内浮顶储罐VOCs综合治理和整改措施

张万福，冀世刚

(1.河北华飞工程设计有限公司海南分公司，海南 海口 570105；2.中国石化海南炼油化工有限公司，海南 儋州 578101)

0 引言

近年来环保设施因为各种原因导致的安全事故时有发生，比如罐顶气VOCs治理中，采用罐顶油气直接连接方式的储罐数量较多，虽然解决了排放超标问题，但由于这种方式对设计、安装质量，以及安全附件等要求较高，如考虑不周或管理不到位，存在事故扩大的重大风险。国家安监总局也提出储罐连通要经过安全论证后方可投用，原则上能不连通的尽量不连通，按照“内浮顶+密封”改造方式达到达标排放的要求。因此，储罐VOCs治理，不管是否采用密闭收集处理的方式，均需从工艺源头和储罐源头减排，控制油品损耗和VOCs排放[1]。

1 罐顶气密闭收集分析

1.1 安全隐患

罐顶气VOCs治理中，采用了罐顶油气密闭收集，虽然这种方式解决了排放超标问题，但由于储罐密闭后，罐顶气采用气相连通管路，将多个储罐连接起来，储存介质互相连通、储罐设计条件和结构变化等，对设计、安装质量，以及安全附件等要求较高，如考虑不周、管理不到位、设计不当，将会带来较大安全隐患。

(1)罐体沉降带来管线位移风险，主要是指储罐使用过程中会发生基础继续下沉的现象。此外，在地震烈度大于或等于7度、地质松软的情况下，储罐会发生相应的翘离效应，若储罐与附属管道是刚性连接，会加大储罐的损坏。

(2)事故状态下，如储罐发生内部闪爆，连通线发生位移导致的机械损坏。储罐罐顶与罐壁连接处一般作为薄弱环节(如采用弱顶结构)会撕裂，导致罐顶掀起而不破坏储罐罐壁，掀开的罐顶短时间内发生较大位移，容易造成罐顶气相连通管路的整体位移，从而对与之连通的相邻储罐罐顶安全性造成影响。

(3)缺少阻火设施。早期的储罐，为了减少挥发和收集气相组分，多采用罐顶直接连通，或连通线和水封罐的组合，这种连通方式，没有考虑到储罐事故状态下连通线隔断火焰传播的要求，储罐气相连通线未设阻火器或所设阻火器没有认证，导致储罐发生事故时事态扩大。

(4)罐体改造没有考虑泄压能力的风险。主要是罐体设计中泄压能力不足、设计“弱顶不弱”，或者在进行连通改造后，没有对储罐的承压计算，罐顶泄放量设计不足，罐体根部强度不够等，导致事故中罐体根部或者管壁破裂，事故扩大。

(5)未对储罐强度进行校核，尤其对于部分老罐，其强度降低，罐顶增设阻火器、切断阀、氮封阀组、紧急泄压阀等设备，对储罐本体和罐顶的强度影响较大。

(6)去明火设备的安全控制措施不完善：尾气进入加热炉、焚烧炉等明火设施，增大了燃爆风险；收集系统去瓦斯回收的风险等。

(7)增加储罐连通后氮封消耗较大。部分企业储罐的氮封耗量比较高，有的储罐月平均耗量达到50万Nm3以上。另外，已投用的罐顶气相连通系统，连通储罐没有设置单独、氮封耗量不能监控。

上述安全隐患，储罐密闭收集改造过程中均不同程度的存在，2017 年以前实施改造的项目，对储罐连通管线火焰传播带来的罐区爆炸风险认识不足，阻火设施达不到要求。2017年以后实施改造的储罐，储罐核算不重视，尤其是“弱顶不弱”带来的储罐整体位移、破裂风险等较高，另外，储罐气相支管道配管设计随意，存在管线拉扯导致的机械破坏风险等，需要重点防范。

1.2 整改措施

(1)密闭改造的储罐，设计压力不宜超过原储罐的设计压力。当需要提高设计压力时，应根据储罐罐壁、罐底和罐顶厚度实际检测结果，重新校核罐壁、罐顶和罐底的强度，严禁用原设计值代替实际检测数值进行核算。

(2)储罐实施密闭改造，应以储罐罐体不被提离为原则确定储罐的设计压力，并考虑储罐是否已由常压储罐变更为微内压储罐，根据储罐现场实测数据对罐内的举升力重新核算。当储罐内压产生的举升力不能满足设计要求时，需要在储罐底部增加锚固等措施。锚栓和锚固附件的相关设计要求具体可参照GB 50341附录A[2]等内容，防止事故状态下罐底拔起、罐壁破裂等事故隐患。储罐配置的紧急泄放人孔，不仅要考虑工艺泄放的需要，也要满足事故泄放的要求。

(3)在实施罐顶气相连通改造时，罐顶增设阻火器、切断阀、氮封阀组、紧急泄压阀等附属设施并需要罐顶支撑时，应尽量将这些附件分散布置，其支撑点尽量靠近罐壁设置。罐顶增加载荷对储罐本体和罐顶的强度影响较大，必须对储罐强度及罐顶承重能力重新校核，并根据校核结果采取适当的加固措施，加固后罐顶稳定性校核可采用有限元数值分析法。当罐顶载荷增加较多时，除了对罐顶进行校核外，还应校核罐壁稳定性。

(4)储罐 VOCs 治理的支管收集管线配管设计应合理，储罐的油气支管道应从罐顶沿罐壁敷设至储罐底部，与罐区的油气总管连接，保证油气支管道具有足够的柔性。储罐之间相连的油气收集或平衡支管道，如果采用罐顶部直接连接方式，存在事故状态下收集管线位移变化对相邻储罐造成机械破坏的风险，因此收集支管线应按照“步步低”从罐顶下到罐底的设计方式，严禁采用罐顶部直连的方式，防止事故时管线随罐体发生位移而导致机械破坏的风险，最大限度减少事故影响。这种设计方式在“气相平衡管连通方案”中比较常见，风险也最高。

(5)不同油气收集系统共用油气回收(处理)装置时，应避免系统之间的相互影响。储罐收集不应与污水提升及污水处理设施、工艺装置储罐及设备、酸性水罐等共用油气收集系统。

(6)根据GB 50074的规定，内浮顶储罐设置氮气密封保护并密闭回收处理罐内排出的气体，应控制储存温度低于液体闪点5 ℃及以下[3]等必要的安全保护措施。因此，建议降低储罐温度，夏季采用喷淋、增加隔热板或采用热反射隔热涂料[4]。

2 “内浮顶+密封”结构

依据GB/T50759规定[5]和生态环境部《关于加快解决当前挥发性有机物治理突出问题的通知》(环大气〔2021〕 65号)要求，为了减少油品储运过程中的油气损耗和消除安全隐患，应首先通过“内浮顶+密封”改造、维修的方式达到VOCs治理要求。因此，一种新型全接液结构类型内浮盘，由蜂巢式单元模块组装而成，覆盖于储罐油品表面、减少油品挥发损耗的内浮盘技术得以推广和应用，并且对内浮盘各附件针对性进行密封升级改造，达到消除安全隐患、降低VOCs排放量的目标。

2.1 损耗分析

内浮顶罐VOCs的排放主要包括边缘密封、浮盘附件、浮盘盘缝、挂壁损耗四个方面。边缘密封位于内浮盘与罐壁之间，可以防止内浮盘与罐壁摩擦，同时减少VOCs泄漏排放。自然风力和有机液体的真实蒸气压对边缘密封VOCs排放影响较大。内浮盘常见的开口附件(人孔、量油孔、液位计口等)都是VOCs排放源。内浮顶罐的非接触型内浮盘通常是螺栓连接或铆接存有缝隙，在内浮顶盖板的下部存在一定高度的油气空间，部分VOCs通过盘缝排放至内浮盘上方的气相空间。随着内浮盘的升降，部分液体会滞留在罐壁及内浮盘支撑柱上，造成挂壁损耗，直到罐体再次充满液体，暴露面再次被覆盖时，挂壁损耗才会停止。因此，只要将内浮盘以上四个方面的密封全面优化，才能提升VOCs治理效果。

2.2 优化措施

(1)依据GB 50160规定[6]，全接液高效浮盘采用不锈钢双盘式全接液内浮顶(无梁结构，含双密封)，全面接触储液，浮盘整体浸液面积率99.5%以上，消除了油气挥发空间，有效阻绝了油气挥发，油气挥发损失理论核算减少85%以上，实际检测减排95%以上，从源头抑制油品挥发散逸。

(2)依据SH/T 3024规定[7]，内浮盘密封采用大补偿弹性密封+二次舌型刮板密封[8]的双密封型式。密封整体材料应满足耐温、耐磨、耐腐蚀、阻燃、抗渗透、抗老化等性能要求[2]，并与罐壁贴合良好。周边弹性压力板密封能够最大限度的弥补-100～+350 mm(密封装置应能补偿±100 mm的环形间隙尺寸偏差[8])储罐内壁直径偏差，浸入液下100 mm以上[2]，且与罐壁压紧力不低于100 N/m3。

(3)全接液高效浮盘采用无主副梁结构设计，模块单元排列为品字形错位连接。模块单元内部设置蜂巢芯，蜂巢孔密度要求超过2 500个/m2，每个蜂巢孔之间形成相互独立空间，即使收到穿刺性破坏，液体也只能充满单个蜂巢孔的空间，不会流入其他蜂巢孔内，不影响内浮盘整体浮力，避免卡盘事故。模块单元采用全焊接工艺，进行气密检测，保证模块单元无任何泄漏点。浮箱为独立单元结构，任意两个浮箱泄漏或内浮顶浮力丧失15%后，内浮顶应仍能漂浮在液面上且不产生附加危害，浮箱整体为全焊接结构，焊缝采用自动焊，形成一个独立密封的浮力单元，浮箱应可拆卸更换。

(4)在边缘密封气相空间和内浮顶上方气相空间之间设置气相平衡设施，控制二者之间的压差低于设定值，保证内浮顶安全运行。在原负压消除装置基础上，加装楔形填充部件，同时增大负压消除装置的举升高度。正常开启时，气体可顺畅进出内浮盘上下空间；负压阀关闭时，阀体下落，下部填充物回落至油品液面以下，达到浸液密封效果，消除油气空间的存在。

(5)内浮盘盘缝之间的油气挥发损耗占比大。全接液模块化不锈钢双盘式内浮顶通过在模块之间加装耐油、耐腐蚀的密封垫片实现第一道密封；通过在相邻两模块上立边加装密封材料和不锈钢扣槽实现第二道、第三道密封。以上三道盘隙密封措施可大幅防止油气通过盘缝挥发散逸。

(6)伸缩囊套技术：针对立柱侧壁开孔情况，采用伸缩囊套将立柱整体包裹，伸缩囊套将储罐立柱隔绝。在内浮盘上下运动过程中，通过立柱开孔和立柱与内浮盘之间缝隙散逸的油气始终在伸缩囊套之中，不会逸散到内浮盘上方的空间。

(7)内浮盘采用不锈钢材质，免除了油品污染、喷砂、除锈、防腐以及后续补漆、焊缝开裂补焊等动火作业和减少清罐维护次数。同时，当发生火灾应急事故时，内浮盘模块所采用的非易熔不锈钢材质使得浮盘具备耐受高温达1 400 ℃以上，降低了安全隐患。

(8)内浮顶储罐加氮封，将内浮顶油罐透气孔(包含罐壁和罐顶)全部封闭，用氮气补充罐内气体空间。由于氮气比油蒸气轻，所以氮气浮在油蒸气上。当呼气时，呼出罐外的是氮气而不是油蒸气；当罐内压力降低时，氮气自动进罐补充气体空间，减少蒸发损耗，避免油品接触空气氧化。

3 结语

总之，常压储罐的选型和内浮顶安装质量等，是降低油品损耗的主要措施。因此，储罐VOCs综合治理，不管是否采用密闭收集处理的方式，均需做好储罐选型设计、确保内浮顶安装质量等，从源头控制油品损耗，降低VOCs排放。明确常压储罐VOCs治理安全环保基本原则，补充常压储罐密闭收集改造、内浮顶设计安装验收、常压储罐安全环保运行及检测等内容，以进一步规范常压储罐VOCs治理的安全风险防范工作，使石油、化工企业中储罐产品的安全、环保、节能实现一体化。