VOCs油氣回收工藝探討與分析

丁 鋒 李叢妮

1.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)所,河南 濮陽(yáng) 457001;2.陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710065

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VOCs油氣回收工藝探討與分析

丁 鋒1李叢妮2

1.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)所,河南 濮陽(yáng) 457001;2.陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710065

輕烴產(chǎn)品;VOCs;油氣回收

0 前言

石油及其產(chǎn)品是多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔?其中輕組分在常溫下蒸汽壓較高,極易揮發(fā),故在油品從油庫(kù)到加油站再到用戶的儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,油罐或汽車油箱會(huì)因溫度、壓力波動(dòng)而產(chǎn)生大量高濃度揮發(fā)性有機(jī)化合物VOCs(Volatile Organic Compounds)，從而造成油品損耗問(wèn)題。這些VOCs主要成分為丁烷、戊烷、苯、二甲苯、乙基苯等,它們大多屬致癌物質(zhì),同時(shí)油品揮發(fā)損耗會(huì)降低油品質(zhì)量、污染環(huán)境、浪費(fèi)資源、造成火災(zāi)隱患以及危害人身安全,給企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)諸多嚴(yán)重危害。因此,VOCs油氣回收裝置[1-10]是油品儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中不可或缺的配套工程設(shè)施。

1 現(xiàn)有油氣回收工藝

目前常用的油氣回收工藝有冷凝法油氣回收工藝[11-12]、吸收法油氣回收工藝[13]、膜分離法油氣回收工藝[14-15]、吸附法油氣回收工藝等[16-17]。上述工藝各有優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)回收氣(VOCs)的特性、氣量及作業(yè)區(qū)的公用工程條件選擇最適合的回收方案。

1.1 冷凝法油氣回收工藝

冷凝法油氣回收工藝的基本原理是當(dāng)冷凝氣的溫度低于其露點(diǎn)溫度時(shí)將發(fā)生冷凝,由于易揮發(fā)性有機(jī)化合物的露點(diǎn)溫度高于空氣的露點(diǎn)溫度,故當(dāng)對(duì)油氣蒸汽和空氣的混合物進(jìn)行冷凝時(shí),大部分油氣蒸汽會(huì)被冷凝成液態(tài)，而空氣則可通過(guò)通風(fēng)口被排出,從而達(dá)到分離的目的。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝原理簡(jiǎn)單,操作安全可靠,回收的烴類液體不含雜質(zhì),經(jīng)濟(jì)效益可觀,安全性高;缺點(diǎn)是通過(guò)此工藝要達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn),能耗較高且投資較大。圖1為冷凝法油氣回收工藝典型流程示意圖。

圖1 冷凝法油氣回收工藝典型流程示意圖

1.2 吸收法油氣回收工藝

圖2 吸收法油氣回收工藝典型流程示意圖

1.3 膜分離法油氣回收工藝

膜分離法油氣回收工藝的基本原理是利用高分子膜對(duì)油氣的優(yōu)先透過(guò)性的特點(diǎn),讓油氣/空氣混合氣在一定的壓差推動(dòng)下經(jīng)膜的“過(guò)濾作用”使混合氣中的油氣優(yōu)先透過(guò)膜得以“脫除”回收,而空氣則被選擇性截留。該工藝優(yōu)點(diǎn)是操作相對(duì)簡(jiǎn)單,但目前關(guān)鍵設(shè)備全部采用進(jìn)口設(shè)備,投資過(guò)高。圖3為膜分離法油氣回收工藝典型流程示意圖。

圖3 膜分離法油氣回收工藝典型流程示意圖

1.4 吸附法油氣回收工藝

吸附法油氣回收工藝的基本原理是利用活性炭、硅膠或活性纖維等吸附劑對(duì)油氣/空氣混合氣的吸附力大小的不同,實(shí)現(xiàn)油氣和空氣的分離。油氣通過(guò)活性炭等吸附劑,油氣組分吸附在吸附劑表面,然后再經(jīng)過(guò)減壓脫附或蒸汽脫附,富集的油氣用真空泵抽吸到油罐或用其他方法液化;而活性炭等吸附劑對(duì)空氣的吸附力非常小,未被吸附的尾氣經(jīng)排氣管排放。

吸附法油氣回收裝置一般包括變壓吸附單元、分離罐和吸收塔三個(gè)單元。吸附法一般以活性炭作為吸附材料,活性炭的特性是單位體積的表面積極大,可有效吸附油氣中的烴。其油氣回收裝置采用的是一種變壓吸附流程,由兩個(gè)交替工作的活性炭床組成,活性炭的再生則通過(guò)一個(gè)真空泵提供的抽真空操作來(lái)完成,并在再生循環(huán)的最后,通過(guò)空氣吹掃閥對(duì)炭床進(jìn)行吹掃。吸附劑達(dá)到一定飽和度后,進(jìn)行抽真空減壓再生,再生過(guò)程中脫附出的油氣再用油品進(jìn)行吸收,吸收后的貧氣再返回到吸附過(guò)程進(jìn)行吸附。圖4為吸附法油氣回收工藝典型流程示意圖。

圖4 吸附法油氣回收工藝典型流程示意圖

由于天然氣處理廠內(nèi)產(chǎn)品VOCs主要以溶劑油、苯及穩(wěn)定輕烴揮發(fā)氣混合物為主,且苯在常壓下5.5 ℃即可結(jié)晶,而該工藝單獨(dú)使用時(shí),要達(dá)到設(shè)計(jì)要求,投資費(fèi)用將大大增加。因此,我們提出了“冷凝+吸附”的油氣回收工藝[17],結(jié)合兩者技術(shù)優(yōu)點(diǎn),組合使用。

2 “冷凝+吸附”油氣回收工藝

2.1 工藝流程參數(shù)設(shè)置

模擬時(shí),以120#溶劑油、苯及穩(wěn)定輕烴的揮發(fā)氣混合物為主要介質(zhì),根據(jù)各種產(chǎn)品的日產(chǎn)量計(jì)算裝車時(shí)油氣的揮發(fā)量(采用35 ℃時(shí)的飽和油氣),其中溶劑油揮發(fā)氣占17 m3/h、苯揮發(fā)氣占23 m3/h,穩(wěn)定輕烴揮發(fā)氣占40 m3/h,即本項(xiàng)目油氣回收處理規(guī)模為80 m3/h。

2.2 工藝流程模擬

采用HYSYS軟件對(duì)該工藝進(jìn)行模擬,模擬流程見(jiàn)圖5，模擬過(guò)程中的主要參數(shù)見(jiàn)表1。3種油氣匯集后,揮發(fā)蒸汽通過(guò)油氣回收總管進(jìn)入油氣回收裝置的引風(fēng)機(jī)吸入到冷凝系統(tǒng)前的預(yù)冷器,將油氣溫度由引風(fēng)后的42 ℃降到33 ℃。進(jìn)入冷凝系統(tǒng)后,冷凝系統(tǒng)分為三級(jí)冷凝,通過(guò)空冷器將溫度逐級(jí)降低到設(shè)置的冷凝溫度。

三級(jí)冷凝的溫度等級(jí)依次為6、-30和-45 ℃。待冷凝、分離結(jié)束后,混合氣中殘余油氣濃度為458 g/m3。然后通過(guò)預(yù)冷器將低溫不凝氣復(fù)熱至10 ℃后送入活性炭吸附系統(tǒng),吸附后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的氣體排放至放空系統(tǒng)。吸附的油氣經(jīng)過(guò)脫附換熱器冷凝至-30 ℃,冷凝液經(jīng)分離后通過(guò)緩沖罐進(jìn)行存儲(chǔ),然后進(jìn)入到天然氣處理廠的進(jìn)料緩沖罐中混合,作為原料重新進(jìn)入處理裝置;分離后的不凝氣循環(huán)至引風(fēng)機(jī)入口。

圖5 “冷凝+吸附”油氣回收工藝模擬流程圖

表1 模擬參數(shù)匯總

主要工藝節(jié)點(diǎn)溫度/℃冷量/kW殘余油氣濃度/(g·m-3)剩余油氣量/(m3·h-1)剩余油氣空氣摩爾分?jǐn)?shù)/(%)一級(jí)冷凝68.1103168.561二級(jí)冷凝-306.158955.473.5三級(jí)冷凝-451.545151.879脫附冷凝器-301.6---

2.3 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

此工藝流程在設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要技術(shù)難點(diǎn)與解決方案為:

1)由于介質(zhì)中存在苯介質(zhì)(常壓下5.5 ℃即可結(jié)晶),常規(guī)的抽真空脫附無(wú)法解析苯,因此需采用微熱抽真空再生方法才能徹底解決苯結(jié)晶影響活性炭吸附效果的問(wèn)題。

2)在夏季相對(duì)濕度較高時(shí),油氣中會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的水分,很可能造成局部?jī)龆?為此,需要嚴(yán)格控制一級(jí)冷凝溫度(使其溫度務(wù)必達(dá)到6 ℃),使油氣中的水分過(guò)飽和后,在三相分離器中去除,剩余的水汽含量將大大減少。

3)吸附劑宜采用經(jīng)特殊鈍化處理的活性炭,可有效降低活性炭中的含氧官能團(tuán),從而降低活性炭吸附溫升,使活性炭在安全溫度區(qū)間工作。

4)活性炭與油氣的接觸時(shí)間需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算,使油氣有足夠的時(shí)間與活性炭充分接觸,以達(dá)到吸附目的。

5)活性炭的吸附量是通過(guò)設(shè)計(jì)氣量和設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算出來(lái)的,平時(shí)實(shí)際運(yùn)行時(shí)不一定都能達(dá)到此負(fù)荷,因此引風(fēng)機(jī)宜選用變頻控制式,以滿足高、低負(fù)荷時(shí)的需要。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

122.4/h×5 h/d=612 kg/d

年回收量為:

612 kg/d×330=201.96 t/a

回收油品按4 000元/t計(jì)算,則年產(chǎn)值為:

201.96×4 000元/t=80.8萬(wàn)元/a

電負(fù)荷按照1元/度計(jì)算,設(shè)備實(shí)際耗電約20 kW,則:

20 kW×5 h/d×330 d/a×1元/度=3.3萬(wàn)元/a

年效益分析見(jiàn)表2。

表2 年效益分析

年回收量/(t·a-1)年產(chǎn)值/(萬(wàn)元·a-1)年耗電量/(kW·h)年電費(fèi)/(萬(wàn)元·a-1)年效益/(萬(wàn)元·a-1)201.9680.8330003.377.5

3 結(jié)論

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2016-04-18

丁 鋒(1984-)，男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事天然氣處理、地面集輸和化工儀控等方面的研究與設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.006