碼頭油氣回收系統(tǒng)設(shè)計探討

李藝穎 王媞

摘 要：為研究碼頭油氣回收工藝系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)及難點(diǎn)，以湄洲灣港斗尾港區(qū)外走馬埭作業(yè)區(qū)2-8#泊位工程為例，結(jié)合國內(nèi)油氣回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及項目多泊位多貨種的特點(diǎn)與依托情況，逐一分析碼頭油氣回收系統(tǒng)三個單元的選型要素，并針對碼頭項目的特點(diǎn)總結(jié)了碼頭油氣回收系統(tǒng)的設(shè)計注意事項。

關(guān) 鍵 詞：油氣回收；碼頭；設(shè)計；多泊位；多貨種

中圖分類號：U 656.1+32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0805-04

Abstract： In order to research design key points and difficulties of the oil-gas recovery process system for terminals， taking Meizhou bay Douwei port outside Zoumadai area 2-8# berth project as an example， combined with the development status of the oil-gas recovery technology in China， considering the characteristics and the support of multi-berth and multi-cargo terminal， selection elements of the three units in the oil-gas recovery system were analyzed， and the design considerations of oil-gas recovery system based on the characteristics of terminals were summarized.

Key words： Oil-gas recovery； Terminal； Design； Multi-berth； Multi-cargo

油品蒸發(fā)氣含有較大比例的不飽和烴及多種致癌組分，是一種揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOCs，Volatile Organic Compounds），是形成臭氧污染和光化學(xué)煙霧的重要因素之一[1]。目前國內(nèi)液體散貨碼頭運(yùn)營的一般現(xiàn)狀是不對油品蒸發(fā)氣進(jìn)行回收，在裝船作業(yè)過程中，船艙內(nèi)的油品蒸發(fā)氣通過船艙通氣管、呼吸閥直接排入大氣。由于碼頭貨運(yùn)量大、裝船效率高，因此油氣揮發(fā)量大，易造成大氣環(huán)境污染、能源損耗浪費(fèi)及形成安全隱患等一系列問題[2]。根據(jù)《中華人民共和國大氣污染防治法》和《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》（國發(fā)[2013]37號），為促進(jìn)水運(yùn)行業(yè)節(jié)能減排，加快綠色水運(yùn)建設(shè)步伐，交通運(yùn)輸部正大力推行碼頭油氣回收項目，目前已將中化興中原油裝船油氣回收作為全國原油成品油碼頭油氣回收首批試點(diǎn)項目。

由此可以看出，液體散貨碼頭設(shè)置油氣回收設(shè)施是今后項目發(fā)展的必然趨勢。但是目前國內(nèi)碼頭油氣回收技術(shù)投入實際應(yīng)用的范例較少，且使用效果不甚理想[3]。絕大部分應(yīng)用案例還都是單一泊位回收單一貨種，而碼頭作為貨物儲運(yùn)過程中重要的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，常常是同一碼頭具有多個泊位并作業(yè)多個貨種。因此，多泊位多貨種油氣回收技術(shù)的應(yīng)用在液體散貨碼頭工程中顯得尤為重要。本文以湄洲灣港斗尾港區(qū)外走馬埭作業(yè)區(qū)2-8#泊位油氣回收工程為例，對碼頭油氣回收設(shè)計進(jìn)行分析探討。

1 項目背景

湄洲灣港斗尾港區(qū)外走馬埭作業(yè)區(qū)2-8#泊位是中化泉州1200萬t/a煉油項目的配套碼頭工程，主要用于煉廠產(chǎn)品的海上出運(yùn)，主要的裝船貨種有汽油、柴油、航煤、LPG、苯、甲苯、二甲苯等。碼頭共7個3 000 DWT泊位，靠泊船型為1 000～

3 000 DWT成品油船或化工品船。根據(jù)該項目環(huán)評報告的要求，需對裝船貨種中的汽油、苯、甲苯和二甲苯進(jìn)行油氣回收。該項目油氣回收工程于2014年11月設(shè)計完成，并于2015年7月交工。

2 油氣處理方式選擇

宏觀上來看，處理船舶裝船過程中的VOCs主要有兩種方法——燃燒處理法和回收處理法[4]。燃燒處理法操作簡便、投資少，但是沒有回收物，不能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，并且需額外損耗燃料，而產(chǎn)生的熱能又過于分散難以利用，耗能大。再考慮到碼頭上沒有天然氣、丙烷氣等燃料供給，故本項目不考慮燃燒處理法，而選擇油氣回收處理法。

3 碼頭油氣回收系統(tǒng)組成

碼頭油氣回收系統(tǒng)主要由三個單元組成，分別是船岸對接安全裝置（DSU，Dock Safety Unit）、引風(fēng)機(jī)模塊（VBS，Vapor Blower Skid）和油氣回收裝置（VRU，Vapor Recovery Unit）。

當(dāng)船舶靠泊完畢后，碼頭通過氣相回收臂連接油輪上的對外油氣回收接口，油氣經(jīng)船岸對接安全裝置（DSU）后匯入碼頭集氣管，再通過啟動引風(fēng)機(jī)模塊（VBS），將油氣輸送至油氣回收裝置（VRU）進(jìn)行回收（圖1）。

4 油氣回收裝置選址

本項目碼頭距陸域約340 m，距后方中化煉廠直線距離約2 km。碼頭泊位數(shù)量多，岸線長約980 m。若將油氣回收裝置設(shè)置在陸域岸邊，業(yè)主需要征地，且運(yùn)營管理不便；若設(shè)置在廠區(qū)，油氣回收裝置距離碼頭太遠(yuǎn)，引風(fēng)難度大。考慮本項目碼頭為連片式結(jié)構(gòu)，泊位裝卸點(diǎn)之間有足夠的空間可以安放油氣回收裝置，且便于碼頭統(tǒng)一管理。因此，將油氣回收裝置設(shè)置在碼頭2#～8#泊位中間位置，即5#～6#泊位之間（如圖2）。

5 確定油氣回收處理量

本項目碼頭為企業(yè)自有碼頭，不存在多個業(yè)主利益分割的問題。而回收油氣的組分較復(fù)雜，若每個泊位或每個貨種單獨(dú)采用一套油氣回收設(shè)施，則需要投入多套設(shè)備，成本較高，且不利于生產(chǎn)運(yùn)營的集中管理。對回收貨種性質(zhì)（見表1）分析后可知，汽油、苯、甲苯及二甲苯性質(zhì)相近，混合氣體不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。且本項目碼頭依托煉廠油庫，回收液處理方式多樣。因此，綜合考慮后確定各貨種各泊位共用一套回收裝置。

碼頭共7個3 000 DWT泊位，單個泊位最大裝船流量為350 t/h，即480 m3/h。根據(jù)碼頭貨運(yùn)量任務(wù)測算，碼頭需回收油氣的貨種最多同時停靠兩艘3 000 DWT船，即回收油氣貨種最大裝船流量為960 m3/h。而油氣返回流量可近似等于貨種液相裝船流量[5]，即回收貨種最大油氣返回流量為960 m3/h。根據(jù)國際海洋公約MSC/Circ.585通函《關(guān)于蒸氣排放控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計要求，油氣回收系統(tǒng)的處理能力應(yīng)至少達(dá)到1.25倍最大設(shè)計載荷流量，因此油氣回收裝置設(shè)計最大油氣處理量為1 200 m3/h。進(jìn)入回收裝置的油氣為汽油、苯、甲苯和二甲苯的單貨種油氣或是幾個貨種的混合氣。

6 油氣回收工藝選擇

國內(nèi)油庫及加油站的油氣回收處理技術(shù)發(fā)展多年，已較為成熟，目前應(yīng)用較多的有吸附法、吸收法和冷凝法等，并常采用幾種方法組合的工藝[1]。選擇碼頭油氣回收方法需考慮多方面因素，如碼頭裝船貨種、碼頭運(yùn)營方式、碼頭與后方庫區(qū)或廠區(qū)的依托關(guān)系等[6]。

國內(nèi)汽油油氣回收應(yīng)用最多的是活性炭吸附+貧油吸收的方式。如果采用吸收法，須首先解決吸收劑的問題。本項目油氣回收裝置設(shè)置在碼頭平臺上，距廠區(qū)油罐較遠(yuǎn)，碼頭上也無存儲設(shè)施。根據(jù)裝船作業(yè)的貧油用量，油氣回收裝置旁需設(shè)置一個幾百方的貧油暫存罐。但是碼頭空間緊湊，無法布置如此大容量的儲罐。而岸側(cè)陸域又涉及到征地問題，也沒有位置放置貧油罐。因此，吸收法不適用于本碼頭工況。

考慮到本項目芳烴類化工品較多，液化較容易，因此選用冷凝+活性炭吸附的回收工藝。

7 油氣回收系統(tǒng)設(shè)計

7.1 船岸對接安全裝置

每個泊位設(shè)置1臺4”氣相裝卸臂，用于連接碼頭與船艙油氣回收口。

與液相管道不同，油氣管道輸送的不是純介質(zhì)，而是油品蒸發(fā)氣與其它氣體（包含氧氣）的混合氣。因此，管道內(nèi)油氣濃度有達(dá)到爆炸極限的可能，且油氣燃燒或爆炸蔓延地極其迅速，因此氣相管道的安全要求應(yīng)高于液相管道[7]。根據(jù)國際海洋公約MSC/Circ.585通函《關(guān)于蒸氣排放控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》提出的一系列預(yù)防和阻止事故發(fā)生及蔓延的具體要求，每個泊位均在氣相回收臂后側(cè)配置了一套船岸對接安全裝置。其可在裝船過程中監(jiān)測油氣的壓力、溫度、氧含量及流量等參數(shù)，并對以上參數(shù)的報警值做出反應(yīng)，調(diào)整或切斷油氣輸送，防止發(fā)生安全事故，保障油輪和碼頭作業(yè)安全。

船岸對接安全裝置在安全方面需達(dá)到USCG 33CFR 154 Subpart E、IMO MSC/Circ.1009及IMO MSC/Circ.677的要求。主要設(shè)備包括高精度過濾器、真空泄放閥、阻爆器等，主要儀表包括流量計、壓力變送器、溫度變送器及差壓變送器等。

7.2 引風(fēng)機(jī)模塊

油氣回收裝置距離最遠(yuǎn)泊位約400 m，需設(shè)置引風(fēng)機(jī)模塊。引風(fēng)機(jī)模塊主要包括氣液分離器、引風(fēng)機(jī)、阻火器等設(shè)備，以及壓力、溫度等監(jiān)測儀表。其主要作用是輸送油氣至油氣回收裝置（圖3）。

為保證油氣回收系統(tǒng)平穩(wěn)安全運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)模塊需在整個運(yùn)行期間實時監(jiān)測并記錄管道的壓力、真空度、溫度、流量等參數(shù)，并根據(jù)油氣管道壓力，變頻調(diào)節(jié)油氣流量，以通過主控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)前端船岸對接安全裝置控制船艙壓力。

7.3 油氣回收裝置

油氣回收裝置具有兩方面核心目的：一方面是分離油品蒸發(fā)氣，達(dá)標(biāo)排放空氣；另一方面是處理收集到的油氣，使其達(dá)到可再儲存或可再利用的形態(tài)[8]。而各種回收工藝中分離和回收的順序又各不相同，有些是先分離再回收，有些是先回收大部分油氣，再進(jìn)行剩余油氣和空氣的分離。本項目油氣回收裝置是采用冷凝法先對大部分油氣進(jìn)行回收，再用活性炭對油氣和空氣進(jìn)行分離。

本項目油氣回收裝置設(shè)置三級冷凝，油氣經(jīng)過預(yù)冷器、一級冷凝器冷卻至5 ℃，油氣中的大部分水、苯及部分其他油氣凝結(jié)；其余未凝油氣繼續(xù)經(jīng)過二級冷凝器冷卻至-35 ℃，凝結(jié)大部分甲苯、二甲苯和汽油；再剩余的未凝油氣繼續(xù)經(jīng)過三級冷凝器冷卻至-75 ℃，主要用于汽油油氣冷凝。所有冷凝下來的冷凝液流至儲液罐。冷凝器設(shè)置兩臺互為備用，即保證一臺進(jìn)行化霜時另一臺可正常工作，解決水和苯結(jié)晶的問題。

經(jīng)過冷凝系統(tǒng)后，絕大部分油氣凝結(jié)為液態(tài)，而尚未冷凝的氣體繼續(xù)進(jìn)入吸附系統(tǒng)。冷卻后的未凝氣體再通過預(yù)冷器的冷端將進(jìn)冷凝機(jī)組的油氣預(yù)冷并進(jìn)行冷量回收，之后進(jìn)入活性炭吸附罐。其中油氣被活性炭吸附，空氣直接達(dá)標(biāo)排放。

當(dāng)吸附罐中的活性炭吸附油氣將近飽和時，通過控制閥門的控制，使活性炭吸附罐按照一臺吸附一臺解吸的模式運(yùn)行。解析后的高濃度油氣再次進(jìn)入冷凝器，冷凝產(chǎn)物暫存到儲液罐中。裝置儲液罐內(nèi)回收的油品通過泵輸送至庫區(qū)儲罐中（圖3）。

本工程采用的冷凝+活性炭吸附工藝的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1） 冷凝模塊與活性炭吸附模塊是個密閉循環(huán)系統(tǒng)，不需要使用吸收劑，減少了油氣回收裝置撬塊的占地面積，解決了碼頭空間受限的問題。

（2） 油氣經(jīng)過冷凝器后消除了油氣中的水蒸汽，排除其對后續(xù)活性炭床的不利影響。

（3） 油氣經(jīng)過冷凝器再進(jìn)入活性炭吸附罐中，油氣溫度遠(yuǎn)低于介質(zhì)閃點(diǎn)，并且降低了碳床溫度，使得活性炭吸附更加安全。

8 結(jié)束語

（1） 碼頭裝卸貨種較多，常存在多貨種共用一套回收系統(tǒng)的情況。應(yīng)根據(jù)各貨種性質(zhì)，考慮其相互間影響，選擇合適的油氣回收處理工藝。

（2） 碼頭泊位數(shù)量較多時，油氣回收裝置的處理量不能用各泊位最大裝船效率來簡單的疊加，而應(yīng)結(jié)合總平面布局、泊位功能安排和貨運(yùn)量任務(wù)等因素，預(yù)測碼頭生產(chǎn)運(yùn)營靠泊情況后確定。

（3） 本項目碼頭為企業(yè)自有碼頭，故可以多貨種共用一套回收系統(tǒng)。在多貨種油氣回收系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意根據(jù)碼頭性質(zhì)，平衡各方利益需求。

（4） 碼頭空間寶貴，應(yīng)選擇占地面積小的油氣回收工藝。

（5） 安全始終是碼頭設(shè)計及運(yùn)營的第一要素，配置船岸對接安全裝置是必要的。

（6） 碼頭工藝流程簡單，主要依托后方庫區(qū)或廠區(qū)。選擇油氣回收工藝時，應(yīng)注意各依托條件的落實情況。

（7） 碼頭（尤其是海港碼頭）的油氣回收處理量往往較大（可達(dá)上千方甚至上萬方/小時），而國內(nèi)油庫和加油站油氣回收裝置的常用規(guī)模都在500 m3/h以下[2]，國產(chǎn)化后的回收裝置大型化的處理效果及技術(shù)水平還有待進(jìn)一步驗證。

（8） 目前我國尚無針對碼頭油氣回收的設(shè)計規(guī)范，本工程設(shè)計主要參照的是美國標(biāo)準(zhǔn)。而碼頭油氣回收項目市場廣闊，亟待相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)文件的出臺。

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