化燃燒選擇，熱力燃燒一般溫度在800 ℃以上，可有效對有機物(包括甲烷)破壞，低溫催化燃燒一般溫度在300～400 ℃，投資大，運行費用較低，后續維護費用較高。低溫催化燃燒對油氣中甲烷的破壞較少，易造成甲烷逃逸。熱力燃燒對有機氣體的破壞優于催化燃燒，綜合以上因素，建議選擇熱力燃燒。

熱力燃燒分明火燃燒和蓄熱燃燒，蓄熱燃燒的缺點是進氣濃度達到爆炸極限易引起氣體爆炸，全國已有幾起因設計或操作不當引起的爆炸事故，雖然運行費用較低，但從安全方面考慮建議選擇明火燃燒。

煉廠一般都有自備電廠鍋爐或蒸汽鍋爐，正常生產時油氣冷凝后的尾氣經稀釋后作為鍋爐配風，配置一臺熱力燃燒爐作為應急燃燒爐使用，正常生產時尾氣進入電廠鍋爐或蒸汽鍋爐，異常情況時可轉換至應急燃燒爐處理，第三套路線即節約了初期投資成本，后續運行和維護費用也較低。工藝流程圖如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

2 設計改造中注意的幾點問題

2.1 制冷回收機組數量配置問題

煉油廠成品罐區儲量一般超過10萬t，各產品分組儲存，設計中制冷機組按罐組配置較為合理，即每個罐組配置一臺制冷機組，每個制冷機組服務罐組數量不宜超過2個，制冷處理后的油氣尾氣接入油氣總管。如果整個罐區配置一臺大制冷機組，運行中較易管理，但是一旦發生事故可能影響整個罐區的油氣回收。如果每罐配置一臺制冷機組，初期投資費用較大，機組多運行較難管理，舊罐區罐體之間一般預留空間較少，設備多平面布置防火間距較難解決，極易造成設備之間防火間距不足的問題。綜合以上因素，每罐組或每兩罐組配置一臺制冷回收機組較為合理，發生事故或故障影響范圍較小，機組少運行中易于管理。

2.2 改造設計中儲罐弱頂結構的保護問題

煉油廠成品油儲罐一般采用拱頂罐或內浮頂罐，罐頂采用弱頂結構設計，弱頂結構的設計目的是一旦發生罐內爆炸，罐頂弱結構最先破壞泄壓，防止除罐頂外的罐體結構破裂，進而造成油品大量泄漏，使事故進一步擴大。油氣回收改造需在儲罐頂部增加油氣管線，如果設計不合理易破壞原弱頂結構的設計。設計中可通過減少油氣管線重量，采用柔性連接，采用易破壞結構三個措施來避免破壞原有弱頂結構的目的，具體如圖3所示。

圖3 結構圖

儲罐頂油氣出口宜靠近罐體邊緣設置，罐頂連接管線盡量短，減少管線重量，有利于保護儲罐弱頂結構設計，如圖3所示。管線材質選擇不銹鋼管線，不銹鋼管線耐腐蝕性好，不易產生銹渣，運行中不易堵塞阻火器，可減少日常維護成本。

罐頂連接管連接不銹鋼軟管(圖3)，軟管長度宜短，減少對罐頂因重量產生的應力。軟管與油氣支管使用弱結構螺栓連接(圖3)，一旦發生罐內爆炸，弱結構螺栓斷裂，很好地避免了對原儲罐弱頂結構設計的破壞。

2.3 油氣管線材質和阻火器的選擇

對于油氣管線材質的選擇可從耐腐蝕性和經濟性兩方面考慮，由于油氣管線最大工作壓力不超過8 kPa，壓力較低，所以管線強度可不予重點考慮。

不銹鋼管線耐腐蝕性較好，但價格較貴，初期投資成本較高，使用壽命長，后期維護成本較低。碳鋼管線耐腐蝕性較差，容易產生銹渣堵塞阻火器，使用壽命較短，后期維護成本較高。鍍鋅管線耐腐蝕性較好，不易產生銹渣，后期維護成本較低，價格較不銹鋼便宜，建議油氣支管和總管選擇鍍鋅鋼管。

油氣管線支管和總管進燃燒爐處應分別安裝阻火器，阻火器可分為爆燃型和爆轟型兩種，運行時油氣管線內可燃氣體有時能達到爆炸極限，遇點火源能引起燃燒爆炸，設計中參照GB/T50759—20XX(征求意見稿)《油氣回收處理設施技術標準》選擇爆轟型阻火器。

2.4 工藝聯鎖設計及參數設定

2.4.1 本工藝聯鎖設計

油氣制冷機組吸風泵由罐頂壓力聯鎖啟動和停止。即罐頂壓力高于設定值高限值，油氣制冷回收機組吸風泵啟動，抽取儲罐內油氣，當罐頂壓力降至設定值低限值，吸風泵停止運行。

油氣總管線稀釋風機變頻啟動控制由總管第一個可燃氣體探測器檢測到的可燃氣含量聯鎖控制。即可燃氣體探測器檢測油氣稀釋前濃度，根據油氣濃度計算稀釋風量，稀釋風量由變頻電機轉速實現。

油氣總管線緊急切斷閥由總管第二個可燃氣體探測器檢測到的可燃氣含量聯鎖關閉。即檢測到的可燃氣體含量達到設定值，油氣總管線緊急切斷閥關閉。

2.4.2 工藝參數設定原則

罐頂呼吸閥作為罐體的保護裝置，設定值不得大于罐體設計壓力，冷凝機組吸風泵啟動壓力小于罐頂呼吸閥高設定值，冷凝機組風泵停泵壓力大于罐頂呼吸閥低設定值。

稀釋風機變頻由空氣稀釋口前可燃氣濃度值聯鎖控制，根據罐區可燃氣成分取爆炸下限最小的物質的爆炸下限值的25%做為稀釋后濃度設定高限值。

事故緊急切斷閥由總管稀釋風機與緊急切斷閥之間的可燃氣體探測器檢測的可燃氣濃度檢測值控制關閉，檢測值根據罐區可燃氣成分取爆炸下限值最小的物質的爆炸下限值的50%作為關閥設定值[2]。

2.5 油氣總管可燃氣體濃度檢測點的設置位置選擇

油氣總管設置可燃氣體濃度探測器兩個，第一個設在油氣稀釋風機前面，檢測油氣濃度，聯鎖稀釋風機供風量，稀釋風機變頻由空氣稀釋口前可燃氣濃度值聯鎖控制，根據罐區可燃氣成分取爆炸下限最小的物質的爆炸下限值的25%作為稀釋后濃度值設定值。第二個可燃氣體濃度探測器設置在稀釋風機和緊急切斷閥之間，第二個可燃氣體濃度探測器一旦檢測到可燃氣濃度超過設定值立即切斷油氣總管線。第二個可燃氣體濃度探測器至緊急切斷閥的管線距離要大于可燃氣體濃度探測器檢測到可燃氣濃度超標到緊急切斷閥完全關閉這一時間段內油氣的流動距離。

3 結語

煉油廠成品儲罐區的油氣回收改造勢在必行。本文從工藝路線的選擇、安全設計、參數設定等方面探討了煉油廠成品儲罐區的油氣回收的部分設計問題。在設計時應嚴格遵守GB 50160—2008(2018年版)《石油化工企業設計防火標準》、GB 50074—2014《石油庫設計規范》、GB 50759《油品裝載系統油氣回收設施設計規范》等法律法規、標準規范的要求，利用HAZOP、LOPA等工具在充分論證的基礎上確定設計方案。