气囊式鹤管密封装置在某原油装车过程中的应用

近年来，随着国家政策、法律法规的调整和修改，特别是随着《环保法》、《大气污染防治法》等一系列法律法规的修订，排污企业肩负的责任越来越大，环境合规管理也成为企业在开展各项活动过程中需要重点关注的任务。同时碳达峰、碳中和工作已经列为我国2021年经济工作八项重点任务之一[1]，并纳入我国生态文明建设整体布局，生态文明建设和环境治理成为我国发展的重要战略目标，国家要实现2035年生态环境根本好转的目标，各级政府必将依照各项环保法规加强环境监管，政府执法力度将进一步加大。挥发性有机物（VOCs）已成为“十四五”城市空气质量考核新指标，依照生态环境部颁布的《关于加快解决当前挥发性有机物治理突出问题的通知》要求，国家对挥发性有机物（VOCs）的重视程度又上升了一个新台阶，各个地方和企业都在不断地加大对挥发性有机物（VOCs）的管控力度。特别是石化行业中对VOCs排放量影响较大的有机液体储存与调和过程中VOCs挥发损失、有机液体装载过程中VOCs挥发损失、废水集输、储存、处理处置过程中VOCs逸散、设备动静密封点泄漏造成的VOCs损失这四大源项的管控日趋严格。本文在这里重点讨论的是有机液体装载过程中VOCs挥发损失这一源项中的汽车装车过程气体收集控制措施。

挥发性有机液体装载过程中VOCs挥发是指物料在装载过程中，汽车、火车或船舶（包括轮船和驳船）内的挥发性有机物（VOCs）气体被装载物料置换时所产生的排放。根据物料运输和装载方式不同，可分为汽车装载过程、火车装载过程和船舶装载过程。无论采用哪种装载运输方式，装载过程中挥发性有机物（VOCs）气体收集控制的主要措施是密封装置，它决定着装车过程的密闭效果，更关系着油气回收系统或VOCs治理系统的运行效果。目前国内汽车装车发油过程气体收集控制的主要措施是鹤管密封装置，上装鹤管[2]主要有旋臂式和桁架式，下装鹤管主要是旋臂式；火车装车发油过程气体收集控制的主要措施是采用桁架式上装鹤管及密封装置，船舶装船过程中气体收集控制的主要措施是输气臂。

常用上装鹤管的密封形式有平面密封、锥形密封、专用密封、锁紧式密封和气囊式密封5大类。上装鹤管平面密封是利用自身重力压紧进行密封或利用气缸进行压紧密封，它的密封面是在罐车口凸缘，该密封型式的优点是结构简单，缺点是该密封型式会受到人孔盖铰轴等附件的阻碍而无法完全密封且密封不能随槽罐车沉降自动调节从而造成油气溢出。上装鹤管锥形密封也是利用自身重力压紧进行密封或利用气缸进行压紧密封，它的密封面是在罐车口内沿，该密封型式的优点是适用罐口的范围宽，并可以使用气缸辅助压紧，密封性较好，缺点是该密封型式的密封也不能随槽罐车沉降自动调节从而造成油气溢出。上装鹤管专用密封是根据罐口尺寸特定设计加工而成，压紧方式采用专用快开接头，该密封型式的优点是密封面密封性较好，缺点是罐口适用范围窄，需对汽车槽罐车口进行改造，投资较高。上装鹤管锁紧式密封是利用气缸锁舌机构进行压紧密封，密封面在罐车口凸缘，该密封装置能够随罐车自身高度变化调整，既保证了高效的密封性能，又有效解决了罐车自身高度变化对密封面压紧力干扰的关键问题[3]，缺点是投资费用较高且罐口只能在一定范围内适用。上装鹤管气囊式密封是采用气囊充气膨胀进行压紧密封，密封面在罐车口内壁，该密封形式的优点是重量轻、密封效果好、使用方便且罐口适用范围较宽，缺点是气囊容易破损、老化，严重影响密封的使用寿命，后期维护成本偏高。

综上，各种上装鹤管密封形式都有一定的适应性和局限性，结合当前国内严峻的环保形势和越来越严格的减排要求，建议企业在进行选型时，可从物料特性、上装鹤管密封压紧方式、槽罐车罐口规格尺寸、密封性能、投资及维护成本等方面综合考虑择优选择。同时因鹤管设计并无统一标准，导致各厂家密封装置不能兼容，密封装置设备互换性底，这也是今后需要进一步解决和改进的方向[4]。

原油是一种具有特殊气味的黏稠性油状液体，是烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等多种液态烃的混合物，相对其他轻质油具有密度大、黏度高、凝固点高的特点，因此原油在管道输送或装车过程中需加热装车，对输送温度和装载温度要求较高。正是由于原油的这些特性，使得原油装车[5]不能像汽油、液化气等轻质油或液体化工品装车一样采用汽车底部装车鹤管及气相平衡技术来实现密闭装车，虽然采用汽车底部装车鹤管及气相平衡技术既可以有效地回收挥发性有机物，又可以保证装车安全，但该技术对像类似原油这种物质特性的装车过程挥发VOCs气体收集却不太适用。这一类主要有原油、沥青等重质油以及液体硫磺等，因此针对这一类的化工品的收集密闭方式还有待进一步的研究。同时，因不同企业所采用的罐车型号不同，罐车车口尺寸不统一，罐车口上的附件设施（如单呼阀、人孔盖铰轴等）位置设置不规则，导致实现原油密闭装车对鹤管密封选型要求较高。

某企业原有29个原油装车鹤位，装载方式为上装浸没式汽车装车，装载原油时采用的社会车辆罐车型号不统一，罐车口尺寸不一致，鹤管密封形式为锥形密封，密闭性不好且没有油气收集回路，挥发性有机物（VOCs）直排大气，现场气味较大且不符合环保要求。该企业在2019年对原油装车鹤管进行升级改造并增加治理设施[6]，主要治理思路是通过对原油装车鹤管进行改造，采用气囊式鹤管密封装置保证原油装车时能够密闭收集挥发出的气体，通过收集管道将气体引至治理设备进行处理达标排放[7]，其中治理设备主要工艺为冷凝吸附工艺[8]和催化氧化工艺[9]，通过两级组合治理工艺来实现对挥发性有机物（VOCs）的治理。

装车时密封气囊通过氮气进行充气，气囊逐渐涨开并最终将罐车口紧密包裹，密封面较好的贴合在罐车帽口内壁实现密闭装车[10]，极大的降低现场挥发性有机物排放，并有效地确保挥发性有机物（VOCs）的收集，进而为后段VOCs治理提供稳定气源保障。

改造之前，采用挥发性有毒气体检测仪（TVA2020C）设备在锥型密封的罐车口进行挥发性有机物（VOCs）泄漏检测，因泄漏量较大导致挥发性有毒气体检测仪（TVA2020C）经常爆表，无法正常测出实际数据。经采用气袋取样后送入实验室进行分析，测得平均浓度约为3.815×105 mg·m-3。改造后，采用挥发性有毒气体检测仪（TVA2020C）设备对气囊式密封操车口进行检测，泄漏检测值均不高于500μmol·mol-1，满足《石油炼制企业污染物排放标准》（GB 31570—2015）及《石油化学企业污染物排放标准》（GB 31571—2015）中关于泄漏的认定限值。该企业自使用气囊式密闭装车鹤管后，密封效果良好，现场油气浓度大大降低，极大地改善了现场工作环境，有效地解决了该厂鹤管装车过程中挥发性有机物气体逸散排放的问题。

对挥发性有机物（VOCs）治理装置进出口同时进行取样分析，测定非甲烷总烃浓度见表1。

由检测结果可知：挥发性有机物（VOCs）进口质量浓度最大值为800 g·m-3，经挥发性有机物（VOCs）治理装置处理后，排放的气体中非甲烷烃类最大值为45.6 mg·m-3，低于《石油炼制企业污染物排放标准》（GB 31570—2015）要求的80 mg·m-3，治理效果明显。

依据《石化行业VOCs核算方法》关于有机液体装载挥发损失中VOCs产生量计算方式，该企业按原油年周转量为220 000 t·a-1，原油装载温度按40℃计，经核算，改造前有机液体装载挥发损失这一源项造成的VOCs气体排放量约为28.8 t·a-1，改造后有机液体装载挥发损失这一源项造成的VOCs气体排放量约为2.88 t·a-1，减排效果明显。

虽然气囊式鹤管密封装置在密封性能和罐口适用性方面有一定的优势，但气囊易老化、易破损的缺点也不容忽视[11]。该企业原油装车过程中气囊磨损较高，经分析主要原因如下:

1)气囊材质为导静电丁腈橡胶，在高温下长期工作容易老化。该企业装车时原油装车温度约为50℃左右，气囊在此温度下长期受热，会造成橡胶老化，承压能力降低，缩短气囊使用寿命。

2)汽车车口颈高较小，基本在20 mm左右，使气囊无法充分利用膨胀，易造成过度膨胀脱离限位筒。

3)现场存在操作不规范现象，操作不当会使气囊受到严重损伤甚至损。

为提高气囊的使用寿命，可以从以下几个方面进行改进：

1)对气囊材料进行改良，选用耐油性、耐曲挠性、耐热老化性、耐臭氧性的氯醇胶提高气囊的高温使用寿命。

2)在满足工艺要求的情况下尽量降低原油的装车温度，使气囊的工作温度降低，提高气囊的使用寿命。

3)制作安装支腿加高件，加高支撑腿高度50 mm，使气囊膨胀最大处接近罐车颈高处，充分利用膨胀，避免过度膨胀脱离支撑筒。

4)控制装车速度，防止气囊过度憋压涨破气囊。

5)规范操作，操作人员严格按操作规程操作鹤管及密封装置，及时调整气囊供气压力，避免因操作不当损坏气囊。

通过上述改进，在后续实际使用过程中，气囊破损率高这一现象有较大的改善。

气囊式鹤管密封装置能够达到良好的密封效果，该密封装置对于上装汽车罐车罐口适应能力强，同时克服了装车过程中鹤管受外力或震动、罐车沉降等情况对密封装置的影响。原油装车过程挥发性有机物气体收集的关键是选择鹤管密封型式，保证原油装车过程中的密闭性将成为各企业考虑的首要条件。作为企业应加强对罐车的管理，建议采用统一规格型号罐车，从而帮助企业做出更好的选择；作为设备生产厂家和科研人员，可以从鹤管密封装置兼容性、互换性方向进行改进和优化。各企业应结合自身情况综合考虑，真正做到密闭装车，高效收集原油装车过程中挥发性有机物气体。