關于鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設備的研究

徐 剛，郭 浩，孫紹杰

(中國鐵路北京局集團有限公司 豐臺車輛段，北京 100070)

1 研究背景

《鐵路貨車廠修規程》和《鐵路貨車段修規程》要求：毒品車須按規定洗刷并有洗刷合格證明；裝用易燃、危化物品罐車須經洗罐作業。中國鐵路北京局集團有限公司豐臺車輛段石樓檢修區域擔負著中國鐵路北京局集團有限公司路用鐵路罐車及企業自備罐車的廠修、段修工作，擁有14個洗車臺位，采用國內通用的敞口蒸汽洗罐工藝，年均洗車能力6 000余輛。敞口蒸汽洗罐工藝的弊端有：(1)如圖1所示，在清洗過程中，大量的揮發性油氣擴散到大氣中，造成空氣污染；(2)洗車過程中罐口蒸汽噴射產生的噪聲大于85 dB，噪聲大，產生噪聲污染，對作業人員的身心健康造成傷害；(3)清洗下來的黏油等油脂黏著力較強，在明溝內流動時部分會黏著在溝壁，長此以往會向地下土壤滲漏，造成土壤污染。

圖1 敞口蒸汽洗車

2012年國家環境保護部發布了《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》，明確了包括京津冀等13個環境保護重點控制區的環保要求。在2013年北京市清潔空氣行動計劃中明確將“揮發性有機物”納入總量控制項目，并制定減排核算細則。為貫徹落實《大氣污染防治行動計劃》，北京市明確了本市空氣質量改善目標，提出了八大污染減排工程、六大實施保障措施和三大全民參與行動。其中要求全面開展加油站、儲油庫和油罐車油氣回收治理，大力削減揮發性有機物排放。

2013年環保部發布《揮發性有機物(VOCs)污染防治技術政策》(公告2013年第31號)，明確對VOCs污染防治應遵循源頭和過程控制與末端治理相結合的綜合防治原則,并規定：采用先進的清潔生產技術，對于設備與管線組件、工藝排氣、廢水處理等過程產生的含VOCs廢氣污染進行防治。

2016年，密閉蒸汽洗車技術被列為中國鐵路總公司北京鐵路局科技研究開發計劃引導課題(2016CC17)；同年8月，進入制訂設計方案和樣機制造階段；同年12月20日，14臺位的鐵路油罐車密閉清洗設備開始安裝調試。2017年4月，樣機在石樓檢修區域洗罐站開始試運轉(圖2)；2017年8月1日，設備通過了北京局集團科學技術委員會辦公室組織的技術評審(京鐵集團公司技審字[2017]第81號)。該設備設計精巧，功能齊全，安全可靠，自動化水平高，總體達到國內領先水平。截至2020年底，共清洗罐車20 424輛，運行情況良好。

圖2 石樓檢修區域洗罐站鐵路油罐車密閉清洗設備及現場

2 油罐車清洗技術發展現狀

2.1 國外油罐車清洗技術

國外油罐車清洗方法主要有人工清洗、干冰清洗、化學清洗、高壓水射流清洗和蒸汽清洗等，其中，高壓水射流清洗技術占有工業清洗領域較大份額。在罐車清洗技術方面，具有代表性的國家為日本和美國。

日本對罐車(塔罐類)主要清洗方法有化學清洗、高壓水射流清洗、濕式噴射清洗、吸引清洗、電解研磨等。從清洗后的情況看，化學清洗和高壓水射流清洗后罐車均存在損傷等各種故障(缺陷)。

美國最先進的罐車清洗技術是使用ETEC公司開發的新一代生物產品BioEnviroSolve(簡稱BES溶劑)進行清洗。BES溶劑對石油的乳化、溶解和分散能力大大超過原來的產品，能輕易地將原油、重油和其他石油產品溶解、分散和從罐壁剝離。

歐洲國家如德國、英國、意大利是開發應用高壓水射流清洗技術較早的國家。高壓水射流清洗存在局部清洗不干凈和冬天易出現管線凍堵問題。

2.2 國內油罐車清洗技術

國內油罐車清洗絕大多數采用敞口蒸汽洗罐工藝，直接將蒸車小鶴管和真空抽吸管插入罐內，打開蒸汽閥門對罐車內部加熱蒸洗，然后對蒸洗殘液進行抽吸，并在清水二次清洗后烘干。該工藝優點是使用設備簡易，操作簡單。雖然可以引進高壓水射流清洗技術，但是該技術一次性投資高，操作相對專業，維護難度大，不能滿足航煤特洗及重油油罐車清洗要求，且耗水量大，故在國內推廣進展緩慢。

3 鐵路油罐車清洗方式對比分析

(1) 干冰清洗法(又稱冷噴)。以壓縮空氣作為動力，通過專用的噴射清洗機將干冰顆粒噴射到被清洗物體表面，使其升華、熔化，使污垢、油污、殘留雜質等迅速冷凍、脆化和剝離，且同時隨氣流清除。該方法不會對被清洗物體表面特別是金屬表面造成任何傷害，也不會影響金屬表面的光潔度。但是干冰清洗設備復雜，投資大，清洗罐車需要大量的干冰，費用昂貴。

(2) 化學清洗法。化學清洗法是用化學藥品或其他溶劑通過化學反應清除物體表面油污的方法，如酸洗、堿洗等。采用化學藥品浸泡清洗不僅會因排放的水溶液中含有化學藥品而造成環境污染，而且為防止清洗中的藥品對罐壁造成腐蝕破壞，清洗時還需要使用適當的緩蝕劑保護被清洗設備，清洗罐壁上黏附的殘留藥液需要消耗大量的清水清洗。

(3) 高壓水射流清洗法。高壓水射流清洗一般采用冷水作為工作介質，在北方地區冬季就無法作業；另外，高壓水射流清洗不僅需要消耗大量的水資源，而且洗罐后含油廢水回收和處理的成本較大，同時在清洗過程中對罐車內壁的破壞大，容易將罐車內壁的保護層破壞掉。高壓水射流清洗設備一次性投資及維修成本高。

(4) 密閉蒸汽洗車法。密閉蒸汽洗車技術是一種先進的罐車清洗技術，具有環保、高效、節能降耗的優點。

4 鐵路油罐車密閉蒸汽洗車技術

4.1 研究目標

鐵路油罐車密閉蒸汽洗車技術圍繞以下目標開展研究：

(1) 節約能源。減少蒸汽用量，提高蒸汽熱能使用率，降低洗車成本。

(2) 減少油氣揮發。采取密閉方式解決蒸汽洗車時混合氣體排放問題，改善現場環境。

(3) 提高洗車效率。提高罐內溫度，縮短蒸洗時間，提高洗車作業效率。

(4) 提高清潔生產水平。采取密閉管道對洗車廢水進行收集。

(5) 降低洗車噪聲。

4.2 結構組成

鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設備樣機由懸臂系統、升降系統、密閉系統、鎖緊系統、進汽及排污系統、儀表檢測系統和安全保障系統構成(圖3)。其中懸臂系統實現設備的左右旋轉；升降系統實現密閉蓋的上下運動；密閉系統實現密閉洗車時罐口與洗車裝置的密封、鎖緊以及洗車后解鎖；進汽及排污系統控制洗車時的進汽量及利用正壓排出罐內殘液；儀表檢測系統實時檢測罐內參數情況，安全保障系統保證洗車安全。波紋管補償器的補償作用及硅膠密封墊的壓力形變使得系統能夠消除因人孔水平度不均勻及形狀變化引起的漏氣。鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設備結構設計緊湊，既保證了各部件的運動調節空間，又實現了整個系統的氣密性。

圖3 鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設備結構組成

4.3 技術創新點

(1) 采用多自由度鉸鏈傳動技術與耐高溫硅膠密封墊、波紋管補償器相配合，使裝置密閉系統滿足不同規格的罐口密封要求，確保系統密封效果完好耐用，使蒸汽在罐內充分利用。

(2) 采用PLC可編程控制+三級壓力檢測儀表，將罐內壓力控制在70 kPa以內，保證罐內壓力符合設備安全要求。利用罐內的29～49 kPa的壓力通過排污系統排出殘液，蒸洗時不需要真空抽吸系統及其他動力源。

(3) 利用三維吊裝技術保證洗車設備與罐口的方便對接及拆卸，且不影響鐵路運輸安全。

(4) 控制中心根據采集的壓力、溫度數據進行比對計算，控制蒸汽進量及間歇噴水時間，使蒸洗溫度在80～110 ℃之間按設定曲線工作，徹底清除罐壁油污。

(5) 蒸洗時密閉系統處于非機械運行狀態，無機械噪聲產生，對油罐口的完全密封解決了蒸汽在罐口噴射的噪聲問題，將噪聲降低到65 dB以下。

(6) 罐壁溫度、壓力與蒸汽進汽量自動調節，方便系統操作，防止超壓，保證了洗車安全。

(7) 整套系統有安全的防靜電措施，并配備故障檢測系統，能對出現的問題報警并根據報警等級進行聯鎖控制。

5 經濟效益分析

鐵路油罐車密閉蒸汽清洗設備為鐵路油罐車清洗帶來了如下實效：

(1) 每輛罐車可節省蒸汽用量3.1 t,按低壓蒸汽量156元/t計算，可節省費用480余元，累計節約費用980.352萬元。

(2) 無蒸汽揮發擴散，提高了蒸汽熱能使用率，節約蒸汽70%以上。

(3) 利用罐內正壓排出清洗產生的殘液，無需真空抽吸系統，節約了電能。

(4) 將罐內溫度提高20～30 ℃(最高可達到110 ℃)，縮短了蒸洗時間，提高了洗車作業效率。

(5) 通過密閉管道將洗車含油污水收集至污油罐，大大改善了現場工作環境。

(6) 洗車時間僅為20～30 min/輛，提高洗車效率2倍以上，節約一半的工時。

(7) 檢測結果表明，敞口洗車罐口處VOCs平均濃度為3.65×104～7.28×104mg/m3，采用密閉清洗工藝后，VOCs平均濃度為1.95～4.05 mg/m3，向周邊環境揮發油氣量減少99%以上，不僅環境得到了極大改善，而且每年可減少大量的排污費用。

目前，該成果已在中國鐵路北京局集團有限公司石家莊車輛段陽泉洗罐站推廣1臺位、中石化天津分公司推廣4臺位、中石化濟南分公司推廣3臺位、中石油玉門煉油廠推廣4臺位、中石化金陵分公司推廣12臺位、中國鐵路濟南局集團有限公司推廣4臺位。國內現有鐵路洗罐站300多家，普遍采用敞口蒸汽洗罐工藝，隨著該成果推廣面的不斷擴大，所產生的經濟效益和社會效益將十分顯著，對推動減少大氣污染和噪聲污染，改善環境起到積極作用。