含硫污水储罐氮封及水封系统的分析与研究

含硫污水储罐氮封及水封系统的分析与研究

隋李涛

山东三维化学集团股份有限公司 255434

文章摘要：本文以某炼油厂焦化装置冷焦水罐为例，对含硫污水储罐的氮气密封系统、水密封系统进行了分析研究。对于氮气密封系统，分析了其典型工艺流程、氮气供气量的计算及自力式调节阀的工作原理等；对于水密封系统，分析了其典型工艺流程、正压水封罐及正负压水封罐的工作原理、设备结构等。通过分析研究，为实际生产中含硫污水储罐氮封及水封系统的设计提供借鉴和参考，有利于含硫污水储罐的安全运行，防止有毒有害气体排放到大气，减少环境污染。

关键词：含硫污水储罐；氮封；水封；自力式调节阀；水封罐

    石油化工企业的多个装置中均有含硫污水储罐，如焦化装置的冷焦水罐、加氢装置的含硫污水罐、硫磺回收装置的含硫污水罐、碱渣储罐等。该类储罐中通常含有一定量的硫化氢、氨及瓦斯气体，若排放到大气中，会对环境造成污染，对员工的身体健康造成危害，并形成安全隐患。为了保证设备的安全运行，防止有毒有害气体排放到大气，通常需要对含硫污水储罐设置氮气密封系统及水密封系统。

1 氮气密封系统

    常压储罐设置氮气密封系统，既能使储罐维持一定的微正压，防止负压情况的发生，又能防止空气进入储罐内引发火灾或爆炸，并防止罐内有毒气体排放到大气中污染环境。

1.1 氮封系统工艺流程

氮气密封系统即用氮气补充储罐内的气体空间，通常通过自力式压力调节阀自动补充氮气，工艺流程图如图1所示。生产过程中，当储罐向外排出液体或环境温度降低时，罐内压力降低，当压力降低至自力式调节阀设定值时，自力式调节阀自动开启，氮气进入储罐使储罐压力升高；当压力升高至自力式调节阀设定值时，自力式调节阀自动关闭，停止补充氮气。当自力式调节阀失效需检修时，可通过调节阀副线的截止阀手动补充氮气。为保证储罐保持一定的微正压，通常将自力式调节阀的开启压力设定为0.5kPaG。

图1 冷焦水罐氮封系统工艺流程图

1.2 氮气供气量的计算

储罐氮封系统的供气量应大于等于由于泵抽出储罐内储存的液体所需的补充气量与由于外界气温变化而引起的储罐内气体冷凝和收缩所需补充的气量之和[1]。具体计算如下：

（1）泵抽出储罐内储存的液体所需的补充气量等于泵的最大输出能力。

（2）因气温变化而引起储罐内气体冷凝和收缩所需补充的气量，在美国石油学会标准API2000《常压和低压储罐的放空》中规定为：对容积≥3180m3的储罐，补充气量与储罐外壳和罐顶的表面积有关，每平米罐外壳和罐顶表面积，每小时需补入0.6m3气封气；对容积＜3180m3的储罐，每立方米容积，每小时需补入0.178 m3气封气。表1列出了常用储罐因外界气温变化所需的供气量，当储罐容积与列表不一致时，可用内插法求取。

（3）将（1）（2）两项补充气量相加，即为储罐氮气密封系统的供气量，根据氮气压力、流速等参数即可确定氮封系统管道的管径。

表1 气温变化储罐氮封系统所需氮气量

1.3 自力式压力调节阀

储罐的氮封阀通常采用自力式压力调节阀，阀后取压，用于维持调节阀后（即储罐内）的压力恒定。为保证自力式调节阀所测压力的准确性，取压点应尽量靠近储罐。

自力式压力调节阀的工作原理是：当氮气流经调节阀阀座后，由设置在阀后的引压管将阀后压力传输到执行机构的上腔室内，阀后压力作用于腔体内的托盘上，与支撑托盘的弹簧形成作用力与反作用力，通过这两组力的相互作用，实现阀后压力的调节，即当阀后压力大于弹簧压力时，弹簧会带动执行机构推动阀芯向阀座的位置，由于阀芯与阀座之间流通面积的减小，氮气经过阀后压力降低，又促使腔内作用于托盘的压力降低，弹簧反作用力加强，直至阀后压力与弹簧反作用力达到一个平衡状态，从而维持了阀后压力的恒定。相反，当阀后压力减少时，弹簧的弹力会将阀芯与阀座之间的流通面积变大，进而提高阀后压力，进一步提升腔内压力，抑制弹簧作用力增大，实现自力式压力调节的功能[2]。

氮封系统采用自力式调节阀有以下优点：a、无需外加能源，能在无电、无气的场合工作，既方便，又节约能源，降低成本；b、供氮、泄氮压力设定方便，可在连续生产的条件下进行；c、压力检测膜片有效面积大，设定弹簧刚度小，动作灵敏，装置工作平稳；d、采用无填料设计，阀杆所受摩擦力小，反应迅速，控制精度高。

2 水密封系统

    含硫污水储罐中通常含有一定量的硫化氢、氨及瓦斯等气体，由于硫化氢、氨在水中的溶解度较高，为保护储罐安全并避免逸出的臭气污染环境，含硫污水罐顶部通常采用水封罐作为安全附件

[3]。

2.1 水封系统工艺流程

含硫污水储罐的水封系统工艺流程图如图2所示，储罐顶部设1台正压水封罐和1台正负压水封罐，储罐顶部气相线与正压水封罐和正负压水封罐联通，正压水封罐后接脱臭罐，正负压水封罐直接与大气相通，正压水封罐水封压力比正负压水封罐正压水封压力低。生产过程中，当含硫污水进入储罐导致罐内气相空间减少，或环境温度升高时，罐内气体压力升高，当压力高于正压水封罐水封压力时，罐内气体通过正压水封罐后进入脱臭罐，经脱臭罐脱除有害气体后排入大气。当发生极端状况导致罐内气体压力继续升高，超过正负压水封罐正压水封压力时，气体通过正负压水封罐后排入大气。当储罐向外排出液体或环境温度降低时，罐内气体压力降低，当压力低于正负压水封罐负压水封压力时，大气中的空气通过正负压水封罐进入储罐，防止储罐因负压导致设备变形。

图2 冷焦水罐水封系统工艺流程图

2.2 正压水封罐

正压水封罐的水封压力通常设为0.5kPaG（即50mm水柱），设备示意图如图3所示。水封水自进水口流入，自出水口流出，出水口高于气体入口底部50mm。当罐内气体压力高于0.5kPaG时，气体冲破水封，进入后续的脱臭罐，经脱臭罐脱除有害气体后排入大气。

图3 正压水封罐设备示意图

2.3 正负压水封罐

正负压水封罐的正压水封压力通常设为1.5kPaG（即150mm水柱），负压水封压力设为-0.5kPaG（即50mm水柱），设备示意图如图4所示。正负压水封罐被隔板分为上下两部分。水封水从上部的进水口流入，水封罐上部的液位逐渐升高，当液位高于连通管时，水封水由连通管上沿溢流至水封罐下部，随着水不断的溢流，水封罐下部的液位也逐渐升高，当液位超过挡水板高度后，水就会翻过挡水板自出水口流出，如此，在水封罐的上下各形成一个流动的水封。当罐内气体压力高于1.5kPaG时，气体冲破正压水封排入大气；当罐内气体压力低于-0.5kPaG时，罐外空气冲破负压水封进入罐内。

图4 正负压水封罐设备示意图

3 其它安全措施

含硫污水储罐除了设置氮封系统和水封系统外，为防止极端工况下罐内负压导致罐体变形，还可设置氮气紧急补充线等其它安全措施，流程图如图5所示。自氮气总管引出紧急补充线接至罐顶，管线上设联锁切断阀，罐顶及罐顶气相线分别设置远传压力表，当罐顶压力低于-0.1kPaG时，压力2取1联锁打开氮气紧急补充线上的切断阀向罐内补充氮气，并停罐底倒水泵。

图5 氮气紧急补充线工艺流程图

3 结语

    通过以上分析研究可知，含硫污水储罐通过设置氮封和水封系统，既能使储罐维持一定的微正压，保证储罐的安全运行，又能防止罐内有毒气体直接排入大气、污染环境，对石油化工装置有着非常重要的作用。

文献参考

[1]中国成达化学工程公司.HG/T20570.16-95 气封的设置[S].

[2]姜纪财.自力式调节阀的选择及应用[J].价值工程,2022,12:126-128.

[3]冷琴.浅析酸性水罐氮封系统设计[J].石油化工设计,2014,31(4):9-14.

作者简介：隋李涛，男，出生日期1986年11月，汉族，籍贯山东烟台，中国石油大学（华东）研究生学历，工程师，从事石油化工工艺及配管设计工作。