王子文，王文明

(1.中建安裝集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210046 2.中國(guó)石化江蘇鹽城石油分公司，江蘇鹽城 224005)

0 前言

加油站在油品接卸、加注、設(shè)備故障及檢修中，容易發(fā)生油品跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，對(duì)其清洗以及定期的油罐清洗和附設(shè)的車輛清洗會(huì)產(chǎn)生含油污水的排放。如果含油污水不經(jīng)處理或處理不當(dāng)發(fā)生超標(biāo)排放，不僅會(huì)對(duì)加油站附近水體及土壤產(chǎn)生影響，還可能存在火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)。因此，GB50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(2014年版，以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)第10.3.2條規(guī)定：排出站外的污水，應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；《中華人民共和國(guó)水污染防治法》第10條規(guī)定：排放水污染物，不得超過國(guó)家或者地方規(guī)定的水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和重點(diǎn)水污染物排放總量控制指標(biāo)；HJ1118—2020《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 儲(chǔ)油庫、加油站》及2021年3月1日施行的國(guó)令第736號(hào)《排污許可管理?xiàng)l例》陸續(xù)發(fā)布實(shí)施后，各級(jí)地方政府也相繼出臺(tái)了旨在實(shí)現(xiàn)藍(lán)天碧水工程的配套措施及地方標(biāo)準(zhǔn)，更是對(duì)違法者的相關(guān)法律責(zé)任作了嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)未取得排污許可排放污染物、超標(biāo)排放污染物等違法排污行為，加大了處罰力度，也由此對(duì)加油站環(huán)保經(jīng)營(yíng)提出了更高的要求。

雖然水封井和隔油池在石化煉制和儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)早就有著廣泛的應(yīng)用，且前者應(yīng)用于加油站從《規(guī)范》2002年版施行就已開始，后者則是中國(guó)石化根據(jù)國(guó)企的擔(dān)當(dāng)和HSE管理體系的提升，高于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)率先提出并應(yīng)用于加油站。但由于現(xiàn)有小型排水構(gòu)筑物中的隔油池，主要是從職工食堂、營(yíng)業(yè)性餐廳等對(duì)含油污水的隔離來考慮，不適宜直接應(yīng)用于加油站。加之現(xiàn)無專門研究文獻(xiàn)可供參考，目前一些加油站隔油池全憑設(shè)計(jì)人員理解自行設(shè)計(jì)，因此存在著較多功能性的問題。隨著生態(tài)環(huán)境要求的不斷提高，在《規(guī)范》再版修訂時(shí)，三級(jí)隔油池應(yīng)用作為強(qiáng)制條款添加將成為可能。為此，對(duì)加油站水封隔油裝置進(jìn)行深入研究，是優(yōu)化設(shè)計(jì)和正確選用水封隔油裝置，實(shí)現(xiàn)含油污水達(dá)標(biāo)排放的基本保證。

之前對(duì)加油站水封隔油裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，初步揭示了1%假設(shè)初始濃度下，入口含油污水在不同流速(0.1～0.75 m/s)對(duì)水封隔油裝置速度場(chǎng)及隔油效果的影響，當(dāng)流速為0.75 m/s時(shí)，水封井隔油能力已不能滿足最低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，大量油液從水封井出口流出，而三級(jí)隔油池仍能保持良好的隔油效果。且0.75 m/s流速，也正是前期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，散流狀態(tài)下裝置入口所能達(dá)到的最大(平均)流速。由于加油站含油污水濃度呈無規(guī)律的變化，本文采用商業(yè)數(shù)值模擬軟件ANSYS中的FLUENT17.0研究了0.75 m/s流速下含油污水不同初始濃度對(duì)水封隔油裝置隔油能力的影響，也由此得到了裝置入口含油污水的臨界濃度。綜合本文及之前研究結(jié)果，可對(duì)加油站水封隔油裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化和正確選用，提供更為全面的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 水封隔油裝置幾何模型

1.1 水封井

水封井是利用一定高度的靜水壓力抵抗排水管內(nèi)氣壓變化，防止廢水中產(chǎn)生的氣體發(fā)生爆炸或火災(zāi)時(shí)通過管道蔓延的重要安全裝置。為確保水封井本身的防滲性能，水封井宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)《規(guī)范》中水封井水封高度和沉泥段高度應(yīng)不小于0.25 m的規(guī)定，加油站通常采用的水封井幾何模型如圖1(a)所示。

1.2 三級(jí)隔油池

三級(jí)隔油池是利用物理方法，將含油污水中的浮油進(jìn)行三級(jí)連續(xù)隔離,并采用水封方式阻斷站內(nèi)外油氣傳播路徑，實(shí)現(xiàn)含油污水達(dá)標(biāo)排放的裝置。三級(jí)隔油池應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以確保本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防滲性能。參考現(xiàn)行國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)04S519《小型排水構(gòu)筑物》設(shè)計(jì)圖集中隔油池結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了適用于加油站的基礎(chǔ)型三級(jí)隔油池幾何模型如圖1(b)所示。

圖1 水封隔油裝置幾何模型

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1 控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：

ρ

(

φ

)——兩相混合密度，kg/m；

μ

(

φ

)——兩相混合動(dòng)力黏度，Pa·s；

P

——壓力，Pa；

v

——流體速度，m/s；

t

——時(shí)間，s；

F

——體積力，N。

VOF控制方程：

(3)

湍流模型采用standard

k

-

ε

模型，其湍流動(dòng)能

k

和耗散率

ε

的傳輸方程模型為：

(4)

(5)

其中：

(6)

(7)

式中：

ρ

——流體密度，kg/m；

u

、

u

——平均相對(duì)速度分量，m/s；

C

、

C

、

C

——常數(shù)項(xiàng)；

σ

、

σ

——

k

和

ε

的湍流普朗特?cái)?shù)；

μ

——湍流黏度，Pa·s。本模型取值如下：

C

=0.09、

C

=1.44、

C

=1.92、

σ

=1、

σ

=1.3。其中包含密度和黏度在內(nèi)的整體性質(zhì)是由兩種流體的體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均值確定。

2.2 網(wǎng)格劃分

為簡(jiǎn)化模型，將水封井和三級(jí)隔油池三維模型化簡(jiǎn)為二維模型，分別選用包含所有流動(dòng)通道的剖面作為計(jì)算模型。采用ICEM-CFD軟件對(duì)二維剖面模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.3 初始條件

設(shè)定模型處于滿流狀態(tài)，且無氣體存在。液體兩相分別為水和柴油，物性參數(shù)為常溫常壓下取值。水密度為1 000 kg/m，動(dòng)力黏度為1.003×10Pa·s，柴油密度為850 kg/m，動(dòng)力黏度為6.8×10Pa·s。計(jì)算采用直角坐標(biāo)系，X軸是流動(dòng)方向，重力沿Y軸負(fù)方向，重力加速度為-9.81 kg/s。在管道入口端設(shè)置質(zhì)量流量入口(mass-flow-inlet)為邊界條件，出口邊界條件采用outflow條件。選取VOF模型和Standard k-湍流模型進(jìn)行油水兩相二維瞬態(tài)模擬，采用壓力基和分離求解器。壁面條件采用無滑移邊界條件和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

以0.75 m/s作為裝置入口流速，將水封井初始濃度下探至0.1%～0.75%區(qū)間、三級(jí)隔油池初始濃度上延至3%～10%區(qū)間進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了減小網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響及提高模擬的效率，采用網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行篩選。選取網(wǎng)格數(shù)在1×10～2×10范圍內(nèi)的網(wǎng)格在相同初始條件和邊界條件下進(jìn)行模擬。對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)目對(duì)水封井和三級(jí)隔油池內(nèi)流速極值的影響，結(jié)果如圖3所示。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)水封井網(wǎng)格數(shù)目大于6×10時(shí)以及三級(jí)隔油池網(wǎng)格數(shù)目大于9×10時(shí)，速度極值受網(wǎng)格數(shù)目變化的影響較小。故水封井選用網(wǎng)格數(shù)目為6×10的網(wǎng)格，三級(jí)隔油池選用網(wǎng)格數(shù)目在1.1×10的網(wǎng)格，以同時(shí)確保計(jì)算高效率性和結(jié)果高精確性。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2.5 模型可行性驗(yàn)證

2.5.1 前期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

以場(chǎng)地散流方式向某加油站攔截式集水槽注水，期間持續(xù)保持其與三級(jí)隔油池連接管道(隔油池進(jìn)水管)的滿流狀態(tài)，經(jīng)一段時(shí)間后，采用單位時(shí)間注入體積的方法，計(jì)算出三級(jí)隔油池進(jìn)水管流速為0.76 m/s。

2.5.2 前期模型實(shí)驗(yàn)

按幾何模型制作一定比例水封井、三級(jí)隔油池及集水槽的實(shí)物模型如圖4所示。將集水槽與三級(jí)隔油池模型安裝連接后，采用與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)同樣的方法，測(cè)得散流狀態(tài)下進(jìn)水管流速為0.74 m/s，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的流速基本一致，表明模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的可靠度。

圖4 水封井與三級(jí)隔油池模型實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)果與討論

3.1 速度場(chǎng)變化規(guī)律

圖5為流動(dòng)300 s后不同初始濃度

a

下水封井內(nèi)部速度矢量圖。圖5表明，流體在水封井內(nèi)流動(dòng)時(shí)有固定流道，初始濃度越大其固定流道越完整。三通外壁間存在一個(gè)螺旋強(qiáng)度較大的渦流，水封井下方流場(chǎng)趨于穩(wěn)定。當(dāng)初始濃度

a

為0.1%和0.3%時(shí)，入口三通在水平方向轉(zhuǎn)豎直方向的流道轉(zhuǎn)彎處，內(nèi)側(cè)流場(chǎng)不連續(xù)流道存在斷裂，隨著初始濃度增大，三通上端油液回流現(xiàn)象造成流道截面變窄，從而促使流道逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾B續(xù)的流道。

圖5 不同初始濃度下水封井內(nèi)部速度矢量

圖6為流動(dòng)300 s后不同初始濃度

a

下三級(jí)隔油池內(nèi)部速度矢量圖，可以看出隨著初始濃度的增大，速度矢量的極大值也隨之增大。由于一級(jí)池內(nèi)流道一直處于斷裂狀態(tài)，其非完整性導(dǎo)致了大流速工況下油液進(jìn)入隔油池內(nèi)不會(huì)隨著主流道直接流出，而是受浮力作用向上浮動(dòng)。當(dāng)初始濃度為3%時(shí)，速度矢量極大值處于入口三通下端，隨著初始濃度的增加，速度矢量極值范圍沿一級(jí)池左側(cè)池壁下移。

圖6 不同初始濃度下三級(jí)隔油池內(nèi)部速度矢量

圖7為

v

=0.75 m/s、

a

=10%工況下流動(dòng)600 s不同時(shí)刻三級(jí)隔油池內(nèi)部速度矢量圖。當(dāng)

t

=150 s時(shí)，一級(jí)池內(nèi)左池壁與池底已開始形成流道。流動(dòng)至300 s時(shí)，一級(jí)池左池壁與池底的流道與二、三級(jí)池的主流道相連，并且二級(jí)池內(nèi)新流道開始沿左池壁處豎直向上方向形成。當(dāng)

t

=450 s時(shí)，二級(jí)池內(nèi)的流道已形成并隨著二級(jí)池內(nèi)聚集油液的油水界面下移。600 s時(shí)，二級(jí)池內(nèi)流道已下移至3個(gè)池間連通的通道處，并且三級(jí)池左池壁和池頂形成新流道。

圖7 v=0.7 m/s、a0=10%工況下不同時(shí)刻三級(jí)隔油池內(nèi)部速度矢量

3.2 隔油效果對(duì)比

由于含油污水排放有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)中又有不同排放級(jí)別，各地要求也不盡一致，故仍按照GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中石油類一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)最高允許排放濃度應(yīng)分別不大于5，10，20 mg/L的規(guī)定，選取通常環(huán)境位置加油站的三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，換算成柴油體積分?jǐn)?shù)為2×10，故在后處理時(shí)將柴油最大體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為2×10而不是1。

圖8為不同初始濃度

a

下流動(dòng)300 s后水封井內(nèi)部柴油體積分?jǐn)?shù)分布云圖。從圖中可以明顯看出，在0.75 m/s流速下，將初始濃度從先前研究的1%下探至0.1%，出口管段中仍有少量油液逃逸，而水封井內(nèi)部并未聚集過多油液，只在入口三通處呈第一階段油品隔離。隨著初始濃度的增加油相變多，水封井內(nèi)部油液增加，從出口管段中逃逸出去的油液也在增加。根據(jù)測(cè)算，初始濃度為0.1%工況下流動(dòng)300 s時(shí)，約有19.327 mg/L油液逃逸，已接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定20 mg/L的三級(jí)允許排放濃度。當(dāng)初始濃度分別增至0.3%，0.5%，0.75%時(shí)，300 s內(nèi)從出口逃逸出的油液量必然大于甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 mg/L。故可認(rèn)定在0.75 m/s流速下，水封井符合污水排放標(biāo)準(zhǔn)所能承受的臨界濃度為0.1%。

圖8 不同初始濃度下水封井內(nèi)部油相體積分?jǐn)?shù)分布

圖9為

v

=0.75 m/s、

a

=0.1%工況下流動(dòng)300 s不同時(shí)刻水封井油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，可以看出在

t

=100 s時(shí)，水封井出口管已有油液從出口逃逸，隔離效果已降低。隨著流動(dòng)時(shí)間的增加，油液從出口管段持續(xù)逃逸，也未在水封井內(nèi)部有過多聚集。因?yàn)樵茍D是水封井的2D剖面圖，實(shí)際三通體積跟水封井相比非常小，故水封井隔油效果應(yīng)以井內(nèi)效果為主。

圖9 v=0.75 m/s、a0=10%工況下不同時(shí)刻水封井油相體積分?jǐn)?shù)分布

由此可以看出，在較大流速工況下水封井的隔油效果局限性很大，0.75 m/s流速下能起效的臨界濃度僅為0.1%。而基于水封井基本結(jié)構(gòu)擴(kuò)展成的三級(jí)隔油池，能夠極大地提升隔油效果。

圖10為不同初始濃度下流動(dòng)300 s后三級(jí)隔油池內(nèi)部柴油體積分?jǐn)?shù)分布云圖，可以看出，隨著初始濃度的增大，油液含量的增多，三級(jí)隔油池仍能保持較好的隔油效果，從一級(jí)池逃逸出的油液可在二級(jí)、三級(jí)池內(nèi)上浮聚集得到隔離。經(jīng)測(cè)算，初始濃度為3%工況下流動(dòng)300 s時(shí)，約有1.49 mg/L油液逃逸；初始濃度為5%工況下流動(dòng)300 s時(shí)，約有1.283 mg/L油液逃逸；初始濃度為7.5%工況下流動(dòng)300 s時(shí)，約有0.967 mg/L油液逃逸；初始濃度為10%工況下流動(dòng)300 s時(shí)，約有0.622 mg/L油液逃逸。在各初始濃度下油液逃逸的量皆小于石油類污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的5 mg/L的要求，故可認(rèn)定0.75 m/s流速下、初始濃度在0～10%范圍內(nèi)，三級(jí)隔油池可滿足石油類污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖10 不同初始濃度下三級(jí)隔油池內(nèi)部油相體積分?jǐn)?shù)分布

上述研究發(fā)現(xiàn)，隨著初始濃度的增加，從出口段末端逃逸的油液不增反降，為研究這一現(xiàn)象原因，將原先流動(dòng)時(shí)間由300 s增加到三級(jí)隔油池功能完全失效為止。

圖11為

v

=0.75 m/s、

a

=10%工況下流動(dòng)至功能失效時(shí)，不同時(shí)刻三級(jí)隔油池油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖?？梢钥闯?，油液有3個(gè)時(shí)間段可從出口末端逃逸，分別為：①油液從入口三通進(jìn)入一級(jí)池至油液布滿一級(jí)池池頂且油液界面初到水平狀態(tài)時(shí)；②油液從一級(jí)池進(jìn)入二級(jí)池至油液布滿二級(jí)池池頂且油液界面初到水平狀態(tài)時(shí)；③油液從二級(jí)池進(jìn)入三級(jí)池至油液布滿三級(jí)池池頂且油液界面初到水平狀態(tài)時(shí)。故可推斷初始濃度的增加使油液布滿下一池頂?shù)臅r(shí)間縮短，從而減少油液可逃逸的時(shí)間段。但在初始濃度低于3%時(shí)，油液逃逸量會(huì)隨著初始濃度的增大而增加，體現(xiàn)為初始濃度1%時(shí)油液逃逸量為0.93 mg/L，3%時(shí)增至1.49 mg/L。并經(jīng)測(cè)算可知，流動(dòng)600 s時(shí)出口段逃逸出的油液為4.675 mg/L，較300 s時(shí)的0.622 mg/L有著數(shù)倍的增長(zhǎng)，這是由于一、二級(jí)池內(nèi)油液已滿，油液開始進(jìn)入三級(jí)池內(nèi)，此時(shí)三級(jí)池的隔油效果已等同于水封井，隔油效果顯著降低，說明三級(jí)隔油池的隔油效果主要體現(xiàn)在一、二級(jí)。當(dāng)流動(dòng)時(shí)間增至700 s時(shí)，三級(jí)池內(nèi)油液高度達(dá)到出口三通浸入液面(水封液面)的深度，此時(shí)的三級(jí)隔池已徹底失去隔油作用，油液可直接從出口流出。因此，當(dāng)加油站一次性或多次累積有較多含油污水進(jìn)入三級(jí)隔油池時(shí)，應(yīng)注意檢查一、二級(jí)隔池內(nèi)油液的積聚情況，必要時(shí)及時(shí)抽取，以保持三級(jí)隔油池良好的隔油能力。

圖11 v=0.75 m/s、a0=10%工況下不同時(shí)刻三級(jí)隔油池油相體積分?jǐn)?shù)分布

將水封井與三級(jí)隔油池隔油效果整理出如表1所示的對(duì)比表表明：在散流狀態(tài)所能達(dá)到0.75 m/s的最大流速下，水封井能夠起效的臨界濃度僅為0.1%；而三級(jí)隔油池在0～10%初始濃度區(qū)間內(nèi)仍保持良好的隔油效果，在不考慮排放污水中溶解油存在的可能時(shí)，能夠滿足現(xiàn)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中石油類一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水封隔油裝置流動(dòng)300 s模擬計(jì)算效果對(duì)比

4 結(jié)論

a) 較大流速工況下流體在水封井內(nèi)部流動(dòng)有固定的流道，不會(huì)隨初始濃度的增大而改變；而三級(jí)隔油池內(nèi)主流道的位置，則隨著初始濃度的增大而斷裂、改變，并形成新的流道。

b) 0.75 m/s流速下，水封井的臨界濃度為0.1%，而三級(jí)隔油池在0～10%初始濃度下尚無臨界濃度。

c) 三級(jí)隔油池中油液逃逸有3個(gè)時(shí)間段，當(dāng)初始濃度大于3%時(shí)，隨著初始濃度的增大，油液逃逸量反而降低。