低溫儲罐置換新工藝的探索與實踐

譚志遠

連云港榮泰化工倉儲有限公司 江蘇連云港 222000

低溫儲罐因儲存的介質是低溫物料而有著特殊的結構，其置換方法與普通常壓罐有很大差異。傳統的低溫罐置換方法是以潛液泵抽到最低液位后，通過儲罐自然吸熱和壓縮機BOG 對罐底液相物料加熱氣化、清空，再以氮氣置換掉氣相物料，最終使用新的物料完成實氣置換和預冷。但這一方法置換周期長、能耗和物耗高。因此在特定條件下，探索新的置換工藝成為化學品儲運廠的迫切需求，也是順應節能減排、碳達峰的時代要求。

1 低溫丙丁烷儲罐置換方法的選擇

根據下游工廠的生產需要，某化學品儲運廠的8 萬m3低溫丙丁烷通用儲罐需由儲存丁烷切換為存儲丙烷。通過潛液泵抽到最低液位（經過測試為202mm），罐底料剩余680t 丁烷。若采用傳統的置換方法，通過儲罐自然吸熱和壓縮機BOG 對罐底液相物料加熱氣化，每小時可倒出2.2t，計耗時13d、耗電13 萬kWh。再使用氮氣對罐內氣相丁烷置換耗時14d，消耗氮氣超過50 萬m3、丁烷約200t、蒸汽100t。最后使用丙烷進行實氣置換和預冷，需耗時7d，消耗丙烷約200t、電耗7 萬kWh、蒸汽100t。置換全過程總計耗時34d，電耗20 萬kWh，消耗氮氣50 萬m3，丙烷、丁烷、蒸汽各消耗200t。過長的置換周期和大量的能耗、物耗，給儲運廠造成較大的負擔，因此探索新的置換工藝很有必要。

無論采用何種置換工藝，都需達到下游工廠對原料純度的指標要求。鑒于下游工廠使用的丙烷對丁烷含量要求＜4%，罐底液相物料的氣化清空、氮氣置換、實氣置換等過程由其他方法替代是可行的。例如使用丙烷與丁烷罐底料進行摻混，通過潛液泵打循環進行混合，再打出混合物，從而減少罐內丁烷含量。根據化驗分析結果重復此過程，直至丁烷含量達標，同時完成儲罐的預冷目標。

2 低溫丙丁烷儲罐摻混置換工藝

2.1 潛液泵出料到極限液位

利用潛液泵打出的丁烷物料越多，儲罐的置換效率越高，但潛液泵的安裝結構和高度決定了必有一定量的罐底料無法泵送出。根據泵出廠資料，潛液泵的最低安全運行液位是NPSHr+Pump down 液位+ 罐底距離=320+164+50=534mm。即在534mm 以下液位，泵運行存在損傷風險。為了將丁烷物料抽到更低液位時，可讓泵繼續運行。但須對泵進行特護，即泵在低液位下運行過程中，特護人員一旦發現泵電流、出口流量異常波動或聽到泵井傳來異響（帶氣、干磨），要立即停泵以防損壞。出于對儲罐計量精度控制的需要，液位計零點以下還有180mm。因此，泵運行特護的低液位參考值取354mm。經過實際測試，丁烷預冷泵運行的極限低液位為202mm。

2.2 摻混置換

2.2.1 摻混置換的流程

儲運廠建有兩條低溫丙烷、丁烷通用卸船線，一條預冷線。預冷線可以對兩條卸船線進行預冷。本次摻混置換流程是通過低溫丙烷罐的預冷泵打出丙烷，進低溫丁烷卸船線將管線內丁烷推入低溫丁烷儲罐，并出貨到泵的極限運行液位，再繼續進丙烷摻混對儲罐降溫；當丙烷摻混達到預定量，且已摻混均勻時（通過取樣分析判斷），打出混合物到泵的極限運行液位，完成一次摻混置換作業。

2.2.2 摻混置換的時機

低溫丁烷儲罐系統的丁烷除了罐內液相物料，還包括罐內丁烷氣相和卸船線內丁烷液相，共計約500t。這500t 丁烷對置換合格指標同樣產生很大影響。因此，將此部分丁烷融入罐內液相丁烷物料中，利用潛液泵出貨到極限運行液位，將更有利于達成置換目標。

其中卸船線內的液相丁烷，可以利用預冷線丙烷將其推入低溫丁烷罐；低溫丙烷遇到的丁烷后吸熱膨脹升壓，持續推動丁烷進罐；罐內丁烷氣相可以借助BOG 再液化系統液化后回收到儲罐內；在丙烷進罐氣化降溫的作用下，回罐的丁烷BOG 凝液減少了蒸發量，在一定的時間內，罐內丁烷氣相將逐漸減少，丙烷氣相增加。

為了將丁烷罐內氣相丁烷和卸船線液相丁烷融入罐內液相物料，作為高純丁烷（不被丙烷污染）輸出，需要選擇合適的丙烷摻混時機。即做到丁烷出到極限停泵液位時，卸船線內的丁烷和罐內氣相丁烷也已回收并輸出（約200t 丁烷氣相按液化回收150t 計算）。根據預冷泵出貨效率60t/ h（2 個鶴位同時裝車）和丙烷預冷流量12.5t/ h，以及丙烷自填充丁烷卸船線開始到進罐時間24h，得出丁烷出貨到極限停泵液位前36h （此時罐內丁烷液位1200mm 左右），即可對丁烷卸船線填充丙烷推動丁烷回罐。其中管線填充24h，再進12h，共計150t（罐內飽和氣相丙烷的質量）丙烷噴灑氣化冷卻儲罐，同時氣相丁烷被液化回收，可以最大化減少丁烷的罐內存量。丙烷進罐初期基本為吸熱氣化，通過取樣分析表明，丙烷、丁烷分層明顯，因此能保證裝出的丁烷純度指標合格。

當低溫丁烷卸船線回罐溫度降至- 12.78℃時，BOG壓縮機吸入溫度為- 10.5℃，運行模式由丁烷模式切換至丙烷模式。從丁烷卸船線預冷開始到壓縮機運行模式切換，時間間隔為33h，摻混丙烷約424t（卸船線290t，進罐134t）。第二批次低溫丙烷摻混到1200mm 時，儲罐溫度降到- 38℃，氣相組分中丁烷僅占2.29%（約4.7t）。

3 摻混置換的風險評估及關鍵控制

3.1 儲罐溫度

摻混過程中，儲罐壁板、底板溫度降幅過大或不同點降溫不均，會造成板材應力變形甚至拉裂。因此，須控制內罐壁板（底板）任意一點溫度降速＜5℃/ h、內罐壁板（底板）任意兩點溫差不大于15℃。否則，要暫時關閉丁烷卸船線控制閥PCV- 74301，停止進料，待罐壁板（底板）溫度開始回升后再繼續進料。

得益于儲罐開工噴淋環管的設計，其安裝于內罐頂中心位置，不僅可以在儲罐氣相空間內均勻噴灑丙烷，而且更易霧化，避免儲罐內部冷卻不均。為利用噴淋環管，本次從丁烷卸船線罐頂甩頭閥使用金屬軟管連接了噴淋環管，同時關閉卸船線進罐根部閥。從本次儲罐溫度變化趨勢看，儲罐的冷卻速度平穩均勻。

3.2 儲罐壓力

向存有680t 液相丁烷的儲罐摻混低溫丙烷，常壓下丙烷的飽和溫度遠低于丁烷的飽和溫度。因此丙烷進丁烷罐后，在罐內氣相空間迅速氣化或遇到“熱的”丁烷迅速氣化，導致儲罐壓力上升甚至超壓排放。那么是否會出現“翻滾”現象呢？“翻滾”是指低溫儲罐收料過程中大量的氣體被裹挾在液相物料中進入儲罐，導致儲罐超壓的現象，嚴重的會超過儲罐安全泄壓裝置的釋放量，導致儲罐拱頂被掀開，發生重大事故。但這種情況多是由于收料線設計了太多的立式膨脹彎，導致管線預冷過程氣相不易回罐，在卸船時被物料推回儲罐時發生的。而丁烷罐摻混丙烷是通過預冷流程進行的（丁烷卸船線多采用水平膨脹彎補償），全開閥門的流量不超過12.5t/ h，這些丙烷進罐后即便全部氣化。此時根據儲罐設計條件，通過安全閥可以泄放10.5t/ h，泄壓調節閥泄放3.9t/ h，加上BOG再液化系統的能力（丁烷凝液回收7t/ h，丙烷凝液回收3.8t/ h），可保證儲罐不會出現超壓破壞事故。本次摻混過程中，罐壓受控，未出現超壓排放情況。

儲罐摻混初期，氣相空間內含較多丁烷，因此前期壓縮機選擇丁烷模式運行。若選擇丙烷模式，壓縮機背壓即凝液罐壓力控制過高(＞1.4MPa），則丁烷會凝結損傷壓縮機（70℃的丁烷飽和蒸汽壓1.07MPa）。隨著丙烷氣化增多，因丁烷模式下的壓縮機排壓較低（高報值為0.55MPa），丙烷無法水冷液化（丙烷38℃的飽和蒸汽是1.2MPa），相當于被壓縮機抽出來再回到儲罐打循環。此時儲罐壓力將快速上升，因此壓縮機運行應該切換為丙烷模式。本次壓縮機切換運行模式是在壓縮機吸入口溫度降到- 10.5℃，罐壓快速上升到13.8kPa 時進行的。此時應該取樣分析儲罐氣相組分，用于分析判斷。因取樣分析耗時較長，需提前確定時機，如BOG 組分中丙烷占比超過70%，則具備了切換條件。

丙丁烷壓縮機在不同運行模式下，壓縮機的活塞沖程沒有區別，即壓縮比是相同的。唯一區別是丙烷模式下設定的各級排壓、排溫、級間壓差等控制指標高于丁烷模式，可以獲得更高的背壓液化特定的BOG。

3.3 物料純度指標

下游工廠對丙烷中丁烷含量要求＜4%，通過潛液泵打到極限液位，再摻混定量的丙烷；打出混合物后，在理想條件下（摻混均勻）計算，接卸入22000t 丙烷（純度99.4%）能夠達到下游工廠的用料指標要求。但低溫丁烷罐的直徑約60m，而潛液泵打循環從罐內抽出再從罐頂回流到罐內都是在同一角，難免混合不均。且潛液泵口環以下還有16cm，口環以下的丁烷不易被抽取。加上丙烷、丁烷分層明顯（根據摻混丙烷結束啟泵打循環初期的分析結果），故推測取樣分析的結果并不能保證代表罐內物料的真實組分。因此，需要在22000t 丙烷卸入后，開兩臺潛液泵打循環摻混，再倒出后檢測確認置換效果。

4 摻混置換過程中存在的問題

4.1 BOG再液化系統準備不足

丁烷罐內物料溫度接近常溫，摻混低溫丙烷勢必迅速氣化升壓。但只有一臺BOG 壓縮機可直接啟用，若罐壓升高過快，只能暫停摻混，如此又會造成丁烷罐內溫度回升，導致儲罐冷卻進程出現反復，增加丙烷用量。后來采用臨時軟管連接了丙烷BOG 壓縮機后凝液罐到丁烷凝液返罐線，罐壓才得以控制，但臨時軟管并不符合安全標準。若提前將冷凍機出口BOG 凝液去丁烷罐的盲板倒通，則可實現2 臺BOG 壓縮機和1 臺冷凍機都用于丁烷罐的壓控，充分利用BOG 再液化系統的能力。

4.2 取樣分析不足

本次摻混過程，僅對罐內液相物料采樣分析，忽略了對不同階段儲罐氣相樣的分析，沒有留下數據可供分析總結。

5 摻混置換過程中的特別現象

低溫罐中原始存儲為丁烷，所以低溫罐保冷夾層中的珠光砂間隙充滿了丁烷氣。當儲罐切換存儲為低溫丙烷時，因常壓下低溫丙烷的溫度遠低于低溫丁烷的存儲溫度，故珠光砂間隙中的丁烷將液化并沉積在低溫罐保冷夾層底部，且溫度低于- 10℃。此時液相丁烷變成冷橋將冷量傳導到外罐，在外罐底部壁板上結冰。本次儲罐切換存儲介質后，外罐壁底部結冰30cm 高。

丁烷液相形成的冷橋在一定程度上會增加制冷系統的能耗，但此“冷橋效應”會隨著外界環境溫度變化而變化。在夏季環境溫度升高時，大部分丁烷氣化，冷橋被隔斷，外壁冰層逐漸融化消失；反之隨著環境溫度降低，冰層高度會再升高。消除此“冷橋效應”的辦法是將儲罐介質徹底置換，包括夾層內的物料也使用氮氣置換清除，如此可避免外罐壁底部結冰現象，但徹底置換不滿足生產實際需要。此外，還可以考慮在夾層底板或外罐壁板底部預留引流管，將殘液引出來消除“冷橋”，但是引流管增加了泄漏的風險，不符合全容罐的設計條件。

6 結語

綜上所述，對于低溫丙丁烷儲罐存儲介質的切換，通過摻混置換的方法可以大幅縮短工期，降低能耗、物耗，給企業帶來可觀的經濟效益和環保效益。即便因摻混產生的混合物拉低了售價，但更短的置換周期提高了儲罐周轉量所帶來的效益遠多于混合物造成的損失，因此摻混置換工藝是科學可行的。