氮封系统工艺设计分析与比较

余婷, 廉雅斌

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

本文将对氮封系统对不同介质的工艺运用作出相关讨论， 为从事相关工作人员提供一定的参考借鉴。

1 常压低压储罐氮封系统

现有技术的储罐氮封工艺是在每个储罐顶部设置一个氮封系统， 氮封管线上均有氮封阀、限流孔板、止回阀等，造成管线附件投资增加[1]。而且每个氮封储罐排放的氮封尾气没有充分利用且用量不均，罐区初建时考虑的是氮气最大运用量，这样造成氮气浪费，系统运行能耗增加。 这种投资高利用率低的氮封工艺不仅安装麻烦，管理维护也不方便，压力变送器测量误差或氮封阀调节阀故障往往造成大量氮气进入储罐，并呼出大量油气，或者氮封阀不能及时补氮气，而造成空气由呼吸阀吸入储罐影响液体品质，而这些故障往往不易发现[2]。

另外，油品的存储由于“大小呼吸”导致油气损失巨大， 导致氮封尾气主要是油气和惰性气体，为此需设置回收系统将油气集中处理。 油气回收是储罐组各个油气支路与油气总管路连接，油气经过油气总线进入油气回收装置。 但是，若将所有储罐通过管路连接，一旦有一个储罐发生火灾等意外事故， 将会波及整个系统内所有储罐，造成难以想象的灾难。 因此，在对储罐油气集中回收处理时，氮封系统的设置必须要确保储罐系统的安全。

为解决上述问题，改进的氮封系统技术方案是这样的： 各油气支线由罐顶呼吸阀前引出，在各油气支线上分别设有阻火器和切断阀，在单个储罐出现故障，需要与氮气总线和氮封尾气排放系统切断时，关闭切断阀。 将氮封阀移到氮气主管，氮封阀之后的氮气主管和支管即作为储罐氮封尾气排放管线和油气回收管线，总线氮封阀前设有压力变送器、止回阀和限流孔板，止回阀可有效防止油气逆流和可燃气体倒窜到总管，限流孔板为流量控制元件，可有效防止流速过快导致储罐超压泄放。 总线开关阀后设有引风机，引风机连接油气回收装置，总线开关阀前有一根与油气回收装置连通的相连的排气线，排气线上设有开关阀，如图1 所示。

图1 改进常压储罐氮封工艺

各储罐压力与油气支线和油气总线形成的油气系统的压力随各储罐进出物料以及气温气压变化引起油气体积增减而变化。

当油气总线压力大于补氮压力时，油气在各储罐之间自平衡；或者总开关阀打开，多余油气经引风机升压，进入回收装置；当油气总线压力进一步提高，油气量超过油气回收系统，或回收装置出现故障，排气开关阀打开，油气经排气线，油气回收装置和阻火器排空。 当油气总线压力再次提高，超出呼吸阀压力，油气经罐顶呼吸阀呼出；此时油气总线控制压力顺序为：补氮压力＜回收压力＜排气压力＜罐顶呼吸阀呼出压力。 当油气压力降低，低于补氮压力时，补氮阀打开，给油气总线补入氮气；当油气总线进一步降低，低于呼吸阀压力时，补氮阀继续打开，同时空气经罐顶呼吸阀吸入油气系统。 此时油气总线控制压力顺序为： 呼吸阀吸气压力＜补氮压力＜回收压力＜排气压力＜罐顶呼吸阀呼出压力。

与每个储罐设置独立的氮封系统，各储罐独立呼吸不同，这套储罐油气回收系统及氮封工艺将整个罐组气相系统连成一体，使各储罐之间互相连通达到压力平衡。 进入油气回收装置的油气量不是各个储罐排气量之和，而是各个储罐在油气平衡后，多余油气部分的排气量，降低了罐区用氮量的不均衡性，单储罐液位变化不会产生系统性的大幅补氮气和排氮封尾气的现象； 其次，整个罐组的补氮量不是各个储罐补氮量之和，而是各个储罐油气平衡后，缺少部分油气体积的补氮量，这样氮气消耗大量减少，节约氮气在70%以上； 最后也不用在每个储罐上都设置氮封系统， 只用在油气总管上集中设置1 套或2 套氮封系统，空分装置规模明显缩小，预计空分装置规模可缩减30%以上。 这样不但投资省，厂区运行成本降低，而且安装维护方便，可靠性也更高。 每条油气线上都有阻火器， 由于有阻火器的间隔，即使有一个储罐发生火灾，也不会迅速波及其他储罐，造成事故蔓延，大大提高罐区的安全性。 防止储罐发生燃烧爆炸事故， 另一种解决办法：只要降低储罐内氧气含量即可。 储罐内含氧量只要低于一定值就不会发生。 可以将氮气与氧气进入储罐之前进行混合，制成氧含量在发生燃烧的最低值以下的低氧空气。 低氧空气在进入储罐以后被进一步稀释，这样储罐的氧含量一直处在必须氧含量以下，可以从根本上解决储罐发生燃烧和爆炸的事故。 此外，由于系统设置多个排气阀、氮封阀和压力变送器，所有储罐都配有呼吸阀等多重保护措施，因而储罐发生超压破坏和负压吸瘪的概率大大降低。

2 液硫储罐氮气密封装置

液硫在常温常压下是黄色无味的固体，120℃可熔化成黄色液体。 液硫储罐工作温度在135～142℃，罐顶设有通气孔、消防蒸汽口、液位计口。为防止液硫及硫蒸汽将储罐设备及管嘴堵塞，罐壁和罐底及罐顶设加热盘管， 储罐外壁贴保温层，加热和保温措施共同作用，能够弥补设备与外部热交换损失的热量，确保了温度在可控制的范围内。 液硫中溶有一定量的硫化氢和多硫化氢， 在存储过程中多硫化氢分解产生硫化氢，然后在气相中富集，高温液硫蒸汽、液硫中的H2S 在通气孔空气的进入下都可对金属罐壁造成腐蚀，发生FeS 自燃。 虽然液硫储罐在罐底、 罐中及罐顶设置了热电偶温度计， 用来检测储罐的温度，用来判断储罐是否着火，但是当火焰只是小规模燃烧时， 测温点短时间是不易检测是否着火的。此外储罐发生火灾时，灭火方式是通入蒸汽将液硫与空气隔离达到灭火目的。 但蒸汽冷凝水会使液硫凝固，还与液硫中的氢离子形成稀酸进一步腐蚀设备[3]。

彻底解决液硫储罐着火的安全问题、管嘴堵塞及储罐腐蚀问题， 液硫储罐采用氮气密封装置。 在储罐内用氮气将液硫与空气隔离，通过氮气管线为液硫储罐供氮气，当储罐压力低于供氮阀时自动开启供氮， 当储罐高于氮封阀关闭供氮，同时增设一泄压阀，液硫储罐罐顶还增加一防爆板，确保储罐安全。 液硫储罐上方设置一蒸汽灭火口，泄氮口处连接除异味管道。 氮封阀自带氮气反吹扫功能，氮封阀的引压管蒸汽伴热至氮封阀前，确保氮封阀和引压管不易堵塞。 罐顶的所有管口均设为蒸汽夹套管口， 包括呼吸阀、泄压人孔等。 罐顶的液位计口、呼吸阀口、压力变送口、气相出口管嘴上充满氮气，形成氮气垫层，这样不易被硫晶体堵塞[4]。

3 顺酐储罐氮封装置

顺酐是一种广泛用于合成树脂、涂料、农药、稳定剂等领域，是一种用量较大的有机原料。 它作为液体介质输送具有密闭性好、无泄漏、安全环保、易实现自动连续控制等一系列优点。 顺酐常温下是白色颗粒状固体， 当温度高于52.8℃以后，开始转为液态，故而顺酐输送多为液态夹套管运输，沸点202.2℃，在较低温度下60～80℃也能升华，粉尘和蒸汽有明显刺激性，其蒸汽与空气混合，可形成爆炸混合物。 顺酐纯度不高，通常含有杂质， 为防止顺酐接触空气而变色影响品质，故要设置氮封[5]。

顺酐储罐通常为常压储罐，为防止顺酐结晶导致管道堵塞，应设盘管伴热，且用珍珠岩材料保温。顺酐储罐设有进料管、氮气管和呼吸阀。液酐进料管应插入储罐底部，深度为5m 以上。 呼吸阀带夹套并保温，上面设有阻火器，可以防止外部火焰窜入储罐和阻止火焰在设备内蔓延。 进料管上有一个开关阀，与储罐的液位计共同调节液位。 氮气管上设有氮封阀组与泄氮调压阀组，两个阀组共用一根管道测压更灵敏， 节约氮气用量。 储罐上设置有压力传感器，能够更灵敏的采集到储罐内部的压力值，以更好的控制装置的稳定性。 压力测量仪根据罐内压力大小调节氮封阀及泄氮阀开度，从而控制氮气的排放量。 当储罐放料或温度下降时，储罐压力变小，此时氮封阀开启，继续输入氮气至储罐为微正压状态。 氮气可以有效的对液体顺酐起到液封作用，避免液体顺酐从罐体的顶部和出料管泄露。 为防氮气阀及泄氮阀故障及堵塞， 均设置一并联管路并保温。尾气排放管路与储罐压力表连锁，防止储罐送料或温升时储罐的超压状态。 为防尾气回流至氮气管，氮封阀组管路增加一止回阀，止回阀需要保温且管道等级与顺酐管道相同。 为防止顺酐凝固堵塞管道，方便停工检修，顺酐管道还设置吹扫管线。

综上所述，氮封工艺的改进主要有：1）节省投资，比如充氮阀组移到泄氮阀组上，两个阀组用同一个压力传送器，2）管道受压线过长压力测量不够精确，采用联锁装置。 3）符合尾气排放标准，将泄氮阀组与油气回收或处理装置联通。 4）将氮气与空气混合形成氧含量低于发生燃烧的低氧空气，从根本上防止储罐燃烧爆炸事故。 合理设定氮封系统中各阀的压力来控制储罐压力，提高供氮阀、泄氮阀和紧急泄放阀的压力精度仍是未来改善的方向。 氮封工艺是低沸点危险化学品固定储罐的安全保障，其中泄氮阀和氮封阀是重要附件，呼吸阀一般不工作。 呼吸阀是在氮封阀和泄氮阀损坏或是在储罐过高过低的情况下，对储罐起安全保护作用。 随着环保节能意识的提高，氮封工艺会越来越广泛的应用在石化企业中。 合理运用氮封技术， 对油品储运系统的节能降耗、环境保护、生产安全有着重大的意义。

1）装置生产稳定性提高，降低大小呼吸损耗，提高经济效益，有效抑制油品蒸发，可以给企业带来可观的经济效益。

2）保护环境，有效减少操作空间有毒有害的油蒸汽，维护职工身心健康。

3） 消除了安全隐患。 储罐经过氮封改造后，储罐内没有了氧气，油气空间浓度降低。 从而避免了硫化亚铁等硫化物的产生，消除了储罐发生火灾爆炸的安全隐患。