一、前言

我國正處于經濟建設大發展時期，工業化和城市化進程產生了大量危險廢物。據統計，2015年全國危險廢物產生量已超過4000萬噸，當年儲存量超過800萬噸。基于其危害性，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600多種，涉及行業亦近百種，重點行業20余項，種類繁雜，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，危廢處理廠的穩定運行面臨諸多挑戰。在科研領域，各高校和研究所主要聚焦于單一反應器的開發，或控制參數對溫度場和速度場影響等；在工程領域，研究熱點圍繞管理體系的完善，全廠總體設計等［6～8］。整體而言，關于回轉窯焚燒及相關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。

在危廢處理廠的工藝系統安全方面，廢液罐區起著重要作用。在本研究中，罐區系統針對危廢種類包括油水混合物、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了總處理對象的50%。危廢處理廠的很多安全風險和運營問題與罐區的工藝系統設計有關。然而，廢液常為混合物，物性復雜;罐區工藝系統設計無法照搬石油化工行業設計規范。本研究將依據危廢特點和運行需要，對廢液罐區的“氮封系統”和“安全泄放系統”等進行設計探討（危廢網訊公眾號：chinawaste）。

二、氮封系統

2.1設計依據

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

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。該流程無需外加能源，在無電無氣場合利用介質自身能量。供氮裝置和泄氮裝置的動作原理見圖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:介質由閥體上箭頭方向流經閥體，閥芯的位置即閥芯和閥座之間的截流面積決定了介質流量，同時P1經減壓器減壓進入指揮器B室作為驅動能源使用。系統停止時，閥門主閥關閉。受控的下游壓力(P2)經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，指揮器閥芯位移，使指揮器趨向關閉，相應PS壓力減小，調壓閥主閥趨向關閉。從而達到減壓、穩壓目的。相反當閥后壓力P2降低時，指揮器開啟度增大，相應PS壓力增大，調壓閥主閥趨向開啟度增大，從而達到減壓、穩壓目的（危廢網訊公眾號：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型。其原理如下:介質由閥體上箭頭方向流經閥體，閥芯的位置(閥芯和閥座之間的截流面積)決定了介質流量。受控的上游壓力(P1)進入檢測室，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，閥芯位移，使閥門趨向開啟，從而達到泄壓目的。與之相反，當閥前壓力P1降低時，調壓閥主閥趨向關閉，從而達到穩壓目的。

呼吸閥起安全作用，是在主閥失靈，導致罐內壓力過高或過低時工作。在正常情況下不工作;一般泄氮裝置的壓力設定點略大于供氮閥的壓力設定點，呼吸閥的呼氣壓力設定點略大于泄氮裝置的壓力設定點。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

危廢物料特點與石化行業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100方，進入罐體中的，均為混合物。具體描述見表1（公眾號危廢網訊：chinawaste）。

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

2.3工藝設計中的關鍵問題

2.3.1氮封壓力確定

危險廢物處理項目工程設計過程中，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，同時有反應熱控制較難。為控制危險廢液閃蒸氣體揮發造成的風險，氮封壓力設定值則顯著高于石油化工行業常規參數范圍。其設置思路可參考可燃介質儲罐(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，出于環保考慮，設置專門管線收集處理排出廢氣。排氣管線上的出口閥組處于常開狀態，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氮封壓力設定值時，排氣管線出口閥打開，通過排氣泄壓使氮封壓力維持在正常設定值;當泄壓管線或者供氮裝置異常，并引起操作壓力升高時，呼吸閥動作，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，因此無法安裝符合需要的呼吸閥。根據實際情況需要，可組合式設置事故泄放裝置來代替呼吸閥功能，保護罐體安全。氮氣進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

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

此設計與石化行業不同，運營方主要基于兩點考慮:一方面是對自力式調節閥性能標準要求較高，降低故障風險;另一方面危險廢物處理廠本身有其檢修周期，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，“氮封”和“安全泄放裝置”共同維持著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。上述均為傳統行業常用安全泄放系統設計標準，然而廢液罐物料混合過程反應復雜，動力學系數不確定性高;因此在工況分析和計算過程，需結合危廢廠實際情況處理。

在此類項目中，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，首先進行泄放工況分析，包括出口堵塞、外部火災、化學反應、閥門失效、以及其他各類事故工況。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，進行泄放閥的選型計算。根據危廢處理廠實際工藝系統，選取事故工況分析，具體過程見表2（公眾號：chinawaste）。

在表2中，標注(1)分析泄氮閥堵塞的情況，此時考慮泄放氮氣的最大進入量，泄放物質為氮氣;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(根據耐火層相關參數和泄放溫度計算);

H—泄放條件時的氣化熱，kJ/kg;

W—質量泄放量，kg/h。

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

關于化學反應超壓，此工況分析需明確動力學過程，并獲取相關過程參數。對于多數危險廢物處理廠，無法針對性計算此工況泄放量。對于廢液來源單一的物料，可在試驗獲取相關參數后計算。

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;再根據化學反應放熱的風險大小，并結合儲罐設備和管路系統設計防范措施的完善程度，經驗性放大泄放量。

根據泄放介質特性，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，查相關表格計算物料進出和熱效應引起的呼吸量;具體的計算分析過程，也可參考相關文獻描述。

根據SY/T0511.1，呼吸閥的開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，無法選型出適宜的呼吸閥，此時由破真空閥和安全閥組合來代替呼吸閥組。

在確定呼吸量基礎上，需結合具體呼吸閥樣品規格書，來確定呼吸閥進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管道輸送進入廠區臭氣處理系統集中處理。

四、結論

罐區是危廢綜合處理廠的關鍵單元，其氮封系統和安全泄放系統的設置對于危廢處理廠的穩定運行和安全環保具有重要意義。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，計算過程應基于危險廢液混合特點，氣化熱等參數是設計過程的關鍵點。

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的國內外標準，然而危廢廠有其自身特點，如更高的環保要求和更復雜的控制風險。因此，在工藝設計過程中，對各類標準應當甄別，提煉其計算內涵，并結合危廢特點選取和調整相關參數，形成適合于危險廢物處理廠的工程設計思路;從而有效規避運行中的風險，保障危險廢物處理過程的安全（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. 光大綠色環保管理 ( 深圳)  有限公司，深圳  518040; 2. 中國光大綠色環保有限公司，深圳  518040;3. 同濟大學環境科學與工程學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，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)