从案例看VOCs治理工程的设计误区
摘要：石油化工企业治理VOCs污染的环保任务艰巨，在VOCs治理工程的设计中，由于对VOCs废气现场工况的温度、流量、压力变化考虑不足的原因，导致VOCs治理工程设计有缺陷、系统建设不完善，竣工后运行达不到设计的预期目标，影响了治理工程的实施效果。根据实际案例出现问题的现象、现场参数比较，分析及其与设计误区的关系，与同行分享。
关键词：温度；流量；压力；二次挥发；转移排放；顶空联通
VOCs是挥发性有机化合物（volatile organic compounds）的英文缩写，按照世界卫生组织（WHO）定义，是指熔点低于室温而沸点在50～260℃之间的挥发性有机化合物。石化行业VOCs排放源主要来自石油采集、炼制和石油成品油及液态化工品（含半成品、成品）的储运及使用过程，在VOCs排放中占有最高的比例。近年来，我国石油消耗量跃居世界前列。石油成品油及化工溶剂的广泛运用，VOCs的排放范围不仅在石油化工企业，而且扩展到制药、喷涂、家具、橡胶、电子、皮革、印染等等行业。因其对污染大气环境、伤害人身健康的贡献，被列为必须加以控制和治理的对象。为了加强大气环境保护、加快治理VOCs有机废气污染，环保部门和相关企业大力投资，建设了VOCs废气治理工程。但是，相当一部分治理工程投入运行的效果不理想，部分用户的投资“打了水漂”，少数治理系统成为“烂尾工程”。出现这些状况的原因有多方面，本文通过具体案例，分析VOCs治理工程的设计中，由于对VOCs废气现场工况的温度、流量、压力变化考虑不足的原因，导致VOCs治理工程设计有缺陷、系统建设不完善，竣工后运行达不到设计的预期目标，影响了治理工程的实施效果。
案例1：山东某炼油厂，储运车间发油现场安装了处理规模为500m3/h冷凝法油气回收处理装置。VOCs废气治理工程存在问题的现象为：治理系统收集的装车挥发的油气送入回收处理装置进行降温冷凝液化后，回收得到的液态汽油，存入容积为3m3的常压常温回收油储罐。经过油气回收处理装置回收油流出管路安装的流量计计量，每天都有数千升的累计数据，但每天从回收油储罐内抽出的油的数量，却只有流量计记录数据的一半左右。近一半的回收油不知去向。
分析原因，VOCs挥发性有机化合物最大特点是常温状态下容易挥发，且相态时时刻刻都在发生变化，温度降低或增加压力从气态相变为液态、温度上升或压力减小从液态相变为气态。冷凝法是利用其随温度相变的性质，将挥发油气进行降温液化后回收再利用。但是，在治理工程的设计中， 由于对其相态变化考虑不周，降温液化得到的回收物立即回到常温状态的回收油储罐，结果是液化回收的油品立即发生汽化，再次从液态返回气态，产生二次挥发，影响回收效果。同时还出现了二次污染。
关于冷凝回收的有机物回到常温工况的二次挥发，VOCs的液态回收物是在低温条件下的凝结物，其需要暂存容器储存液态回收物，设计中通常将暂存容器设计为常温常压储罐，并配设有保障安全的呼吸排气管。常见问题是在低温条件下相变回收得到的液态有机物，存入常温储罐后，由于温度的回升，立即又相变为气态物，从呼吸排气管排放到大气环境，导致储罐内保存留的回收有机物却所剩无几。解决的措施是改进设计，将回收油储罐进行保温，使之维持低温状态，避免二次挥发。同时，将回收油储罐的呼吸排气管接入处理装置入口，避免挥发气流失到大气环境。
案例2：陕西某炼油厂。VOCs废气治理工程存在的问题现象：陕北地区某炼油厂储运车间汽油发油设施的配置为上装鹤管6支，每支设计发油速度为60m3/h。油气治理系统设计为每支鹤管的油气收集气相支管路连接到气相主管路，主管路在连接到油气回收处理装置的废气入口管路。该工程投入运行后出现问题是气相管路动态阻力过大，导致油气收集设施不能密闭，油气不能输送到油气回收处理装置，因而见不到回收的油品。
在石油成品油装车现场VOCs污染源主要是轻质成品油油气。VOCs治理系统设计通常由收集设施、传输设施、处理设施三大部分组成。多数治理系统受现场条件影响，收集设施设计安装在VOCs挥发现场，如有VOCs挥发的车间、灌装（装车、装船）场所。处理设施则安装在远离挥发现场的地点。两者之间距离有的长达几百米、上千米。敷设方式是将现场各个灌装点收集的VOCs气体的气相支管路，与气相主管路连接，再通过长距离的气相主管路将VOCs气体输送到回收处理装置，进行液化回收处理。设计中常见问题有，事先对系统投产后风量、压力等工况条件动态变化考量不足，只根据一个VOCs气体流量数据进行设计和配置选型，但在系统投入运行后，气体流量的数据往往大于设计依据的参数，于是出现传输管路动态阻力增大，密闭系统内出先压力反弹，影响到源头对VOCs的密闭收集、治理系统对VOCs的顺畅传输，导致治理系统运转不正常，伴随发生增加泄漏、转移排放等问题。
本案例的油气回收工程包含前端的“油气收集设施”、中段的“油气传输管路”（包括气相主管路和支管路）、后端的“油气回收处理装置”。《储油库大气污染物排放标准》GB20950规定储油库“油气收集系统在收集油罐车罐内的油气时对罐内不宜造成超过4.5kPa的压力，在任何情况下都不应超过6kPa。”在前期工程设计中，设计人员取用的工况流量数据，是按照装车气体流量60m?/h的工况设计，并依据《油气回收系统工程技术导则》（QSH0117-2007）规定的“每个汽油装车鹤管所配置的油气回收支管道直径宜比鹤管直径小一个规格等级”设计气相管路规格。其油气传输主管路设计规格DN200，直线长度120米长，加上7个弯头当量长度31米，合计151米；气相支管路规格DN50，直线长度13米，加上7个弯头当量长度11米，合计24米。气相管路总长度达175米。但是，当现场发油流速在105m3/h左右时，气相管路动态阻力高达14kpa，致使油罐车罐内压力超过10kpa，密闭鹤管发生弹跳起来，油气不能传输到达油气回收处理装置，VOCs治理系统不能正常运行。后来经过整改，将气相主管路改为DN250、气相支管路改为DN80规格，缩短支管路长度，系统动态阻力大大下降，按照设计工况发油时，管路系统压降立即减少到1.4kpa，油气回收处理装置的回收效果也立竿见影。[1] 类似的问题在华南某油库也遇到过，经过技术改造之后VOCs治理系统才得以恢复正常运行。[2]
案例3：江苏某大型石化物流库。VOCs废气治理工程存在的问题现象：该油库地处长江入海口，对储罐呼吸排放的油气建设了“顶空联通置换油气回收装置”。工程建设竣工投运后，储罐进料时排放顶空联通置换油气回收装置的大量油气却不能按照“顶空联通置换油气”的气相管路走向，输送给油气回收处理装置，而在呼吸阀的呼吸排放口排放到大气环境。
《重点区域大气污染联防联控“十二五”规划》要求大力削减石化行业挥发性有机物排放，“严格控制储罐、运输环节的呼吸损耗”，首次提出原料、中间产品、成品储存设施“应安装顶空联通置换油气回收装置”。本案例为库容量35万m3的油库，计划安装顶空联通置换油气回收装置，先期试验，将两个容量为4000m3内浮顶苯储罐改造为拱顶罐，然后从罐顶呼吸阀下端的三通接出气相管路引至地面，管路汇合后连接至苯蒸气回收处理装置。投入运行后立即发现，当储罐进料（苯）时，罐顶呼吸阀阀盘频频开启，大量苯蒸气没有走气相管路输送给苯蒸气回收处理装置，而从呼吸阀“呼出”，排放到大气环境。经过测压检查发现，当储罐进料时，呼吸阀的开启压力（随机的储罐空间气体压力）达到2.0Kpa，但罐顶全天候防爆阻火呼吸阀操作压力只有+1500/-295Kpa、应急保护的压力排放吸入阀（紧急泄放装置）操作压力只有+1750/-350Kpa。开启压力受顶空联通置换气相管路的动态阻力影响而增大，操作压力小于开启压力，苯蒸气从呼吸阀口排放到大气环境，不能送入回收装置。显然，这是一个设计方面存在的问题范例。
“顶空置换”的最大差别是呼吸阀后端接入了油气回收气相管路，完全改变了呼吸阀的使用条件。然而，储罐安全附件的国内标准，有技术滞后、更新周期长、体系不完善不配套（产品标准多、应用标准少），甚至还有矛盾的客观情况。虽然最新国际标准ISO28300更新了关于石油、化工、天然气工业常压储罐呼吸量的计算方法，提供了计算模型。
关于超压问题，《石油库设计规范》GB50074-2011修订版对低压储罐的设计压力规定为大于6.9kPa且小于0.1MPa（罐顶表压）的储罐。安装了顶空联通置换油气回收系统的储罐，在确保控制VOCs排放的范围，适当调整加大呼吸阀参数，应该有一定超压空间，但是，设计人员对储罐工况压力变化过程缺乏考量，沿用未加装“顶空联通置换油气回收系统”的普通储罐的设计思路，选择呼吸阀操作压力、启动压力，造成设计带病建设的结果。
客观而言，随着大量治理VOCs污染的项目投建，不少设计部门头一次接手设计任务，面对环保要求（包括政府管理部门和国家标准的要求）、用户要求、现场新工况的要求，设计人员找不到新的标准作为设计依据，无所适从，仍然采用旧有的开启压力和操作压力的数据。本案例在选用呼吸阀时，就不能适应系统排放出现的超压情况。超压大，不但储罐呼出气体不能进入回收装置系统，而且增加了VOCs的发散量，并从呼吸阀排放到大气环境。
综上所述，在治理VOCs污染的项目设计中，要重视和研究工况温度、流量、压力等参数变化产生的影响，技术方面重视工况温度、工况流量、工况压力等动态变化对治理工程系统的影响，思想方面端正对设计目的的认识，克服设计工作中存在的问题，按照国家安全和环保法规要求，完善治理易挥发有机化合物VOCs的项目设计，达到控制VOCs挥发污染的目标。
参考文献：
[1]《诊断油气回收系统问题的一次实践》《化工安全与环境》，2010年第41期
[2]《油气回收管路的密闭和畅通》《石油库与加油站》，2007年第2期
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