摘要：以炼化污水场废气处理系统为研究对象，对标准化的设计范围进行了初步界定，并从设计规模系列化、工艺流程通用化、工艺单元模块化、平面布局流程化、工艺设备定型化、管材选择统一化、三维协同设计和设计文档模板化等八个方面对标准化的设计思路进行了初步分析和讨论，最后提出了下一步主要工作和建议。
关键词：炼化污水场；废气处理系统；标准化设计；三维协同设计
引言
炼化污水在处理过程中普遍存在直接接触大气、恶臭气体和 VOCs 逸散至大气的情况。散发的恶臭污染物有氨、硫化氢、二硫化碳、甲硫醚和甲硫醇等，散发的 VOCs 主要有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等苯系物。《石油炼制工业污染物排放标准》 和 《石油化学工业污染物排放标准》 对废水处理过程中产生的苯、甲苯、二甲苯和非甲烷总烃等指标提出了明确要求。
一、标准化的设计范围
炼化污水场废气处理系统根据废气浓度选择相应的工艺单元组合，经处理后的废气应达到排放要求。标准化的设计内容是将废气处理系统处理规模划分多个系列，每个系列按功能划分为工艺单元模块，每个工艺单元模块配置自控、电气、土建、设备、防腐等辅助专业，各专业按照统一的设计规定、技术要求和模板编制设计文件，相对固化工艺单元设备选型原则要求，具体项目设计时，根据实际需要选用不同的工艺单元模块和规格不同的设备进行组合，并根据个性化要求完善设计。以环境工艺专业为例，其标准化设计范围如图1所示。
图1
二、标准化的设计要点
2.1设计规模系列化废气主要来源于污水处理场隔油、气浮、调节、生化处理及污油污泥处理设施。其中，隔油、气浮、污泥池、污油池的废气量，可根据构筑物上方的气体空间与换气次数确定；生化处理反应池的换气量可根据鼓风量确定；调节罐、污泥储存罐和污油储存罐等钢制储罐的废气量，可按储罐呼吸通气量的规定执行。考虑废气量涉及多个参数，废气量计算差异性较大，且受运输条件限制，单个废气处理系统工艺单元模块规模不宜过大，根据实践经验，将设计规模按3 000、5 000 m3/h为模数进行分级系列化，其常用的设计规模见表1。
表1
2.2工艺流程通用化
目前污水场常用废气处理工艺主要有：碱洗法、离子法、臭氧氧化法、光催化氧化法、活性炭吸附法、燃烧法（催化燃烧法）和生物法。考虑炼化污水场逸散的废气具有气量较大、污水预处理段和生化处理段逸散废气浓度高低差异较大的特点。对于含高浓度VOCs废气，适合选用燃烧法（催化燃烧法）；对于低浓度废气，适合选用生物法，生物法具有投资省、运行费用低、处理效果好且无二次污染等优点，已成为广泛使用的一种废气处理技术。
依据设计规范，“非甲烷总烃质量浓度不低于3 000 m g/m3，可以采用催化燃烧法。通过前期大量的调研，催化燃烧法在国内炼化企业污水系统废气处理应用业绩较少，此外，对一些炼化企业污水处理场主要构筑物收集的废气进行检测，炼化污水预处理段构筑物混合气体的非甲烷总烃质量浓度在700 ~900 m g/m3，相对较高，而生化段的低浓度气体质量浓度小于200 mg/m3。为了提高高浓度废气VOCs浓度，可以通过降低换气次数，以减少废气量，提高VOCs浓度，但存在一定的安全风险，运行操作较为繁琐，会带来处理不稳定等问题。
针对污水场废气系统特点，废气处理系统采用“分区收集、分别处理”的思路，即以生化处理——曝气池废气为代表的低浓度废气直接去生物滴滤模块；以预处理——隔油池废气为代表的高浓度废气通过预处理模块处理后与低浓度废气混合去生物滴滤模块。废气处理工艺流程见图2。
图2
2.3 工艺单元模块化
根据图 2 所示流程，废气处理系统由 5 个单元模块组成，分别是预处理模块、生物滴滤模块、生物过滤模块、活性炭纤维吸附模块和排气筒模块。
（1）预处理模块主要的功能是将高浓度废气进行预处理，减少对微生物的影响，同时降低生物滴滤模块和生物过滤模块的处理压力，预处理之后的废气与低浓度废气无本质上的区别。常见的预处理模块有脱硫洗涤塔和预处理吸附塔，对于含有较高浓度硫化氢、有机硫等废气，可以采用碱洗脱硫洗涤塔；对于含有较高浓度VOCs 的废气，可以采用预处理吸附塔，吸附和再生可参照活性炭纤维吸附模块设置。
（2）生物滴滤模块主要的功能是作为第一级生物处理设施，利用微生物对废气中的污染物进行降解。经过预处理后的高浓度废气，与低浓度废气一同进入本模块，气体从模块底部进入，与经过循环喷淋的滴滤介质进行充分的接触，废气中的部分污染物被附着在滴滤介质上的特定微生物群所捕获，进而消化降解；另一部分污染物质随着喷淋沉降到塔底水池中，塔底水池中含有的大量丰富微生物对这部分污染物进行彻底的降解。经加湿处理后的气体从模块顶部排出。
（3）生物过滤模块主要的功能是作为第二级生物处理设施，利用微生物法对废气中残留的污染物进行降解。来自生物滴滤模块顶部的气体进入本模块，与定期加湿的生物过滤介质进行充分接触，气体中难溶性污染组分被介质及介质中微生物群拦截吸附并进一步降解，处理后的气体从模块顶部排出。
（4）活性炭纤维吸附模块主要的功能是安保，防止生物滴滤模块和生物过滤模块处理后废气浓度不满足国家排放标准。本模块包括吸附和再生两个子模块，当吸附子模块吸附饱和后，通过程序切换到再生子模块进行再生操作，再生过程中产生的冷凝液返回污水处理场进行处理，再生过程中产生的高浓度不凝气体定期送往炼化火炬系统进行安全处置。
（5）排气筒模块主要的功能是对处理后废气进行有组织的高空排放，并设置在线 CEMS 系统，提升废气污染源监控能力，确保废气污染物达标排放。
2.4 平面布局流程化
废气处理系统平面布局应满足工艺流程的要求，并结合风向、总排口位置、地形、防火安全距离等因素，按功能相对集中布置。
（1）考虑废气中含有 VOCs 成分，废气处理系统平面防火防爆分区按 DIIBT4 防爆区考虑。
（2）考虑废气中含有 H2S、有机硫醇等恶臭气体成分，废气处理系统宜布置在污水处理场最大频率风向的下风向，并远离非防爆区和不产生臭气相对洁净的污水处理区域（如回用水处理）。
（3）考虑废气量一般远大于废水处理量，废气管道较粗，运行过程中低点需要设置排凝，废气处理系统应布置在废气源附近，并紧邻气量大的废气源，减少管道长度及交叉量，减少漏点。
（4）预处理模块布置在生物滴滤模块之前，高浓度废气首先进预处理模块，经处理后与低浓度废气混合一起进生物滴滤模块。
（5）生物滴滤模块和生物过滤模块“肩并肩”布置，共用基础，减少占地和系统风压压损。
（6）活性炭纤维吸附模块作为安保措施，设置在生物滤池模块之后排气筒模块之前。
2.5 工艺设备定型化
废气处理系统主要工艺设备按模块分有：
（1）预处理模块。主要是洗涤塔模块或预处理吸附塔模块，洗涤塔模块包含洗涤塔（含喷淋）、塔底水池、油水分离器、循环泵和 p H 计等；预处理吸附塔模块包含活性炭纤维吸附塔、冷凝换热器、烘干换热器和在线温度计等，考虑预处理模块设备尺寸相对较小，不宜分散布置，在设计时采用统一成撬的型式。脱硫塔、塔底水池和油水分离器壳体需要考虑防腐，可采用玻璃钢或碳钢衬玻璃钢，活性炭吸附塔材质考虑 S30408，循环泵叶轮材质考虑氟塑料，脱硫塔、油水分离器和活性炭吸附塔的内件根据设计规模和系列选择。
（2）生物滴滤模块。由生物滴滤塔、塔底水池、循环水箱、循环泵、排污泵、p H 计等组成。其中生物滴滤塔和塔底水池分成两个子模块，分别设计和制造，运输到现场后上下组合安装；循环水箱和循环泵采用统一成撬的型式；生物滴滤塔的内件根据设计规模和系列选择，生物滴滤模块防腐要求与预处理模块相同。
（3）生物过滤模块。由生物过滤塔、塔底水池、循环水箱、循环泵、排污泵、p H 计等组成，其选型要求同生物滴滤模块。
（4）活性炭纤维吸附模块。包含活性炭纤维吸附塔、冷凝换热器、烘干换热器和在线温度计等，含吸附和再生两个子模块，在设计时采用统一成撬的型式，活性炭吸附塔材质考虑 S30408，活性炭吸附塔的内件根据设计规模和系列选择。
（5）排气筒模块。包含引风机、排气筒和CMES 系统等，引风机需考虑变频，其壳体和叶轮材质选用抗紫外线玻璃钢，并选用机油润滑冷却式轴承座；排气筒宜选用玻璃钢排气筒或碳钢衬玻璃钢排气筒；CMES 系统由仪表厂家成撬提供。
2.6 管材选择统一化
目前国内管材标准多，由于废气湿度较大，氧含量高，气液接触处腐蚀性强，管材应视现场和处理介质、管道安装方式、投资等情况选用合适的材质。
（1）为了便于采购、安装和运行维护，废气管道应考虑耐腐蚀、防日照紫外线老化、防静电材料。
（2）对于室内废气管道可考虑 UPVC 管，技术性能应符合 《给水用硬聚氯乙烯（PVC- U）管材》 有关规定。
（3）对于室外需要安装切断隔离阀门的废气管道可考虑使用不锈钢钢管，技术性能应符合《流体输送用不锈钢焊接钢管》 的有关规定。
（4）对于室外埋地的废气管道可考虑玻璃钢夹砂管，技术性能应符合《玻璃纤维增强塑料夹砂管》 有关规定。
（5）对于室外架空的废气管道可考虑玻璃钢风管，其玻璃钢树脂为液体不饱和聚酯树脂，应符合现行 《玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）用液体不饱和聚酯树脂》 有关规定，无碱无捻玻璃纤维纱应符合 《玻璃纤维无捻粗纱》有关规定，玻璃纤维布是无碱或中碱性材料，应符合现行《无碱玻璃纤维无捻粗纱布》 有关规定。
2.7 三维协同设计
利用 PDMS 软件，将统一技术措施具体量化，即建立统一的编码系统、标准的多专业元件库、参数化的设备库、统一的平面图和管段图出图库和标准模版库，通过数据驱动设计，实现工艺、配管、土建、电气和仪表等多专业多用户协同设计，根据不同的废气处理规模，模块之间的相对位置有所区别，形成不同规模的废气处理系统整体三维设计。
通过三维协同设计，利用三维的可视性，可以实现三维碰撞检查和数据一致性检查，便于识别碰撞或跳等级错误，减少变更和返工量；自动抽取平面图、ISO 图、SPOOL 图等，便于现场施工和管理；自动抽取材料表和管架表等，确保材料编码及描述统一，材料数量统计精确，便于采购和材料管理。由于PDMS 三维数据可以导出 txt 格式文档，进行修改后再导入项目中，可以实现 Auto CAD 中的修改、复制、粘帖、镜像、矩阵等功能，为最大程度的复用提供了保证。
需要注意的是，三维协同标准化设计需要结合项目实际情况来调整，以图 3 某石化污水处理场EPC 项目厌氧池废气预处理三维设计为例，对具体设备布置、管口方位等要根据实际情况进行适应性调整。
图 3
2.8 设计文档模板化设计文档模板化是针对在设计工作中经常出现的设计说明书、工艺流程图、工艺单元说明、统一技术规定、技术规格书、设备数据表、管道等级规定、计算书等，在实践中不断修改完善后形成的相对固定的文档模板。相似项目设计时，设计文档模板可以作为文件编制的基础和范本，同时应根据具体项目、具体细节的不同作出个性化的调整和补充。
三、主要工作
（1）编制智能化 P&ID。通过 P&ID 与 PDMS三维协同设计联动，达到设计数据的统一管理和在各专业之间的顺畅流通，实现数据完整性和一致性，减少数据人工重复录入带来的工作量，提升设计质量并减少返工。
（2）增加三维设计能力。标准化设计要取得更大的效益，需要设计、制造、运输、施工等协同完成。开展标准化设计的基本前提是设计单位的三维设计能力。下一步要借助三维设计在设备基础标准化、设备参数化、建（构）筑物参数化、通道标准化、管道拆分点标准化、撬块拆分点标准化、仪表标准化和电气标准化等方面做进一步的工作，真正实现多专业协同设计。
结束语
推行标准化设计，是降本增效、提高设计质量和企业竞争力的重要途径之一，也是未来工程建设的发展方向。需要指出的是，标准化设计涉及多方面多专业协作，其本身是一个综合工程，应由小到大、由简单到复杂，逐步推进。建立标准化设计，需要在后续的实践中不断总结经验与教训，并持续优化和改进。本文以炼化污水场废气处理系统标准化设计为例进行了一些思考，希望借助标准化设计，能为废气处理系统运行、维护、改造等全寿命周期管理的自动化、数字化、可视化和智能化奠定基础。
参考文献：
[1]李红莉，魏子勇，高虹.石化污水处理场排放废气中有机污染的分析与评价[J].中国环境监测，2015.
[2] GB 50747 - 2012，石油化工污水处理设计规范[S].
论文作者:郭嘉豪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/14
标签：废气论文; 模块论文; 生物论文; 系统论文; 污水论文; 气筒论文; 气量论文; 《基层建设》2019年第9期论文;