石油化工企业是以石油或天然气为主要原料, 通过不同的生产工艺过程、加工方法, 生产各种石油产品、有机化工原料、化学纤维及化肥的企业[1, 2]。石油化工企业在生产过程中常涉及到有毒有害等物质, 当发生火灾、爆炸、物料泄漏等事故时将会对环境造成较大的负面影响, 尤其是地表水环境[1]。地表水环境风险应急设施是有效消除或降低石油化工企业的地表水环境风险的基础, 主要包括装置区围堰、罐区防火堤、事故污水收集池以及相关辅助设施, 在石油化工企业发生事故时及时截流并暂存事故污水, 杜绝地表水环境污染。本文主要对储存事故污水的事故池容积的设置进行探讨。
石油化工企业在事故状态下产生的事故污水包括可能外溢的事故废液、消防废水、事故期间雨水。
主要为石油化工企业在事故状态下可能外溢的危险化学溶剂等有毒有害物质及露天工艺管道事故排放的废水。
由于事故时消防用水均与其他泄漏的有机化学溶剂及各类污水混为一体, 消防用水将被严重污染, 如直接外排, 将会对环境造成污染, 故该类消防废水必须进行收集和有效处置。
由于发生事故的偶然性、不可预测性, 发生事故时有可能正处于降雨阶段, 故该期间内关键生产装置、危险化学品罐区等地方的雨水将受到污染。这部分雨水如直接外排将会对环境造成污染, 故必须进行收集和有效处置。
石油化工企业地表水环境风险防范措施的一个重要组成部分为事故污水收集池, 简称事故池。事故污水的收集主要是通过设置于厂区内的生产污水收集系统和雨水收集系统等进行收集, 并通过排水切换设施, 将事故状态下的事故废液、消防废水和事故期间雨水等事故污水收集至事故池中。
根据《水体污染防控紧急措施设计导则》[3, 4], 事故储存设施的总有效容积计算公式为:
式中:V1为收集系统范围内发生事故的1个罐组或1套装置的物料量, 储存相同物料的罐组按1个最大储罐计, 装置物料量按存留最大物料量的1台反应器或中间储罐计, 单位为m3; V2为发生事故的储罐或装置的消防用水量, 单位为m3, V2=ΣQ消t消 (Q消为发生事故的储罐或装置的同时使用的消防设施给水流量, 单位为m3/h; t消为消防设施对应的设计消防历时, 单位为h); V3为发生事故时可以转输到其他储存或处理设施的物料量, 单位为m3; (V1+V2-V3) max为对收集系统范围内不同罐组或装置分别计算(V1+V2-V3), 取其中最大值; V4为发生事故时仍必须进入该收集系统的生产废水量, 单位为m3; V5为发生事故时可能进入该收集系统的降雨量, 单位为m3; V5=10qF (q为降雨强度, 按平均日降雨量计, 单位为mm; q=qn/n, qn为年平均降雨量, 单位为mm, n为年平均降雨天数); F为必须进入事故废水收集系统的雨水汇水面积, 单位为m2。
四川省达州市宣汉县某天然气处理厂日处理天然气900×104 m3, 含三套天然气处理主体装置。该厂设置有一个事故污水池。该天然气处理厂的厂区面积为28.5 ha, 装置区面积为3.24 ha。根据《宣汉县志》可查得宣汉县年平均降水量为1213.5 mm, 年平均降雨天数为143天。
事故池设计容积根据式(1)进行计算, 各参数的计算过程及结果如下:
(1) V1:一套天然气处理装置内可能泄漏的物料量, 根据该厂设计文件提供的各种物料的密度、流率、平均相对分子质量和摩尔分率等基础参数计算其总和。
(2) V2:根据《石油天然气工程设计防火规范》[5] (GB50183-2004), 生产规模大于或等于100×104 m3/d的天然气净化厂、天然气处理厂和生产规模大于或等于400×104 m3/d的天然气脱硫站、脱水站定为三级站场。石油天然气生产装置区的消防用水量应根据油气、站场设计规模、火灾危险类别及固定消防设施的设置情况等综合考虑确定, 但不应小于《石油天然气工程设计防火规范》规定的三级场站的消防用水量45 L/s。该消防设施对应的设计消防历时按3 h计算。
(3) V3:本实例取0。
(4) V4:根据该厂的设计文件确定, 包括该厂工艺装置中的酸水、污水、贫液和半贫液的总和, 为700 m3。
(5) V5:根据该厂的雨水排放系统图可知雨水汇水面积为该厂的厂区面积28.5×104 m2。
由表 1的计算结果可看出, 该天然气处理厂的事故污水池设计有效容积为3684.5 m3。
事故池土建投资以800元/m3计算, 则根据表 1的计算结果, 该天然气处理厂事故污水池土建总投资为294.8万元。如何使事故污水池的容积既要满足事故状态下对各种事故污水的收集又要体现其经济合理?由上述计算过程可看出, 影响计算结果的主要因子为必须进入事故废水收集系统的雨水汇水面积。因此笔者提出以下改良措施:在该天然气处理厂厂区装置区周边设置围堰(高约20 cm), 并开挖截流沟, 截流沟与厂区雨水沟相交处设置截流阀, 可将进入装置区的初期雨水与进入厂区其他部分的初期雨水分开。当发生事故时, 将装置区的初期雨水经截流沟收集后通过厂区事故排水收集系统排入事故池暂存, 不外排; 厂区其他部分的初期雨水由于未与事故废水相混合, 可直接通过厂区雨水收集系统排出厂外。
在采取上述改良措施之后, 进入事故废水收集系统的雨水汇水面积将大大减少。再按式(1)进行计算, 计算结果见表 2 (其中F取该厂的装置区面积, 为3.24×104 m2:
由表 2的计算结果可看出, 该天然气处理厂的设计有效容积从3684.5 m3降至1541 m3, 其土建投资降低171.52万元(事故池土建投资以800元/m3计算), 大大降低了工程投资。
由表 2计算结果可知, 该天然气处理厂的设计有效容积为1541 m3, 考虑到事故期间雨水和消防污水产生量的不确定性, 可留有一定的富余库容, 则该厂的事故污水池设计容积可确定为2000 m3。2000 m3容积的事故池既满足该厂事故状态下对各种事故污水的收集又降低了工程投资。而根据该厂的最终设计文件可知, 该厂的事故污水池设计容积为2000 m3, 证明上述改良措施具经济可行性。
本实例仅适用于石油天然气工程方面(如天然气净化厂、天然气处理厂、天然气脱硫站和脱水站等)的事故池容积计算, 不适用于所有石油化工企业的事故池计算。
目前石油化工企业事故污水池容积的计算还存在以下问题:
(1) 事故期间雨水量的产生与降雨强度和历时有关, 实际产生量可能远远大于设计规范中规定的计算用量。
(2) 由于消防废水只是在消防时产生, 因而其水量与消防时实际用水量有关, 而消防实际用水量与火灾严重程度密切相关。当火灾处于初期或程度比较轻时, 消防实际用水量就小, 产生的消防污水也就少; 当火灾程度比较严重时, 消防实际用水量就大, 产生的消防污水也就多; 当火灾特别严重时, 企业内消防设施不能满足消防要求, 需要动用企业外部消防设施, 此时产生的消防污水就更多[6]。
(3) 当事故污水的实际产生量太大时, 事故污水就会溢出事故池, 流入雨水管道, 污染事故发生地周围的地下水、地表水环境等。但是如果单纯地将事故池容积增大, 势必又增加了土建投资。如何经济、合理地确定事故池的容积, 还有待于进一步探讨。
(1) 事故污水收集系统设计时可在各装置、罐区、泵区、软管交换站、装卸区等处设置切换阀门及管路, 将污水和初期雨水切换至污水系统, 将后期雨水切换至雨水收集系统或清下水系统[6], 从而减少事故期间产生的事故废水量, 可有效降低事故池土建投资。
(2) 发生事故时, 还可利用企业现有的污水系统、清下水系统和厂区内的低洼地、水景池等设施对事故污水进行收集, 但进入上述设施的事故污水最终必须送至污水处理系统, 不可外排。
(3) 在设计事故污水收集系统时企业应积极主动地与化工园区或城市污水处理厂协调或签订协议, 由化工园区或城市污水处理厂接纳部分事故污水, 以减轻企业负担[7]。
2010, Vol. 39 Issue (2): 168-170
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