內浮頂儲罐VOCs綜合治理和整改措施

張萬福，冀世剛

(1.河北華飛工程設計有限公司海南分公司，海南 海口 570105；2.中國石化海南煉油化工有限公司，海南 儋州 578101)

0 引言

近年來環保設施因為各種原因導致的安全事故時有發生，比如罐頂氣VOCs治理中，采用罐頂油氣直接連接方式的儲罐數量較多，雖然解決了排放超標問題，但由于這種方式對設計、安裝質量，以及安全附件等要求較高，如考慮不周或管理不到位，存在事故擴大的重大風險。國家安監總局也提出儲罐連通要經過安全論證后方可投用，原則上能不連通的盡量不連通，按照“內浮頂+密封”改造方式達到達標排放的要求。因此，儲罐VOCs治理，不管是否采用密閉收集處理的方式，均需從工藝源頭和儲罐源頭減排，控制油品損耗和VOCs排放[1]。

1 罐頂氣密閉收集分析

1.1 安全隱患

罐頂氣VOCs治理中，采用了罐頂油氣密閉收集，雖然這種方式解決了排放超標問題，但由于儲罐密閉后，罐頂氣采用氣相連通管路，將多個儲罐連接起來，儲存介質互相連通、儲罐設計條件和結構變化等，對設計、安裝質量，以及安全附件等要求較高，如考慮不周、管理不到位、設計不當，將會帶來較大安全隱患。

(1)罐體沉降帶來管線位移風險，主要是指儲罐使用過程中會發生基礎繼續下沉的現象。此外，在地震烈度大于或等于7度、地質松軟的情況下，儲罐會發生相應的翹離效應，若儲罐與附屬管道是剛性連接，會加大儲罐的損壞。

(2)事故狀態下，如儲罐發生內部閃爆，連通線發生位移導致的機械損壞。儲罐罐頂與罐壁連接處一般作為薄弱環節(如采用弱頂結構)會撕裂，導致罐頂掀起而不破壞儲罐罐壁，掀開的罐頂短時間內發生較大位移，容易造成罐頂氣相連通管路的整體位移，從而對與之連通的相鄰儲罐罐頂安全性造成影響。

(3)缺少阻火設施。早期的儲罐，為了減少揮發和收集氣相組分，多采用罐頂直接連通，或連通線和水封罐的組合，這種連通方式，沒有考慮到儲罐事故狀態下連通線隔斷火焰傳播的要求，儲罐氣相連通線未設阻火器或所設阻火器沒有認證，導致儲罐發生事故時事態擴大。

(4)罐體改造沒有考慮泄壓能力的風險。主要是罐體設計中泄壓能力不足、設計“弱頂不弱”，或者在進行連通改造后，沒有對儲罐的承壓計算，罐頂泄放量設計不足，罐體根部強度不夠等，導致事故中罐體根部或者管壁破裂，事故擴大。

(5)未對儲罐強度進行校核，尤其對于部分老罐，其強度降低，罐頂增設阻火器、切斷閥、氮封閥組、緊急泄壓閥等設備，對儲罐本體和罐頂的強度影響較大。

(6)去明火設備的安全控制措施不完善：尾氣進入加熱爐、焚燒爐等明火設施，增大了燃爆風險；收集系統去瓦斯回收的風險等。

(7)增加儲罐連通后氮封消耗較大。部分企業儲罐的氮封耗量比較高，有的儲罐月平均耗量達到50萬Nm3以上。另外，已投用的罐頂氣相連通系統，連通儲罐沒有設置單獨、氮封耗量不能監控。

上述安全隱患，儲罐密閉收集改造過程中均不同程度的存在，2017 年以前實施改造的項目，對儲罐連通管線火焰傳播帶來的罐區爆炸風險認識不足，阻火設施達不到要求。2017年以后實施改造的儲罐，儲罐核算不重視，尤其是“弱頂不弱”帶來的儲罐整體位移、破裂風險等較高，另外，儲罐氣相支管道配管設計隨意，存在管線拉扯導致的機械破壞風險等，需要重點防范。

1.2 整改措施

(1)密閉改造的儲罐，設計壓力不宜超過原儲罐的設計壓力。當需要提高設計壓力時，應根據儲罐罐壁、罐底和罐頂厚度實際檢測結果，重新校核罐壁、罐頂和罐底的強度，嚴禁用原設計值代替實際檢測數值進行核算。

(2)儲罐實施密閉改造，應以儲罐罐體不被提離為原則確定儲罐的設計壓力，并考慮儲罐是否已由常壓儲罐變更為微內壓儲罐，根據儲罐現場實測數據對罐內的舉升力重新核算。當儲罐內壓產生的舉升力不能滿足設計要求時，需要在儲罐底部增加錨固等措施。錨栓和錨固附件的相關設計要求具體可參照GB 50341附錄A[2]等內容，防止事故狀態下罐底拔起、罐壁破裂等事故隱患。儲罐配置的緊急泄放人孔，不僅要考慮工藝泄放的需要，也要滿足事故泄放的要求。

(3)在實施罐頂氣相連通改造時，罐頂增設阻火器、切斷閥、氮封閥組、緊急泄壓閥等附屬設施并需要罐頂支撐時，應盡量將這些附件分散布置，其支撐點盡量靠近罐壁設置。罐頂增加載荷對儲罐本體和罐頂的強度影響較大，必須對儲罐強度及罐頂承重能力重新校核，并根據校核結果采取適當的加固措施，加固后罐頂穩定性校核可采用有限元數值分析法。當罐頂載荷增加較多時，除了對罐頂進行校核外，還應校核罐壁穩定性。

(4)儲罐 VOCs 治理的支管收集管線配管設計應合理，儲罐的油氣支管道應從罐頂沿罐壁敷設至儲罐底部，與罐區的油氣總管連接，保證油氣支管道具有足夠的柔性。儲罐之間相連的油氣收集或平衡支管道，如果采用罐頂部直接連接方式，存在事故狀態下收集管線位移變化對相鄰儲罐造成機械破壞的風險，因此收集支管線應按照“步步低”從罐頂下到罐底的設計方式，嚴禁采用罐頂部直連的方式，防止事故時管線隨罐體發生位移而導致機械破壞的風險，最大限度減少事故影響。這種設計方式在“氣相平衡管連通方案”中比較常見，風險也最高。

(5)不同油氣收集系統共用油氣回收(處理)裝置時，應避免系統之間的相互影響。儲罐收集不應與污水提升及污水處理設施、工藝裝置儲罐及設備、酸性水罐等共用油氣收集系統。

(6)根據GB 50074的規定，內浮頂儲罐設置氮氣密封保護并密閉回收處理罐內排出的氣體，應控制儲存溫度低于液體閃點5 ℃及以下[3]等必要的安全保護措施。因此，建議降低儲罐溫度，夏季采用噴淋、增加隔熱板或采用熱反射隔熱涂料[4]。

2 “內浮頂+密封”結構

依據GB/T50759規定[5]和生態環境部《關于加快解決當前揮發性有機物治理突出問題的通知》(環大氣〔2021〕 65號)要求，為了減少油品儲運過程中的油氣損耗和消除安全隱患，應首先通過“內浮頂+密封”改造、維修的方式達到VOCs治理要求。因此，一種新型全接液結構類型內浮盤，由蜂巢式單元模塊組裝而成，覆蓋于儲罐油品表面、減少油品揮發損耗的內浮盤技術得以推廣和應用，并且對內浮盤各附件針對性進行密封升級改造，達到消除安全隱患、降低VOCs排放量的目標。

2.1 損耗分析

內浮頂罐VOCs的排放主要包括邊緣密封、浮盤附件、浮盤盤縫、掛壁損耗四個方面。邊緣密封位于內浮盤與罐壁之間，可以防止內浮盤與罐壁摩擦，同時減少VOCs泄漏排放。自然風力和有機液體的真實蒸氣壓對邊緣密封VOCs排放影響較大。內浮盤常見的開口附件(人孔、量油孔、液位計口等)都是VOCs排放源。內浮頂罐的非接觸型內浮盤通常是螺栓連接或鉚接存有縫隙，在內浮頂蓋板的下部存在一定高度的油氣空間，部分VOCs通過盤縫排放至內浮盤上方的氣相空間。隨著內浮盤的升降，部分液體會滯留在罐壁及內浮盤支撐柱上，造成掛壁損耗，直到罐體再次充滿液體，暴露面再次被覆蓋時，掛壁損耗才會停止。因此，只要將內浮盤以上四個方面的密封全面優化，才能提升VOCs治理效果。

2.2 優化措施

(1)依據GB 50160規定[6]，全接液高效浮盤采用不銹鋼雙盤式全接液內浮頂(無梁結構，含雙密封)，全面接觸儲液，浮盤整體浸液面積率99.5%以上，消除了油氣揮發空間，有效阻絕了油氣揮發，油氣揮發損失理論核算減少85%以上，實際檢測減排95%以上，從源頭抑制油品揮發散逸。

(2)依據SH/T 3024規定[7]，內浮盤密封采用大補償彈性密封+二次舌型刮板密封[8]的雙密封型式。密封整體材料應滿足耐溫、耐磨、耐腐蝕、阻燃、抗滲透、抗老化等性能要求[2]，并與罐壁貼合良好。周邊彈性壓力板密封能夠最大限度的彌補-100～+350 mm(密封裝置應能補償±100 mm的環形間隙尺寸偏差[8])儲罐內壁直徑偏差，浸入液下100 mm以上[2]，且與罐壁壓緊力不低于100 N/m3。

(3)全接液高效浮盤采用無主副梁結構設計，模塊單元排列為品字形錯位連接。模塊單元內部設置蜂巢芯，蜂巢孔密度要求超過2 500個/m2，每個蜂巢孔之間形成相互獨立空間，即使收到穿刺性破壞，液體也只能充滿單個蜂巢孔的空間，不會流入其他蜂巢孔內，不影響內浮盤整體浮力，避免卡盤事故。模塊單元采用全焊接工藝，進行氣密檢測，保證模塊單元無任何泄漏點。浮箱為獨立單元結構，任意兩個浮箱泄漏或內浮頂浮力喪失15%后，內浮頂應仍能漂浮在液面上且不產生附加危害，浮箱整體為全焊接結構，焊縫采用自動焊，形成一個獨立密封的浮力單元，浮箱應可拆卸更換。

(4)在邊緣密封氣相空間和內浮頂上方氣相空間之間設置氣相平衡設施，控制二者之間的壓差低于設定值，保證內浮頂安全運行。在原負壓消除裝置基礎上，加裝楔形填充部件，同時增大負壓消除裝置的舉升高度。正常開啟時，氣體可順暢進出內浮盤上下空間；負壓閥關閉時，閥體下落，下部填充物回落至油品液面以下，達到浸液密封效果，消除油氣空間的存在。

(5)內浮盤盤縫之間的油氣揮發損耗占比大。全接液模塊化不銹鋼雙盤式內浮頂通過在模塊之間加裝耐油、耐腐蝕的密封墊片實現第一道密封；通過在相鄰兩模塊上立邊加裝密封材料和不銹鋼扣槽實現第二道、第三道密封。以上三道盤隙密封措施可大幅防止油氣通過盤縫揮發散逸。

(6)伸縮囊套技術：針對立柱側壁開孔情況，采用伸縮囊套將立柱整體包裹，伸縮囊套將儲罐立柱隔絕。在內浮盤上下運動過程中，通過立柱開孔和立柱與內浮盤之間縫隙散逸的油氣始終在伸縮囊套之中，不會逸散到內浮盤上方的空間。

(7)內浮盤采用不銹鋼材質，免除了油品污染、噴砂、除銹、防腐以及后續補漆、焊縫開裂補焊等動火作業和減少清罐維護次數。同時，當發生火災應急事故時，內浮盤模塊所采用的非易熔不銹鋼材質使得浮盤具備耐受高溫達1 400 ℃以上，降低了安全隱患。

(8)內浮頂儲罐加氮封，將內浮頂油罐透氣孔(包含罐壁和罐頂)全部封閉，用氮氣補充罐內氣體空間。由于氮氣比油蒸氣輕，所以氮氣浮在油蒸氣上。當呼氣時，呼出罐外的是氮氣而不是油蒸氣；當罐內壓力降低時，氮氣自動進罐補充氣體空間，減少蒸發損耗，避免油品接觸空氣氧化。

3 結語

總之，常壓儲罐的選型和內浮頂安裝質量等，是降低油品損耗的主要措施。因此，儲罐VOCs綜合治理，不管是否采用密閉收集處理的方式，均需做好儲罐選型設計、確保內浮頂安裝質量等，從源頭控制油品損耗，降低VOCs排放。明確常壓儲罐VOCs治理安全環保基本原則，補充常壓儲罐密閉收集改造、內浮頂設計安裝驗收、常壓儲罐安全環保運行及檢測等內容，以進一步規范常壓儲罐VOCs治理的安全風險防范工作，使石油、化工企業中儲罐產品的安全、環保、節能實現一體化。