關(guān)于罐區(qū)VOCs尾氣及輸送設(shè)備選型的探討

韓志萍，朱興來

（中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030）

關(guān)鍵字：VOCs 尾氣輸送；真空泵；風(fēng)機(jī)；設(shè)備選型

VOCs 主要來源于煤化工、石油化工、燃料涂料制造、溶劑制造與使用等過程。大多數(shù)VOCs 具有令人不適的特殊氣味，并具有毒性、刺激性、致畸性和致癌作用，特別是苯、甲苯及甲醛等對人體健康會造成很大的傷害[1]。

目前，石油化工VOCs 排放的參考標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 20950—2007《儲油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 31570—2015《石油煉制化工污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 31571—2015《石油化工工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等。自2017年7月1日以來，水污染和大氣污染物排放要求按GB 31570～34573—2015 的規(guī)定執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)中排放的要求提高很多，絕大多數(shù)排放尾氣均需處理后才能滿足規(guī)范的排放要求。

目前石化企業(yè)VOCs 污染源末端治理主要應(yīng)用于油品和化學(xué)品儲罐區(qū)及裝卸環(huán)節(jié)、污水處理廠、工藝有組織和工藝無組織源項(xiàng)[2]。儲運(yùn)罐區(qū)的VOCs 排放主要是儲存調(diào)和過程的無組織排放及裝卸過程的無組織排放，在石化企業(yè)總的VOCs 排放中所占比例最大，約為30%左右[3]。

儲罐在大小呼吸過程中產(chǎn)生VOCs，排放量會隨外界溫度、物料裝卸情況變化，不同于常規(guī)的工藝裝置存在有組織排放的VOCs 尾氣，儲運(yùn)罐區(qū)VOCs尾氣為無組織排放，流量不穩(wěn)定，范圍變化很大，流量可從0 變化至尾氣排放最大量。動設(shè)備的頻繁啟停不利于設(shè)備的維護(hù)及穩(wěn)定運(yùn)行。因此，如何設(shè)計穩(wěn)定有效的VOCs 尾氣輸送方案、如何選擇可以穩(wěn)定運(yùn)行的抽氣設(shè)備，對儲罐VOCs 尾氣處理過程中至關(guān)重要。

1 罐區(qū)VOCs 尾氣輸送設(shè)備選型

以某項(xiàng)目原料及成品罐區(qū)尾氣處理過程為例，處理流程見圖1。由于常低壓儲罐的操作壓力較低，儲存調(diào)和過程及裝卸過程的無組織排放VOCs 尾氣需經(jīng)抽氣設(shè)備加壓后以便輸送，項(xiàng)目中將VOCs 尾氣送至催化焚燒尾氣處理系統(tǒng)（AOGC），在AOGC 中尾氣經(jīng)預(yù)處理后送至反應(yīng)器進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，將有害的揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為凈化氣體二氧化碳和水，當(dāng)凈化氣體經(jīng)檢測達(dá)標(biāo)后最終排入大氣。

圖1 罐區(qū)VOCs 處理流程圖Fig.1 The tank VOCs gas processing flow chart

以某丙酮原料罐VOCs 尾氣輸送設(shè)備為例，討論回流及變頻補(bǔ)氮兩種不同的輸送方案。風(fēng)機(jī)和真空泵是石油化工行業(yè)應(yīng)用量大、面廣的通用氣體加壓設(shè)備。離心式風(fēng)機(jī)、液環(huán)真空泵等抽氣設(shè)備常帶防喘振閥，一般選用回流方案，羅茨風(fēng)機(jī)、螺桿風(fēng)機(jī)等因考慮其經(jīng)濟(jì)性常選用變頻方案。選用實(shí)際工程項(xiàng)目中的案例進(jìn)行比較，分別選用液環(huán)真空泵作為回流方案的加壓設(shè)備、羅茨風(fēng)機(jī)作為變頻補(bǔ)氮方案的加壓設(shè)備，對液環(huán)真空泵回流和羅茨風(fēng)機(jī)變頻補(bǔ)氮兩種方案進(jìn)行對比。

方案1 為液環(huán)真空泵回流方案。液環(huán)真空泵是利用密封也與偏心安裝帶葉片的轉(zhuǎn)子所形成的密封腔體積的變化來壓縮氣體，它能產(chǎn)生的真空度不高，且效率較低，約為30%～50%。液環(huán)真空泵在吸氣中允許夾帶少量水，屬于濕式真空泵，可在液環(huán)真空泵后設(shè)置氣液分離器以分離液滴。液環(huán)真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)時，需不斷補(bǔ)充清水，以維持泵內(nèi)液封，同時起到冷卻泵體的作用。液環(huán)真空泵多適用于高溫下容易分解或聚合的氣體，也可用于腐蝕性氣體[4]。

方案1 工藝流程詳見圖2，當(dāng)氣體額定流量時，儲運(yùn)罐區(qū)的VOCs 尾氣經(jīng)管道送至液環(huán)真空泵入口，經(jīng)液環(huán)真空泵加壓后送至氣液分離器進(jìn)行氣液分離。分離后氣相送至AOGC，液相經(jīng)管式換熱器冷卻后送至液環(huán)真空泵以冷卻泵體，泵體上設(shè)有排污口以便排污。由于液環(huán)真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)需補(bǔ)充清水，故在氣液分離器上設(shè)置脫鹽水補(bǔ)水管線，并設(shè)置定期排污，補(bǔ)水及排污速度由氣液分離器內(nèi)液位控制。當(dāng)流量過小時，VOCs 尾氣入泵管線由于流量不足，壓力下降，此時液環(huán)真空泵回流線閥門打開后氣體回流以保證泵入口管線不被吸至真空。

圖2 真空泵方案流程圖Fig.2 Flow chart of vacuum pump scheme

方案2 為羅茨變頻風(fēng)機(jī)補(bǔ)氮方案。羅茨風(fēng)機(jī)是石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種旋轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)，作用原理與齒輪泵類似。羅茨風(fēng)機(jī)殼內(nèi)有兩個裝在兩個平面軸上的“8”字形轉(zhuǎn)子，兩個轉(zhuǎn)子由裝在軸末端的一對齒輪帶動，由于轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，使機(jī)殼內(nèi)形成密閉的吸入空間和排出空間，從而達(dá)到給氣體增壓的目的[4]。由于羅茨風(fēng)機(jī)效率較低，且出口壓力過高會引起泄漏增加，故其效率降低。因此壓比越高越不經(jīng)濟(jì)，一般適用于壓力不高流量較大的場合[5]。

方案2 工藝流程詳見圖3，當(dāng)VOCs 尾氣額定流量時，儲運(yùn)罐區(qū)的VOCs 尾氣經(jīng)管道送至尾氣緩沖罐后氣液分離，氣體經(jīng)尾氣緩沖罐罐頂送至風(fēng)機(jī)，經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓后送至AOGC，緩沖罐內(nèi)液相定期排污。當(dāng)VOCs 尾氣流量下降時，通過對風(fēng)機(jī)前后氣體壓力表、風(fēng)機(jī)后氣體溫度表進(jìn)行聯(lián)鎖，通過電機(jī)變頻調(diào)節(jié)，降低轉(zhuǎn)速以適應(yīng)流量的下降。當(dāng)VOCs 尾氣流量小于風(fēng)機(jī)最小穩(wěn)定運(yùn)行流量時，風(fēng)機(jī)變頻不能滿足小流量的需求，此時尾氣緩沖罐內(nèi)壓力下降，尾氣緩沖罐前氮?dú)忾y打開，適量補(bǔ)充氮?dú)庵溜L(fēng)機(jī)最小穩(wěn)定運(yùn)行流量，以保證尾氣輸送設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 風(fēng)機(jī)方案流程圖Fig.3 Flow chart of fan scheme

為了使兩方案對比更加直觀，給出了兩種方案設(shè)備選型表，見表1。已知設(shè)備入口壓力為1 kPa，設(shè)備出口壓力為70 kPa，進(jìn)出口壓比約1.7。設(shè)備額定流量為500 m3/h，每個方案兩臺設(shè)備，1 開1 備。方案1 中液環(huán)真空泵軸功率為22 kW，電機(jī)額定功率為30 kW，由于設(shè)置回流線，設(shè)備操作彈性可達(dá)到0%～100%。方案2 中因風(fēng)機(jī)效率略高且變頻電機(jī)，軸功率為6.0～15.3 kW，電機(jī)額定功率為22 kW，操作彈性為20%～100%，當(dāng)VOCs 尾氣不足最小流量時，補(bǔ)充氮?dú)庖跃S持風(fēng)機(jī)前壓力，最大補(bǔ)氮量為100 m3/h。

表1 兩種方案設(shè)備選型對比Tab.1 Comparison of equipment selection of two schemes

方案1 通過設(shè)備自回流調(diào)節(jié)VOCs 尾氣輸送的流量，不需要額外補(bǔ)充氮?dú)?，但由于其回流消耗功率，且液環(huán)真空泵效率較低，故所需軸功率及電機(jī)功率較高。方案2 采用變頻電機(jī)調(diào)節(jié)VOCs 尾氣流量，節(jié)約電能，但當(dāng)VOCs 尾氣流量低于風(fēng)機(jī)最小穩(wěn)定運(yùn)行流量時，需消耗氮?dú)?，造成氮?dú)獾膿p耗，且增加了AOGC 裝置的處理負(fù)荷。兩方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，需通過設(shè)備購置及運(yùn)行費(fèi)用的情況進(jìn)行比較。

尾氣的呼出主要發(fā)生在流體泵入儲罐及閃蒸過程和因溫度升高引起的罐內(nèi)氣體膨脹及蒸發(fā)的過程。流體泵入過程發(fā)生在間歇進(jìn)料過程中，儲罐的進(jìn)料時間約為總運(yùn)行時間的10%；溫度升高多發(fā)生在白天時段，可寬泛認(rèn)為主要發(fā)生在早6 點(diǎn)到下午4 點(diǎn)。在此時間段內(nèi)，當(dāng)儲罐泵入液體時，流體泵入儲罐及閃蒸過程和溫度升高引起的罐內(nèi)氣體膨脹及蒸發(fā)過程疊加，此時尾氣量較大，按呼出最大量簡化計算過程；其余時間段內(nèi)，溫度下降或溫度較低，常發(fā)生罐內(nèi)壓力下降，罐頂補(bǔ)氮閥開啟補(bǔ)入氮?dú)獾倪^程，此時一般無尾氣呼出，對風(fēng)機(jī)方案而言，此時補(bǔ)入氮?dú)馇以谧钚≥S功率下運(yùn)行。按上述過程對氮?dú)饧坝秒姷哪晗牧坑嬎悖赀\(yùn)行時間按8 000 h，得數(shù)據(jù)列于表2。從表2 可知，方案2 設(shè)備采購費(fèi)用約低10 萬元；從長期運(yùn)行角度考慮，方案1 雖所需用電消耗高，但能節(jié)省氮?dú)赓M(fèi)用，每年運(yùn)行總成本較方案2 低約4.7萬元/年，高于方案2 的設(shè)備購置費(fèi)10 萬元能在2.1年內(nèi)收回，此外還能節(jié)省后續(xù)尾氣處理費(fèi)用。通過粗略技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，方案1 更為合理，故采用方案1作為項(xiàng)目罐區(qū)VOCs 尾氣輸送的設(shè)計方案。

表2 設(shè)備費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用比較Tab.2 Comparison of equipment cost and annual operating cost

2 結(jié)束語

通過對VOCs 的來源及危害、VOCs 的處理及罐區(qū)VOCs 的來源進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以期能夠加深對罐區(qū)VOCs 尾氣處理過程的理解。此外，對罐區(qū)VOCs 尾氣輸送設(shè)備的選型進(jìn)行了方案比選，通過對兩種方案的優(yōu)劣及經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行比較，確定最優(yōu)的VOCs 尾氣輸送設(shè)計方案。