氮封系統工藝設計分析與比較

余婷, 廉雅斌

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

本文將對氮封系統對不同介質的工藝運用作出相關討論， 為從事相關工作人員提供一定的參考借鑒。

1 常壓低壓儲罐氮封系統

現有技術的儲罐氮封工藝是在每個儲罐頂部設置一個氮封系統， 氮封管線上均有氮封閥、限流孔板、止回閥等，造成管線附件投資增加[1]。而且每個氮封儲罐排放的氮封尾氣沒有充分利用且用量不均，罐區初建時考慮的是氮氣最大運用量，這樣造成氮氣浪費，系統運行能耗增加。 這種投資高利用率低的氮封工藝不僅安裝麻煩，管理維護也不方便，壓力變送器測量誤差或氮封閥調節閥故障往往造成大量氮氣進入儲罐，并呼出大量油氣，或者氮封閥不能及時補氮氣，而造成空氣由呼吸閥吸入儲罐影響液體品質，而這些故障往往不易發現[2]。

另外，油品的存儲由于“大小呼吸”導致油氣損失巨大， 導致氮封尾氣主要是油氣和惰性氣體，為此需設置回收系統將油氣集中處理。 油氣回收是儲罐組各個油氣支路與油氣總管路連接，油氣經過油氣總線進入油氣回收裝置。 但是，若將所有儲罐通過管路連接，一旦有一個儲罐發生火災等意外事故， 將會波及整個系統內所有儲罐，造成難以想象的災難。 因此，在對儲罐油氣集中回收處理時，氮封系統的設置必須要確保儲罐系統的安全。

為解決上述問題，改進的氮封系統技術方案是這樣的： 各油氣支線由罐頂呼吸閥前引出，在各油氣支線上分別設有阻火器和切斷閥，在單個儲罐出現故障，需要與氮氣總線和氮封尾氣排放系統切斷時，關閉切斷閥。 將氮封閥移到氮氣主管，氮封閥之后的氮氣主管和支管即作為儲罐氮封尾氣排放管線和油氣回收管線，總線氮封閥前設有壓力變送器、止回閥和限流孔板，止回閥可有效防止油氣逆流和可燃氣體倒竄到總管，限流孔板為流量控制元件，可有效防止流速過快導致儲罐超壓泄放。 總線開關閥后設有引風機，引風機連接油氣回收裝置，總線開關閥前有一根與油氣回收裝置連通的相連的排氣線，排氣線上設有開關閥，如圖1 所示。

圖1 改進常壓儲罐氮封工藝

各儲罐壓力與油氣支線和油氣總線形成的油氣系統的壓力隨各儲罐進出物料以及氣溫氣壓變化引起油氣體積增減而變化。

當油氣總線壓力大于補氮壓力時，油氣在各儲罐之間自平衡；或者總開關閥打開，多余油氣經引風機升壓，進入回收裝置；當油氣總線壓力進一步提高，油氣量超過油氣回收系統，或回收裝置出現故障，排氣開關閥打開，油氣經排氣線，油氣回收裝置和阻火器排空。 當油氣總線壓力再次提高，超出呼吸閥壓力，油氣經罐頂呼吸閥呼出；此時油氣總線控制壓力順序為：補氮壓力＜回收壓力＜排氣壓力＜罐頂呼吸閥呼出壓力。 當油氣壓力降低，低于補氮壓力時，補氮閥打開，給油氣總線補入氮氣；當油氣總線進一步降低，低于呼吸閥壓力時，補氮閥繼續打開，同時空氣經罐頂呼吸閥吸入油氣系統。 此時油氣總線控制壓力順序為： 呼吸閥吸氣壓力＜補氮壓力＜回收壓力＜排氣壓力＜罐頂呼吸閥呼出壓力。

與每個儲罐設置獨立的氮封系統，各儲罐獨立呼吸不同，這套儲罐油氣回收系統及氮封工藝將整個罐組氣相系統連成一體，使各儲罐之間互相連通達到壓力平衡。 進入油氣回收裝置的油氣量不是各個儲罐排氣量之和，而是各個儲罐在油氣平衡后，多余油氣部分的排氣量，降低了罐區用氮量的不均衡性，單儲罐液位變化不會產生系統性的大幅補氮氣和排氮封尾氣的現象； 其次，整個罐組的補氮量不是各個儲罐補氮量之和，而是各個儲罐油氣平衡后，缺少部分油氣體積的補氮量，這樣氮氣消耗大量減少，節約氮氣在70%以上； 最后也不用在每個儲罐上都設置氮封系統， 只用在油氣總管上集中設置1 套或2 套氮封系統，空分裝置規模明顯縮小，預計空分裝置規?？煽s減30%以上。 這樣不但投資省，廠區運行成本降低，而且安裝維護方便，可靠性也更高。 每條油氣線上都有阻火器， 由于有阻火器的間隔，即使有一個儲罐發生火災，也不會迅速波及其他儲罐，造成事故蔓延，大大提高罐區的安全性。 防止儲罐發生燃燒爆炸事故， 另一種解決辦法：只要降低儲罐內氧氣含量即可。 儲罐內含氧量只要低于一定值就不會發生。 可以將氮氣與氧氣進入儲罐之前進行混合，制成氧含量在發生燃燒的最低值以下的低氧空氣。 低氧空氣在進入儲罐以后被進一步稀釋，這樣儲罐的氧含量一直處在必須氧含量以下，可以從根本上解決儲罐發生燃燒和爆炸的事故。 此外，由于系統設置多個排氣閥、氮封閥和壓力變送器，所有儲罐都配有呼吸閥等多重保護措施，因而儲罐發生超壓破壞和負壓吸癟的概率大大降低。

2 液硫儲罐氮氣密封裝置

液硫在常溫常壓下是黃色無味的固體，120℃可熔化成黃色液體。 液硫儲罐工作溫度在135～142℃，罐頂設有通氣孔、消防蒸汽口、液位計口。為防止液硫及硫蒸汽將儲罐設備及管嘴堵塞，罐壁和罐底及罐頂設加熱盤管， 儲罐外壁貼保溫層，加熱和保溫措施共同作用，能夠彌補設備與外部熱交換損失的熱量，確保了溫度在可控制的范圍內。 液硫中溶有一定量的硫化氫和多硫化氫， 在存儲過程中多硫化氫分解產生硫化氫，然后在氣相中富集，高溫液硫蒸汽、液硫中的H2S 在通氣孔空氣的進入下都可對金屬罐壁造成腐蝕，發生FeS 自燃。 雖然液硫儲罐在罐底、 罐中及罐頂設置了熱電偶溫度計， 用來檢測儲罐的溫度，用來判斷儲罐是否著火，但是當火焰只是小規模燃燒時， 測溫點短時間是不易檢測是否著火的。此外儲罐發生火災時，滅火方式是通入蒸汽將液硫與空氣隔離達到滅火目的。 但蒸汽冷凝水會使液硫凝固，還與液硫中的氫離子形成稀酸進一步腐蝕設備[3]。

徹底解決液硫儲罐著火的安全問題、管嘴堵塞及儲罐腐蝕問題， 液硫儲罐采用氮氣密封裝置。 在儲罐內用氮氣將液硫與空氣隔離，通過氮氣管線為液硫儲罐供氮氣，當儲罐壓力低于供氮閥時自動開啟供氮， 當儲罐高于氮封閥關閉供氮，同時增設一泄壓閥，液硫儲罐罐頂還增加一防爆板，確保儲罐安全。 液硫儲罐上方設置一蒸汽滅火口，泄氮口處連接除異味管道。 氮封閥自帶氮氣反吹掃功能，氮封閥的引壓管蒸汽伴熱至氮封閥前，確保氮封閥和引壓管不易堵塞。 罐頂的所有管口均設為蒸汽夾套管口， 包括呼吸閥、泄壓人孔等。 罐頂的液位計口、呼吸閥口、壓力變送口、氣相出口管嘴上充滿氮氣，形成氮氣墊層，這樣不易被硫晶體堵塞[4]。

3 順酐儲罐氮封裝置

順酐是一種廣泛用于合成樹脂、涂料、農藥、穩定劑等領域，是一種用量較大的有機原料。 它作為液體介質輸送具有密閉性好、無泄漏、安全環保、易實現自動連續控制等一系列優點。 順酐常溫下是白色顆粒狀固體， 當溫度高于52.8℃以后，開始轉為液態，故而順酐輸送多為液態夾套管運輸，沸點202.2℃，在較低溫度下60～80℃也能升華，粉塵和蒸汽有明顯刺激性，其蒸汽與空氣混合，可形成爆炸混合物。 順酐純度不高，通常含有雜質， 為防止順酐接觸空氣而變色影響品質，故要設置氮封[5]。

順酐儲罐通常為常壓儲罐，為防止順酐結晶導致管道堵塞，應設盤管伴熱，且用珍珠巖材料保溫。順酐儲罐設有進料管、氮氣管和呼吸閥。液酐進料管應插入儲罐底部，深度為5m 以上。 呼吸閥帶夾套并保溫，上面設有阻火器，可以防止外部火焰竄入儲罐和阻止火焰在設備內蔓延。 進料管上有一個開關閥，與儲罐的液位計共同調節液位。 氮氣管上設有氮封閥組與泄氮調壓閥組，兩個閥組共用一根管道測壓更靈敏， 節約氮氣用量。 儲罐上設置有壓力傳感器，能夠更靈敏的采集到儲罐內部的壓力值，以更好的控制裝置的穩定性。 壓力測量儀根據罐內壓力大小調節氮封閥及泄氮閥開度，從而控制氮氣的排放量。 當儲罐放料或溫度下降時，儲罐壓力變小，此時氮封閥開啟，繼續輸入氮氣至儲罐為微正壓狀態。 氮氣可以有效的對液體順酐起到液封作用，避免液體順酐從罐體的頂部和出料管泄露。 為防氮氣閥及泄氮閥故障及堵塞， 均設置一并聯管路并保溫。尾氣排放管路與儲罐壓力表連鎖，防止儲罐送料或溫升時儲罐的超壓狀態。 為防尾氣回流至氮氣管，氮封閥組管路增加一止回閥，止回閥需要保溫且管道等級與順酐管道相同。 為防止順酐凝固堵塞管道，方便停工檢修，順酐管道還設置吹掃管線。

綜上所述，氮封工藝的改進主要有：1）節省投資，比如充氮閥組移到泄氮閥組上，兩個閥組用同一個壓力傳送器，2）管道受壓線過長壓力測量不夠精確，采用聯鎖裝置。 3）符合尾氣排放標準，將泄氮閥組與油氣回收或處理裝置聯通。 4）將氮氣與空氣混合形成氧含量低于發生燃燒的低氧空氣，從根本上防止儲罐燃燒爆炸事故。 合理設定氮封系統中各閥的壓力來控制儲罐壓力，提高供氮閥、泄氮閥和緊急泄放閥的壓力精度仍是未來改善的方向。 氮封工藝是低沸點危險化學品固定儲罐的安全保障，其中泄氮閥和氮封閥是重要附件，呼吸閥一般不工作。 呼吸閥是在氮封閥和泄氮閥損壞或是在儲罐過高過低的情況下，對儲罐起安全保護作用。 隨著環保節能意識的提高，氮封工藝會越來越廣泛的應用在石化企業中。 合理運用氮封技術， 對油品儲運系統的節能降耗、環境保護、生產安全有著重大的意義。

1）裝置生產穩定性提高，降低大小呼吸損耗，提高經濟效益，有效抑制油品蒸發，可以給企業帶來可觀的經濟效益。

2）保護環境，有效減少操作空間有毒有害的油蒸汽，維護職工身心健康。

3） 消除了安全隱患。 儲罐經過氮封改造后，儲罐內沒有了氧氣，油氣空間濃度降低。 從而避免了硫化亞鐵等硫化物的產生，消除了儲罐發生火災爆炸的安全隱患。