大型硫酸庫與裝酸設(shè)施的設(shè)計探討

李偉達

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，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，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硫酸項目為例，從設(shè)備選型、工藝設(shè)計、布置設(shè)計和安全設(shè)計等方面介紹同時儲存w(H2SO4)93%及w(H2SO4)98%硫酸的大型硫酸庫及裝酸設(shè)施的設(shè)計要點。

1 設(shè)備選型

1.1 硫酸儲罐

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，即設(shè)計10個12 kt硫酸儲罐，其中8個儲存w(H2SO4)93%硫酸，2個儲存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。

1.2 計量槽

交通運輸部《道路危險貨物運輸管理規(guī)定》要求，運輸爆炸品、強腐蝕性危險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，每個計量槽按裝2車硫酸的容積設(shè)計，計量槽規(guī)格φ3 600 mm×5 000 mm，有效體積達45 m3。

1.3 硫酸裝卸臂

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)時間，8～12 h/d；考慮白班作業(yè)，選 8 h/d；

K——運輸不均衡系數(shù)，宜取1.4；

τ——年操作時間，d/a；一年按 330 d計算；

ρ——裝卸車時液體介質(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）進行計算：

式中：D——液體裝卸臂的內(nèi)徑，m；

V——控制裝車流速，m/s；裝酸時從計量槽自流到槽罐車的流速可取1.5 m/s。

經(jīng)計算，選用DN125液體裝卸臂，N為6.98；選用DN100液體裝卸臂時，N為10.90。綜合考慮現(xiàn)場布置及業(yè)主需求，本項目設(shè)計采用DN125液體裝卸臂11個，配套11個硫酸計量槽，其中8個用于w(H2SO4)93%硫酸，3個用于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，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。

1.4 主要設(shè)備

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

2 工藝設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

為使酸庫及裝酸設(shè)施操作方便、簡單、安全，同時降低運行成本和減少定員，工藝設(shè)計原則一般遵循以下幾點：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)施計量槽；②硫酸儲罐高液位時可自流到硫酸計量槽，低液位時自流至地下槽后通過地下槽泵泵送至計量槽；③任何一個硫酸儲罐出現(xiàn)泄漏時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。

2.2 工藝流程

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量槽。硫酸儲罐的酸通過自流進入地下槽或計量槽。地下槽的酸通過地下槽泵泵至計量槽或硫酸儲罐。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)有液位計以實時監(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%硫酸通過計量槽進行汽車裝酸，每個計量槽配備相應(yīng)的計量裝置和裝卸臂，流量計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，保護層要加強防水，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。

3 布置設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

GB 50630—2010《有色金屬工程設(shè)計防火規(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)計執(zhí)行GB 50880—2013《冶煉煙氣制酸工藝設(shè)計規(guī)范》，同時參照GB 50016—2014(2018年版)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、HG 20571—2014《化工企業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 裝酸工藝流程

3.2 酸庫布置設(shè)計

10個硫酸儲罐分2排布置，每排5個，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個地下槽、配電室及石灰臨時堆放區(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

3.3 裝酸設(shè)施布置設(shè)計

本項目硫酸平均日裝車達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)計中不僅要考慮計量槽、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個裝酸位，每個裝酸位寬6 m，計量槽布置在6.0 m高平臺上，計量槽頂部附近設(shè)通長操作平臺。計量槽的前方設(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入裝酸位，裝好酸后通過前坪專用車道駛出，整個槽罐車從進入到裝好駛出，無倒車且全部同向行駛，司機視線好，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

4 本質(zhì)安全設(shè)計

4.1 圍堰

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)硫酸儲罐泄漏時收集硫酸返回其他儲罐。

4.2 柔性設(shè)計

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硪环矫妫椖克诘乜拐鹪O(shè)防烈度為7度，存在地震危險的可能性。因此，該項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。

4.3 洗眼器、淋洗器及沖洗水點

根據(jù)HG 20571—2014《化工企業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計規(guī)范》，具有化學(xué)灼傷危險的作業(yè)場所應(yīng)設(shè)計洗眼器、淋洗器等安全防護措施，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的作業(yè)場所，酸庫區(qū)設(shè)置了18個安全噴淋洗眼器、3個軟管沖洗水點及1個洗手池，裝酸設(shè)施設(shè)置了12個安全噴淋洗眼器、3個軟管沖洗水點及2個洗手池，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。

4.4 應(yīng)急石灰及事故池

為應(yīng)對硫酸管道的跑冒滴漏，地下槽附近設(shè)置了1個石灰臨時儲存區(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個地坑、圍堰外設(shè)置1個濃酸池和稀酸池。濃酸池和稀酸池通過管道及閥門與地坑連接，平時閥門關(guān)閉，下雨時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，高液位時開啟地坑泵，低液位時自動停泵。

4.5 防腐防滲設(shè)計

硫酸屬于強腐蝕液體，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)保局要求重點防滲區(qū)還需采用土工膜進行防滲處理。此外，濃硫酸管道每個法蘭處設(shè)置聚四氟法蘭罩以防硫酸噴濺。

5 結(jié)語

硫酸庫和裝酸設(shè)施存在灼傷、車輛傷害、腐蝕、火災(zāi)爆炸、觸電等危險因素，為了保證酸庫及裝酸設(shè)施的安全運行，從設(shè)計階段就應(yīng)該全面考慮，做到本質(zhì)安全設(shè)計。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，降低對人的傷害。