危废处理厂废液罐区“氮封系统” 和“安全泄放系统” 设计探讨
一、前言
我国正处于经济建设大发展时期，工业化和城市化进程产生了大量危险废物。据统计，2015年全国危险废物产生量已超过4000万吨，当年储存量超过800万吨。基于其危害性，国家和地方逐渐建立起严格的监管体系。我国《国家危险废物名录》规定的危废有49大类600多种，涉及行业亦近百种，重点行业20余项，种类繁杂，处理难度大。
当前各省市危废综合处理中心建设速度加快，由于危废的复杂性，危废处理厂的稳定运行面临诸多挑战。在科研领域，各高校和研究所主要聚焦于单一反应器的开发，或控制参数对温度场和速度场影响等；在工程领域，研究热点围绕管理体系的完善，全厂总体设计等［6～8］。整体而言，关于回转窑焚烧及相关烟气净化的工艺研究较多，而涉及配套设施和工艺系统安全的研究缺乏。
在危废处理厂的工艺系统安全方面，废液罐区起着重要作用。在本研究中，罐区系统针对危废种类包括油水混合物、烃水混合物(HW09)、废乳化液、废矿物油(HW08)、有机溶剂废物(HW06)、废有机溶剂(HW41)、废卤化有机溶剂(HW42)等。在江苏和上海一些化工园区的危废中心，液废处理量达到或超过了总处理对象的50%。危废处理厂的很多安全风险和运营问题与罐区的工艺系统设计有关。然而，废液常为混合物，物性复杂;罐区工艺系统设计无法照搬石油化工行业设计规范。本研究将依据危废特点和运行需要，对废液罐区的“氮封系统”和“安全泄放系统”等进行设计探讨（危废网讯公众号：chinawaste）。
二、氮封系统
2.1设计依据
氮封系统常用于石化行业，防止储罐内物料与外界空气接触而发生化学或生物反应。尤其针对低闪电点介质，有毒性易挥发组分，以及饱和蒸汽压较高的介质。
在传统设计中，氮封系统由氮封装置、呼吸阀等组成;根据工艺需要，氮封阀组可配限流孔板旁路。氮封装置由供氮装置(即带指挥器自力式压力调节阀)和泄氮装置(即自力式微压调节阀)两部分组成。该流程无需外加能源，在无电无气场合利用介质自身能量。供氮装置和泄氮装置的动作原理见图1和图2。
图1供氮装置示意图
P1:阀前压力;P2:阀后压力;Ps:执行机构驱动压力;A:指挥器检测室;B:指挥器B气室;C:上膜室
如图1所示，带指挥器自力式压力调节阀的供氮装置作用方式为压闭型。其原理如下:介质由阀体上箭头方向流经阀体，阀芯的位置即阀芯和阀座之间的截流面积决定了介质流量，同时P1经减压器减压进入指挥器B室作为驱动能源使用。系统停止时，阀门主阀关闭。受控的下游压力(P2)经导压管传送到指挥器检测室A，并在此转换成定位力。根据弹簧力大小，定位力调整指挥器阀芯位置。当阀后压力P2升高时，指挥器阀芯位移，使指挥器趋向关闭，相应PS压力减小，调压阀主阀趋向关闭。从而达到减压、稳压目的。相反当阀后压力P2降低时，指挥器开启度增大，相应PS压力增大，调压阀主阀趋向开启度增大，从而达到减压、稳压目的（危废网讯公众号：chinawaste）。
图2泄氮装置示意图
P1:阀前压力;P2:阀后压力;A:执行机构
在图2中，自力式微压调节阀的泄氮装置作用方式为压开型。其原理如下:介质由阀体上箭头方向流经阀体，阀芯的位置(阀芯和阀座之间的截流面积)决定了介质流量。受控的上游压力(P1)进入检测室，并在此转换成定位力。根据弹簧力大小，定位力调整阀芯位置。当阀前压力P1升高时，阀芯位移，使阀门趋向开启，从而达到泄压目的。与之相反，当阀前压力P1降低时，调压阀主阀趋向关闭，从而达到稳压目的。
呼吸阀起安全作用，是在主阀失灵，导致罐内压力过高或过低时工作。在正常情况下不工作;一般泄氮装置的压力设定点略大于供氮阀的压力设定点，呼吸阀的呼气压力设定点略大于泄氮装置的压力设定点。此设计可避免呼吸阀频繁工作，耗费氮气、影响设备使用寿命。
2.2危废罐区氮封系统特点
危废物料特点与石化行业储罐物料存在较大差异;两者的功能属性也不相同。在危废处理中心，废液罐体常超过100方，进入罐体中的，均为混合物。具体描述见表1（公众号危废网讯：chinawaste）。
基于上述分析，在危险废物处理厂废液罐区，主要特点是废液为混合物料;物性差异大，饱和蒸汽压值确定需分析各种工况。
2.3工艺设计中的关键问题
2.3.1氮封压力确定
危险废物处理项目工程设计过程中，应根据拟处理物料调研数据确定氮封压力。
若危险废液来源集中、物性稳定，并且不存在高饱和蒸气压物料，可根据《石油化工储运系统罐区设计规范》(SH/T3007－2014)来设置供氮压力。
若废液物性多样，存在高饱和蒸气压物料，同时有反应热控制较难。为控制危险废液闪蒸气体挥发造成的风险，氮封压力设定值则显著高于石油化工行业常规参数范围。其设置思路可参考可燃介质储罐(如乙酸乙酯)。
2.3.2系统配置方案
根据上述内容(氮封压力)分析，基于氮封压力值与常规石化储罐设定参数的对比，通常存在两种系统配置方案。
2.3.2.1低氮封压力系统
此种情况下，可根据《石油化工储运系统罐区设计规范》(SH/T3007)、《石油化工罐区自动化系统设计规范》(SH/T3184)等在罐顶设置供氮装置和呼吸阀。另外，出于环保考虑，设置专门管线收集处理排出废气。排气管线上的出口阀组处于常开状态，此功能代替3.1章节描述的泄氮装置，因此不设单独的泄氮装置。根据SH/T3007，氮封压力值设置在1～1.5kPa。当储罐操作压力超过氮封压力设定值时，排气管线出口阀打开，通过排气泄压使氮封压力维持在正常设定值;当泄压管线或者供氮装置异常，并引起操作压力升高时，呼吸阀动作，确保储罐安全。具体压力系统控制模式同2.1章节描述（公众号：chinawaste）。
2.3.2.2高氮封压力系统
此种工况，氮封设定压力通常在15～50kPa，因此无法安装符合需要的呼吸阀。根据实际情况需要，可组合式设置事故泄放装置来代替呼吸阀功能，保护罐体安全。氮气进出的控制及排气收集等设置同低氮封压力模式。
2.3.3其他
在危废类项目中，补氮系统通常未设置旁路，调节阀更换检修时，停止补氮;并停止罐区的正常运行。
此设计与石化行业不同，运营方主要基于两点考虑:一方面是对自力式调节阀性能标准要求较高，降低故障风险;另一方面危险废物处理厂本身有其检修周期，可将调节阀检修等纳入检修内容。
三、安全泄放系统
3.1设计依据
在危废处理厂，“氮封”和“安全泄放装置”共同维持着罐区的工艺系统安全。在前述内容已确定氮封压力的基础上，进一步探讨安全泄放系统设计;可参考的标准规范包括“炼油厂压力泄放装置的尺寸确定、选择和安装［APIRP520，521，576］”，“ASME锅炉及压力容器规范第VIII卷”，“石油储罐附件第1部分:呼吸阀［SY/T0511.1］”等。上述均为传统行业常用安全泄放系统设计标准，然而废液罐物料混合过程反应复杂，动力学系数不确定性高;因此在工况分析和计算过程，需结合危废厂实际情况处理。
在此类项目中，安全泄放系统主要包括紧急泄放装置(爆破片和安全阀)和呼吸阀组。
3.2紧急泄放系统设置
在设计紧急泄放系统时，首先进行泄放工况分析，包括出口堵塞、外部火灾、化学反应、阀门失效、以及其他各类事故工况。计算出各工况的泄放量，并比较选出最大值。再以此值为依据，进行泄放阀的选型计算。根据危废处理厂实际工艺系统，选取事故工况分析，具体过程见表2（公众号：chinawaste）。
在表2中，标注(1)分析泄氮阀堵塞的情况，此时考虑泄放氮气的最大进入量，泄放物质为氮气;标注(2)分析外部火灾情况超压，首先需利用工具计算出起跳压力下的泄放温度，然后根据如下公式进一步计算:
公式中，
A—容器湿润面积，m2;
F—容器外壁修正系数(根据耐火层相关参数和泄放温度计算);
H—泄放条件时的气化热，kJ/kg;
W—质量泄放量，kg/h。
根据上述公式及分析过程，气化热、湿润面积和容器外壁修正系数影响着泄放量计算。其中泄放工况的气化热是确定火灾工况泄放量的关键参数。因废液储罐无耐火材料，F值可取经验值0.7～1.0。
关于化学反应超压，此工况分析需明确动力学过程，并获取相关过程参数。对于多数危险废物处理厂，无法针对性计算此工况泄放量。对于废液来源单一的物料，可在试验获取相关参数后计算。
基于上述分析，可比较堵塞情况和外部火灾情况，并选取其中的较大值;再根据化学反应放热的风险大小，并结合储罐设备和管路系统设计防范措施的完善程度，经验性放大泄放量。
根据泄放介质特性，选择全启式安全阀或正拱型爆破片（公众号：chinawaste）。
3.3呼吸阀系统设置
根据API2000和SY/T0511.1，查相关表格计算物料进出和热效应引起的呼吸量;具体的计算分析过程，也可参考相关文献描述。
根据SY/T0511.1，呼吸阀的开启压力等级分为五级，如表3所示。
危废罐区涉及的呼吸阀常为D、E等级。在氮封压力较高时，无法选型出适宜的呼吸阀，此时由破真空阀和安全阀组合来代替呼吸阀组。
在确定呼吸量基础上，需结合具体呼吸阀样品规格书，来确定呼吸阀进出口管径以及连接法兰。
3.4泄放气体处理
呼吸阀泄放废气是经管道输送进入厂区臭气处理系统集中处理。
四、结论
罐区是危废综合处理厂的关键单元，其氮封系统和安全泄放系统的设置对于危废处理厂的稳定运行和安全环保具有重要意义。本文提出了危险废液罐区氮封系统和安全泄放
系统的设计思路和分析方法。氮封压力需基于废液物性调研检测报告确定，尤其对于高饱和蒸气压废料，不宜直接参照传统行业设计思路;安全泄放系统泄放工况应结合废液罐区整体设计具体分析，计算过程应基于危险废液混合特点，气化热等参数是设计过程的关键点。
危险废液罐区的工艺系统的设计方法可参考石油化工行业的国内外标准，然而危废厂有其自身特点，如更高的环保要求和更复杂的控制风险。因此，在工艺设计过程中，对各类标准应当甄别，提炼其计算内涵，并结合危废特点选取和调整相关参数，形成适合于危险废物处理厂的工程设计思路;从而有效规避运行中的风险，保障危险废物处理过程的安全（公众号：chinawaste）。
本文作者：李 强1，2 ，戴世金3 ，史育刚1，2 ，唐 武1，2 ，张汉威1，2 ，赵由才3 ，曹伟华4( 1. 光大绿色环保管理 ( 深圳) 有限公司，深圳 518040; 2. 中国光大绿色环保有限公司，深圳 518040;3. 同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092;4. 上海市政工程设计研究总院 ( 集团) 有限公司，上海 200092)