一、前言

我國正處于經(jīng)濟建設大發(fā)展時(shí)期，工業(yè)化和城市化進(jìn)程產(chǎn)生了大量危險廢物。據統計，2015年全國危險廢物產(chǎn)生量已超過(guò)4000萬(wàn)噸，當年儲存量超過(guò)800萬(wàn)噸?；谄湮：π?，國家和地方逐漸建立起嚴格的監管體系。我國《國家危險廢物名錄》規定的危廢有49大類(lèi)600多種，涉及行業(yè)亦近百種，重點(diǎn)行業(yè)20余項，種類(lèi)繁雜，處理難度大。

當前各省市危廢綜合處理中心建設速度加快，由于危廢的復雜性，危廢處理廠(chǎng)的穩定運行面臨諸多挑戰。在科研領(lǐng)域，各高校和研究所主要聚焦于單一反應器的開(kāi)發(fā)，或控制參數對溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)影響等；在工程領(lǐng)域，研究熱點(diǎn)圍繞管理體系的完善，全廠(chǎng)總體設計等［6～8］。整體而言，關(guān)于回轉窯焚燒及相關(guān)煙氣凈化的工藝研究較多，而涉及配套設施和工藝系統安全的研究缺乏。

在危廢處理廠(chǎng)的工藝系統安全方面，廢液罐區起著(zhù)重要作用。在本研究中，罐區系統針對危廢種類(lèi)包括油水混合物、烴水混合物(HW09)、廢乳化液、廢礦物油(HW08)、有機溶劑廢物(HW06)、廢有機溶劑(HW41)、廢鹵化有機溶劑(HW42)等。在江蘇和上海一些化工園區的危廢中心，液廢處理量達到或超過(guò)了總處理對象的50%。危廢處理廠(chǎng)的很多安全風(fēng)險和運營(yíng)問(wèn)題與罐區的工藝系統設計有關(guān)。然而，廢液常為混合物，物性復雜;罐區工藝系統設計無(wú)法照搬石油化工行業(yè)設計規范。本研究將依據危廢特點(diǎn)和運行需要，對廢液罐區的“氮封系統”和“安全泄放系統”等進(jìn)行設計探討（危廢網(wǎng)訊公眾號：chinawaste）。

二、氮封系統

2.1設計依據

氮封系統常用于石化行業(yè)，防止儲罐內物料與外界空氣接觸而發(fā)生化學(xué)或生物反應。尤其針對低閃電點(diǎn)介質(zhì)，有毒性易揮發(fā)組分，以及飽和蒸汽壓較高的介質(zhì)。

在傳統設計中，氮封系統由氮封裝置、呼吸閥等組成;根據工藝需要，氮封閥組可配限流孔板旁路。氮封裝置由供氮裝置(即帶指揮器自力式壓力調節閥)和泄氮裝置(即自力式微壓調節閥)兩部分組成。該流程無(wú)需外加能源，在無(wú)電無(wú)氣場(chǎng)合利用介質(zhì)自身能量。供氮裝置和泄氮裝置的動(dòng)作原理見(jiàn)圖1和圖2。

圖1供氮裝置示意圖

P1:閥前壓力;P2:閥后壓力;Ps:執行機構驅動(dòng)壓力;A:指揮器檢測室;B:指揮器B氣室;C:上膜室

如圖1所示，帶指揮器自力式壓力調節閥的供氮裝置作用方式為壓閉型。其原理如下:介質(zhì)由閥體上箭頭方向流經(jīng)閥體，閥芯的位置即閥芯和閥座之間的截流面積決定了介質(zhì)流量，同時(shí)P1經(jīng)減壓器減壓進(jìn)入指揮器B室作為驅動(dòng)能源使用。系統停止時(shí)，閥門(mén)主閥關(guān)閉。受控的下游壓力(P2)經(jīng)導壓管傳送到指揮器檢測室A，并在此轉換成定位力。根據彈簧力大小，定位力調整指揮器閥芯位置。當閥后壓力P2升高時(shí)，指揮器閥芯位移，使指揮器趨向關(guān)閉，相應PS壓力減小，調壓閥主閥趨向關(guān)閉。從而達到減壓、穩壓目的。相反當閥后壓力P2降低時(shí)，指揮器開(kāi)啟度增大，相應PS壓力增大，調壓閥主閥趨向開(kāi)啟度增大，從而達到減壓、穩壓目的（危廢網(wǎng)訊公眾號：chinawaste）。

圖2泄氮裝置示意圖

P1:閥前壓力;P2:閥后壓力;A:執行機構

在圖2中，自力式微壓調節閥的泄氮裝置作用方式為壓開(kāi)型。其原理如下:介質(zhì)由閥體上箭頭方向流經(jīng)閥體，閥芯的位置(閥芯和閥座之間的截流面積)決定了介質(zhì)流量。受控的上游壓力(P1)進(jìn)入檢測室，并在此轉換成定位力。根據彈簧力大小，定位力調整閥芯位置。當閥前壓力P1升高時(shí)，閥芯位移，使閥門(mén)趨向開(kāi)啟，從而達到泄壓目的。與之相反，當閥前壓力P1降低時(shí)，調壓閥主閥趨向關(guān)閉，從而達到穩壓目的。

呼吸閥起安全作用，是在主閥失靈，導致罐內壓力過(guò)高或過(guò)低時(shí)工作。在正常情況下不工作;一般泄氮裝置的壓力設定點(diǎn)略大于供氮閥的壓力設定點(diǎn)，呼吸閥的呼氣壓力設定點(diǎn)略大于泄氮裝置的壓力設定點(diǎn)。此設計可避免呼吸閥頻繁工作，耗費氮氣、影響設備使用壽命。

2.2危廢罐區氮封系統特點(diǎn)

危廢物料特點(diǎn)與石化行業(yè)儲罐物料存在較大差異;兩者的功能屬性也不相同。在危廢處理中心，廢液罐體常超過(guò)100方，進(jìn)入罐體中的，均為混合物。具體描述見(jiàn)表1（公眾號危廢網(wǎng)訊：chinawaste）。

基于上述分析，在危險廢物處理廠(chǎng)廢液罐區，主要特點(diǎn)是廢液為混合物料;物性差異大，飽和蒸汽壓值確定需分析各種工況。

2.3工藝設計中的關(guān)鍵問(wèn)題

2.3.1氮封壓力確定

危險廢物處理項目工程設計過(guò)程中，應根據擬處理物料調研數據確定氮封壓力。

若危險廢液來(lái)源集中、物性穩定，并且不存在高飽和蒸氣壓物料，可根據《石油化工儲運系統罐區設計規范》(SH/T3007－2014)來(lái)設置供氮壓力。

若廢液物性多樣，存在高飽和蒸氣壓物料，同時(shí)有反應熱控制較難。為控制危險廢液閃蒸氣體揮發(fā)造成的風(fēng)險，氮封壓力設定值則顯著(zhù)高于石油化工行業(yè)常規參數范圍。其設置思路可參考可燃介質(zhì)儲罐(如乙酸乙酯)。

2.3.2系統配置方案

根據上述內容(氮封壓力)分析，基于氮封壓力值與常規石化儲罐設定參數的對比，通常存在兩種系統配置方案。

2.3.2.1低氮封壓力系統

此種情況下，可根據《石油化工儲運系統罐區設計規范》(SH/T3007)、《石油化工罐區自動(dòng)化系統設計規范》(SH/T3184)等在罐頂設置供氮裝置和呼吸閥。另外，出于環(huán)?？紤]，設置專(zhuān)門(mén)管線(xiàn)收集處理排出廢氣。排氣管線(xiàn)上的出口閥組處于常開(kāi)狀態(tài)，此功能代替3.1章節描述的泄氮裝置，因此不設單獨的泄氮裝置。根據SH/T3007，氮封壓力值設置在1～1.5kPa。當儲罐操作壓力超過(guò)氮封壓力設定值時(shí)，排氣管線(xiàn)出口閥打開(kāi)，通過(guò)排氣泄壓使氮封壓力維持在正常設定值;當泄壓管線(xiàn)或者供氮裝置異常，并引起操作壓力升高時(shí)，呼吸閥動(dòng)作，確保儲罐安全。具體壓力系統控制模式同2.1章節描述（公眾號：chinawaste）。

2.3.2.2高氮封壓力系統

此種工況，氮封設定壓力通常在15～50kPa，因此無(wú)法安裝符合需要的呼吸閥。根據實(shí)際情況需要，可組合式設置事故泄放裝置來(lái)代替呼吸閥功能，保護罐體安全。氮氣進(jìn)出的控制及排氣收集等設置同低氮封壓力模式。

2.3.3其他

在危廢類(lèi)項目中，補氮系統通常未設置旁路，調節閥更換檢修時(shí)，停止補氮;并停止罐區的正常運行。

此設計與石化行業(yè)不同，運營(yíng)方主要基于兩點(diǎn)考慮:一方面是對自力式調節閥性能標準要求較高，降低故障風(fēng)險;另一方面危險廢物處理廠(chǎng)本身有其檢修周期，可將調節閥檢修等納入檢修內容。

三、安全泄放系統

3.1設計依據

在危廢處理廠(chǎng)，“氮封”和“安全泄放裝置”共同維持著(zhù)罐區的工藝系統安全。在前述內容已確定氮封壓力的基礎上，進(jìn)一步探討安全泄放系統設計;可參考的標準規范包括“煉油廠(chǎng)壓力泄放裝置的尺寸確定、選擇和安裝［APIRP520，521，576］”，“ASME鍋爐及壓力容器規范第VIII卷”，“石油儲罐附件第1部分:呼吸閥［SY/T0511.1］”等。上述均為傳統行業(yè)常用安全泄放系統設計標準，然而廢液罐物料混合過(guò)程反應復雜，動(dòng)力學(xué)系數不確定性高;因此在工況分析和計算過(guò)程，需結合危廢廠(chǎng)實(shí)際情況處理。

在此類(lèi)項目中，安全泄放系統主要包括緊急泄放裝置(爆破片和安全閥)和呼吸閥組。

3.2緊急泄放系統設置

在設計緊急泄放系統時(shí)，首先進(jìn)行泄放工況分析，包括出口堵塞、外部火災、化學(xué)反應、閥門(mén)失效、以及其他各類(lèi)事故工況。計算出各工況的泄放量，并比較選出最大值。再以此值為依據，進(jìn)行泄放閥的選型計算。根據危廢處理廠(chǎng)實(shí)際工藝系統，選取事故工況分析，具體過(guò)程見(jiàn)表2（公眾號：chinawaste）。

在表2中，標注(1)分析泄氮閥堵塞的情況，此時(shí)考慮泄放氮氣的最大進(jìn)入量，泄放物質(zhì)為氮氣;標注(2)分析外部火災情況超壓，首先需利用工具計算出起跳壓力下的泄放溫度，然后根據如下公式進(jìn)一步計算:

公式中，

A—容器濕潤面積，m2;

F—容器外壁修正系數(根據耐火層相關(guān)參數和泄放溫度計算);

H—泄放條件時(shí)的氣化熱，kJ/kg;

W—質(zhì)量泄放量，kg/h。

根據上述公式及分析過(guò)程，氣化熱、濕潤面積和容器外壁修正系數影響著(zhù)泄放量計算。其中泄放工況的氣化熱是確定火災工況泄放量的關(guān)鍵參數。因廢液儲罐無(wú)耐火材料，F值可取經(jīng)驗值0.7～1.0。

關(guān)于化學(xué)反應超壓，此工況分析需明確動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并獲取相關(guān)過(guò)程參數。對于多數危險廢物處理廠(chǎng)，無(wú)法針對性計算此工況泄放量。對于廢液來(lái)源單一的物料，可在試驗獲取相關(guān)參數后計算。

基于上述分析，可比較堵塞情況和外部火災情況，并選取其中的較大值;再根據化學(xué)反應放熱的風(fēng)險大小，并結合儲罐設備和管路系統設計防范措施的完善程度，經(jīng)驗性放大泄放量。

根據泄放介質(zhì)特性，選擇全啟式安全閥或正拱型爆破片（公眾號：chinawaste）。

3.3呼吸閥系統設置

根據API2000和SY/T0511.1，查相關(guān)表格計算物料進(jìn)出和熱效應引起的呼吸量;具體的計算分析過(guò)程，也可參考相關(guān)文獻描述。

根據SY/T0511.1，呼吸閥的開(kāi)啟壓力等級分為五級，如表3所示。

危廢罐區涉及的呼吸閥常為D、E等級。在氮封壓力較高時(shí)，無(wú)法選型出適宜的呼吸閥，此時(shí)由破真空閥和安全閥組合來(lái)代替呼吸閥組。

在確定呼吸量基礎上，需結合具體呼吸閥樣品規格書(shū)，來(lái)確定呼吸閥進(jìn)出口管徑以及連接法蘭。

3.4泄放氣體處理

呼吸閥泄放廢氣是經(jīng)管道輸送進(jìn)入廠(chǎng)區臭氣處理系統集中處理。

四、結論

罐區是危廢綜合處理廠(chǎng)的關(guān)鍵單元，其氮封系統和安全泄放系統的設置對于危廢處理廠(chǎng)的穩定運行和安全環(huán)保具有重要意義。本文提出了危險廢液罐區氮封系統和安全泄放

系統的設計思路和分析方法。氮封壓力需基于廢液物性調研檢測報告確定，尤其對于高飽和蒸氣壓廢料，不宜直接參照傳統行業(yè)設計思路;安全泄放系統泄放工況應結合廢液罐區整體設計具體分析，計算過(guò)程應基于危險廢液混合特點(diǎn)，氣化熱等參數是設計過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)。

危險廢液罐區的工藝系統的設計方法可參考石油化工行業(yè)的國內外標準，然而危廢廠(chǎng)有其自身特點(diǎn)，如更高的環(huán)保要求和更復雜的控制風(fēng)險。因此，在工藝設計過(guò)程中，對各類(lèi)標準應當甄別，提煉其計算內涵，并結合危廢特點(diǎn)選取和調整相關(guān)參數，形成適合于危險廢物處理廠(chǎng)的工程設計思路;從而有效規避運行中的風(fēng)險，保障危險廢物處理過(guò)程的安全（公眾號：chinawaste）。

本文作者：李 強1，2 ，戴世金3 ，史育剛1，2 ，唐 武1，2 ，張漢威1，2 ，趙由才3 ，曹偉華4( 1. 光大綠色環(huán)保管理 ( 深圳)  有限公司，深圳  518040; 2. 中國光大綠色環(huán)保有限公司，深圳  518040;3. 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200092;4. 上海市政工程設計研究總院 ( 集團)  有限公司，上海  200092)