工廠原料油儲罐VOCs氣體的收集處理方案設計

孫艷

東華工程科技股份有限公司（上海 200233）

揮發性有機化合物（VOCs）是參與大氣光化學反應的有機化合物，或者根據有關規定確定的有機化合物[4]。大多數VOCs有毒、惡臭，刺激人的眼睛和呼吸道，高濃度下可造成急性中毒，甚至死亡。此外，大多數VOCs易燃易爆，高濃度排放時易引起爆炸。一些VOCs還會破壞臭氧層。VOCs在陽光照射下，與大氣中的氮氧化物（NOx）發生化學反應生成臭氧、過氧硝基酞、醛類等光化學煙霧，造成二次污染，同時危害農作物，甚至造成農作物死亡。

目前，大氣中的VOCs主要來自人為污染源：石化廠、煉油廠以及在生產過程中大量使用有機溶劑的行業，如涂料、印刷、樹脂加工等。在環境保護日益重要的今天，VOCs污染和治理受到人民、企業、國家的廣泛關注。

市場上對VOCs的處理方法多種多樣，不同的工藝過程可以選擇不同的處理方式，但是對于VOCs的收集，并沒有一個系統的設計規定，不同的生產工藝甚至是同種工藝不同的所有者，收集方式也不一樣。

本研究針對某工廠原料油罐區產生的VOCs氣體收集及處理方案進行討論和設計。

1 工廠油罐存儲現狀

VOCs氣體主要來自于原料油罐區。原料油罐區主要存儲煤焦油、乙烯焦油、蒽油，油品主要的物性參數見表1。

表1 原料油主要物性參數

來自槽罐車的油品經卸車泵輸送至原料油儲罐。工廠約每30天補充一次原料油，一年約補充11次，每次最多4個卸車位同時進行，卸車持續時間為62 h。原料油儲罐設有罐外循環加熱器，以維持罐內存儲溫度。罐內油品經由輸送泵送至生產裝置，某些油品不使用時，該流量循環回原料油儲罐。

原料油儲罐為固定頂儲罐，罐頂配有雙呼吸閥、氮封、緊急泄壓人孔等安全設施。罐底部設有蒸汽加熱器，罐內存儲油品揮發的氣體積存在儲罐上部空間，與罐頂的氮封氣體混合。當儲罐內有大量進料時，存在于儲罐頂部的VOCs混合氣體積聚并達到一定壓力，通過罐頂的呼吸閥排出儲罐。

工廠目前VOCs收集有以下幾個問題：（1）罐區原料油產生的VOCs氣量有限，是否有必要回收處理。（2）工廠用地有限，VOCs氣體處理或回收裝置的布置難以安排。（3）罐區占地約108 m×75 m，布置于廠區的角落。由于儲罐為常壓儲罐，位置偏遠，呼吸閥排出的氣體壓力低，不易收集。

2 VOCs處理方案的比選

目前主流的VOCs處理方式主要分為兩大類：一是采用物理方法回收VOCs，主要有吸附和吸收；二是通過生化反應，將VOCs分解為無毒或低毒物質，如采用等離子技術、蓄熱式氧化爐（RTO）焚燒技術、生物法、光催化法、熱破壞法。以上方法均需要或多或少增加額外的設備和用地面積。此外，吸附和吸收等方法還會產生固廢和廢液。

根據估算，油罐區產生的含VOCs氣體的流量約2 220 m3/h。根據客戶現有工廠原料油儲罐罐內氣體組分情況，該氣體含油量小，且間斷排放，如采用吸附或吸收方法回收，需要增加設備投資及占地，工廠廠區沒有布置空間；油氣為混合油氣，即使回收也難以再使用。若按照不同介質分別收集VOCs氣體，則需要布置3套吸附或吸收裝置，增加的設備投資及占地面積更大。因此，不考慮將油氣回收。

工廠為生產線配套設有尾氣焚燒鍋爐、余熱回收裝置、煙氣處理裝置，因此，可以直接將VOCs氣體送至已有尾氣鍋爐焚燒。該方案僅需增加1～2臺增壓設備，不需要增加大型設備，占地少，投資少，不會產生固廢和廢液，產生的廢氣可通過下游的煙氣處理裝置凈化達標后排放。廢氣燃燒過程中產生的熱量還可經過下游的余熱回收裝置進行回收副產蒸汽，節約能源。綜合考慮，VOCs焚燒為優選方案。

3 原料油罐區VOCs收集方案

3.1 VOCs收集方案

考慮到工廠原料油罐區VOCs氣體為間歇排放，所以使用吸風罩收集VOCs氣體，經過風機收集增壓后送至尾氣鍋爐焚燒，經過煙氣處理裝置處理后排放，具體流程如圖1所示。

圖1 VOCs收集方案流程

3.2 VOCs排氣量的確定

儲罐排出的VOCs氣體的量主要為儲罐呼吸閥呼出的量。根據規范[1]，儲罐呼出的量主要是儲罐進料時氣體的排出以及儲罐由冷態受熱時存儲物料膨脹所排出的氣體，二者綜合考慮。計算公式如下：

其中：Q為呼吸閥的呼出量、Q入為液體進入固定頂罐時造成的罐內氣體呼出量、Q膨脹為大氣升溫造成的罐內氣體膨脹而呼出的氣體，m3/h。

該工廠原料油閉口閃點溫度高于45℃，Q入最大值為儲罐卸車泵流量與工藝輸送泵回流量之和。Q膨脹查SH/T 3007—2014《石油化工儲運罐區設計規范》中的表5.1.6而得。

分別計算6個儲罐的呼吸量，結果見表2。

表2 罐區儲罐呼吸量情況

6個儲罐同時最大呼出量為3 127 m3/h。工廠有4個卸車位，卸車時最大呼出量為2 220 m3/h。

3.3 風機的初步選型

由于儲罐呼出的VOCs混合氣體壓力低，最遠的儲罐距離鍋爐約300 m，所以需要在VOCs收集總管上設置一臺風機作為流體動力來源。根據儲罐的最大呼出氣量，確定增壓風機的選型為2 800 m3/h。流體按照不可壓縮流體考慮，用伯努利方程[2]估算進出口管路沿程壓力損失，風機全風壓（p全）為14 kPa。風機按照氣流運動分為離心風機、軸流風機、斜流式風機。不同類型的離心風機對應不同的全風壓。

低壓離心風機：p全≤1 kPa；

中壓離心風機：1 kPa＜p全≤kPa；

高壓離心風機：3 kPa＜p全≤15 kPa。

綜合考慮，風機選型為高壓離心風機。為保證VOCs的收集系統連續運轉，風機設置為一用一備，風機電機選用防爆電機。

3.4 VOCs收集管上的其他配置

VOCs氣體收集應優先考慮密閉收集。但該項目VOCs含量低，將收集的氣體送去鍋爐燃燒，可看作是鍋爐補風。對于鍋爐系統，需要這股氣體連續且氣量穩定。而油罐呼吸閥為間歇操作，如果呼吸閥出口氣體采用管道密閉輸送，則無法實現氣量連續穩定的要求。所以考慮在呼吸閥出口設置吸風罩來收集VOCs氣體。在呼吸閥未開啟時，“開式”收集系統收集的氣體為空氣，作為尾氣鍋爐的補風。

吸風罩口風速適當取值，太小不能保證VOCs收集率；太大造成風機選型過大，不利于節約能源。根據規范[3-4]，控制吸風罩口風速不低于0.3 m/s。

由于呼吸閥出口不是密閉管道，所以吸風罩口需要能覆蓋呼吸閥排出管道，并盡量靠近呼吸閥出口管道布置。根據呼吸閥訂貨資料以及配管，綜合吸風罩流速計算值和配管需要值確定吸風罩罩口的直徑。吸風罩的設置情況見表3。

表3 吸風罩設置情況

支管靠近吸風罩處設有閥門及壓力表，閥門用于VOCs收集系統運行時調節風量和風速，壓力表配合調節閥門控制風量時觀測使用。此外，為了便于調節風口速度，收集總管應逆流向逐漸縮小，即距離風機最遠的收集總管管徑最小，后續隨著其他儲罐VOCs氣體的匯入，逐漸放大管道。

4 結語

工廠儲罐中存儲的油品均為混合物，不同原料油廠家提供的油品成分也不同，為確保系統的安全性，整個系統設備及儀表均按照防爆要求選型。

在工廠鍋爐故障檢修或停車檢修期間，VOCs氣體將沒有地方接收，所以工廠應合理安排原料油卸車時間，禁止在此期間進行原料油卸車。

該方案適用于工廠有尾氣鍋爐的工廠。目前對于VOCs氣體的處理方式有很多，但是對于罐區VOCs的收集方案并不多，本研究僅對某工廠的罐區VOCs收集進行討論和設計，最終效果有待工廠開車后跟蹤考察。