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液体化工品密闭装卸与气相平衡

随着VOCs治理的广泛开展,越来越多的常压储罐已经采用了氮封罐保护、气相收集、储罐气相连通等措施。

在此基础上,常压装车或常压卸车作业时,槽车、罐车的气相管线与储罐气相连通,达到气相平衡,是一种理想的解决方案:装车时,槽车、罐车气相空间被液相压出的挥发气排出到储罐,正好补充因物料从储罐泵出增加的气相空间;卸车时,储罐气相导入槽车,正好抵消了因储罐液位上升而排出的储罐气相。这样的气相平衡操作可以减少装车、卸车一边液位上升排出的气相进入废气回收处理的量;也可以减少另一边液位下降气相空降增加需要补充的氮气的量。相关法规也是支持这样做的。参阅《石化化工行业VOCs排放节点及治理技术

中间罐采用氮封保护、气相收集、气相连通的,适用类似的原理;其进料、出料过程的气相平衡与气相控制采用类似的方案和器材。

 

GB 37822-2019 挥发性有机物无组织排放控制标准

3.13 气相平衡系统

在装载设施与储罐之间或储罐与储罐之间设置的气体联通与平衡系统

6 VOCs物料转移和输送无组织排放控制要求

6.2.3 装载特别控制要求

装载物料真是蒸气压≥27.6kPa且单一装载设施的年装载量≥500m3,以及装载物料真实蒸气压≥5.2kPa但<27.6kPa且单一装载设施的年装载量≥2500m3的,装载过程应符合下列规定之一:

a) 排放的废气应收集处理并满足相关行业排放标准的要求,或者处理效率不低于90%

b) 排放的废气连接至气相平衡系统

 

密闭装卸,除了从VOCs控制角度是基本且必须的减排措施,从安全角度考虑也是必要和迫切的,也有相应的法规要求。

 

GB 51283-2020 精细化工企业工程设计防火标准

6.4.1  可燃液体汽车装卸设施应符合下列规定:

甲B、乙类液体应采用密闭装卸车系统;丙类液体宜采用密闭装卸车系统。

 

当槽车卸料或槽罐出料时,如果直接以空气作为气相平衡气体,则当液相物料卸出、气相空间逐步增加且空气与物料挥发气同步增加时,很容易达到该物料的爆炸极限,是极大的安全隐患。所以,密闭卸车操作最常用的气相平衡方式是对槽车或槽罐补充氮气,隔绝空气进入,消除气相空间形成爆炸性气氛的隐患。如果能以储罐或槽车排出的气相,代替氮气,补充到卸料槽车或出料储罐,则可以在保障安全的前提下,节省一部分氮气消耗的成本。


不过,在实际运行中,由于储罐、槽车及各附件的性能、质量等的限制,这种理想的气相平衡方式往往受到制约,说易行难。如果不选取妥善的技术方案和器材,更会出现事与愿违的结果。比如,卸车时,由于储罐来气不足,或者氮气补充流量不足、气压控制不准,造成槽车内气压随着物料卸出而下降,触发槽车的呼吸阀开启,吸入空气,在槽车内形成空气与物料挥发物的混合气氛,达到爆炸下限的,即会成为爆炸性气氛。而当装车时,由于去往储罐或气相收集的管路管阻与槽车本身呼吸阀的启动压力不匹配,造车槽车内部气压上升,触发槽车的呼吸阀启动,对周围环境排出槽车内部气体,在槽车周围形成物料挥发物与空气的混合气氛,达到爆炸下限的,也即成为爆炸性气氛。所以,密闭装卸操作无论是通过气相连通,还是氮气补充实现气相平衡,对于气相进出管路的压力-流量的精准控制,以及与槽车、储罐呼吸阀设定的匹配,管路管阻的匹配,都甚为重要。


储罐、槽车及各附件的性能参数的限制主要有以下几个方面:

1 常压储罐的呼吸阀排气约在1.35kPa,氮封阀进气约在0.2-0.5kPa。


2 常压罐车的“呼吸阀的出气阀应在罐内压力高于外界压力6kPa~8kPa时开启,进气阀应在罐内压力低于外界压力2kPa~3kPa时开启”

GB 18564.1-2019 道路运输液体危险货物罐式车辆 第1部分 金属常压罐体技术要求

本部分适用于同时满足下列条件的罐体:

a) 充装介质为液体危险货物的;

b) 正常运输过程中的工作压力小于0.1MPa的;

c) 金属材料制造且与定型汽车底盘或与罐式半挂车行走机构为永久性连接的


6.2.1.10 设置紧急泄放装置的罐体还应设置呼吸阀,呼吸阀的设置和功能应符合下列要求:

a) 罐体的每一分仓应至少设置一个呼吸阀;分仓容积大于12m3时,应至少设置2个呼吸阀;

b) 呼吸阀的最小通气直径应大于等于19mm

c) 出气阀应在罐内压力高于外界压力6kPa12kPa时开启;

d) 进气阀应在罐内压力低于外界压力2kPa4kPa时开启;

e) 罐车发生翻倒事故时,呼吸阀不应泄漏介质;

f) 易燃介质用呼吸阀应具有阻火功能


3 储罐与槽车之间的输运管道及管道元件还存在5-15kPa甚至更高的管阻压降。


当装车时,液相进入槽车;槽车排出的气相需要憋压到至少5kPa以上,才能克服管阻压降(5-15kPa)进入储罐。而槽车内的这个憋压,很有可能就触发了槽车呼吸阀的出气阀6-8kPa的开启压力,造成装车排出的气相,未通过管道进入或充分进入储罐,而是通过槽车上的呼吸阀,就地排入大气了。


甚或对于仍采用装车鹤管加回气锥收集气相挥发物的作业方式,则由于回气锥与槽车人孔无法完全密闭,装车排出的气相挥发物就更会轻易地逸散,排入大气。参阅《装车鹤管都能有效回收VOC吗

   


而另一边,由于储罐中液位下降,气相空间扩大,又未得到或充分得到槽车排出的气相的补充,储罐气相空间压力可能下降。当储罐气相空间压力下降到氮封阀开启压力,氮封阀打开,仍进行了氮气补充。甚或,对于大部分在役氮封阀质量不佳,或者安装不妥的情况下,储罐的呼吸阀就会启动吸气,外部空气进入储罐的气相空间。



当卸车时,液相从槽车流出,进入或泵入储罐。储罐液位上升,气相空间压力上升。往往尚未达到至少5kPa以上,可以克服管道压降(5-15kPa),向槽车补充气相,即已达到储罐自身呼吸阀的开启压力(1.35kPa),而触发储罐呼吸阀开启,储罐气相通过储罐呼吸阀排入废气回收处理管道,或者排入大气,基本无法通过气相连通管线补充到槽车。而另一边槽车的气相空间由于得不到储罐气的补充,随着槽车液位下降,气相空间压力下降。当达到槽车呼吸阀的吸入阀开启压力时,槽车呼吸阀的吸入阀会开启,吸入空气;仍旧回复到非气相平衡密闭装卸时空气与物料挥发物在槽车内不断混合,进而达到爆炸极限的隐患状态。


由于实际在役储罐、槽车、输运管道,以及各附件的性能参数、制作质量等更为复杂参差,密闭装卸中气相平衡非但基本上难以按照设想方式得以实现,甚或会带来巨大的安全隐患。


由此推想,气相平衡管线要克服管阻压降,实现各种工况下调节自如、理想的气相平衡,不能依靠储罐与槽车之间的压差。解决之道可能需要考虑采用风机增压。对于挥发性物料的气相应选用防爆型风机,配备防爆电机。此外,气相管线应配置氧含量检测仪,并设置阻火器(非稳态阻爆轰型)。这样的理想配置会造成整个气相平衡系统和储罐系统的复杂性和成本上升。


基于现实情况及系统安全的考虑,装车方在装车时一般仍会将槽车气相排出导入有风机抽吸的废气收集处理管线,作为废气处理;对物料泵出、液位下降的储罐仍以氮气进行补充。

而在卸车时,由于储罐气相往往不能有足够压力通过管道与槽车实现气相平衡,物料使用方(卸车方)也仍会直接选择采用氮气补充槽车气相空间。


随着VOCs治理的推进,越来越多储罐已采用内浮顶加浮顶上方氮气保护的措施,储罐气相空间的主要成份本身即以氮气比例为主(由于储罐内浮顶密封泄漏及物料在储罐内壁的挂壁物挥发,确实也可含有一定比例的危化品挥发物),以储罐气相还是直供氮气与槽车进行气相平衡,值得权衡。即:

    - 常压密闭装车 - 槽车气相回收

    - 常压密闭装车 - 储罐气相平衡

    - 常压密闭卸车 - 储罐气相平衡

    - 常压密闭卸车 - 氮气直补


采用前三种密闭装卸方式的,气相中仍含有危化品物料,其气相连接管路仍应尽量采用干式脱离阀进行连接。


采用直供氮气与槽车进行气相平衡的,直供的氮气压力不应达到槽车呼吸阀呼出开启的压力(6-8kPa) – 实际一般选定在4kPa – 而氮气供应一般要在0.4-0.6MPa甚至更高,需要选用减压比为100:1或以上的防爆调压阀/防爆氮封阀,才能确保经过减压的氮气有充足的流量补充槽车 – 按30m3槽车,一小时卸完进行匡算,降压后的氮气流量需要达到30-50立方/小时。

 




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