油管桿清洗設(shè)備揮發(fā)性氣體治理措施探討

范新冉，李勇，張曉璇，張智強(qiáng)

（中國(guó)石化勝利油田分公司設(shè)備管理處，山東 東營(yíng) 257000）

1 清洗設(shè)備現(xiàn)狀

油管、抽油桿清洗過(guò)程中采用水煮、輻射等多種加熱形式，由于裝置存在油管進(jìn)出口、溢油口以及清洗緩沖池等，會(huì)有大量油霧廢氣泄漏。利用馬扎克(B．T．M)公式、格拉罕姆氣體擴(kuò)散定律等計(jì)算，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，揮發(fā)廢氣量約860m3/h，其中水蒸氣約占60%、VOCs約占10%、潔凈空氣約占30%。

油管、抽油桿表面都有大量原油附著，以氫碳構(gòu)成的烴類(lèi)為主要成分，同時(shí)含有少量硫、氮、氧及微量金屬元素，揮發(fā)排放的VOC氣體主要是C1～C8的烷烴，即：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、芳烴等，其中丙烷、丁烷和單環(huán)芳烴占有較大的比例，具有特殊氣味。

2 存在問(wèn)題

目前，油管廠廠區(qū)范圍內(nèi)刺鼻性氣味較重，尤其是清洗區(qū)域附近，現(xiàn)場(chǎng)操作職工只能戴口罩工作，存在較大的潛在危害。多家油管廠離居民區(qū)較近，已經(jīng)多次遭群眾舉報(bào)。尤其冬季生產(chǎn)過(guò)程中，大量水蒸氣揮發(fā)，影響環(huán)境及人體健康的同時(shí)，對(duì)企業(yè)形象也造成一定影響。

2．1 人體健康危害

眼睛：長(zhǎng)時(shí)間接觸可導(dǎo)致不適。

皮膚：長(zhǎng)時(shí)間接觸可導(dǎo)致皮膚干燥、過(guò)敏，直至皮膚發(fā)炎。

吸入：長(zhǎng)時(shí)間接觸中可導(dǎo)致頭暈和頭痛。

2．2 環(huán)境危害

烷烴中的氫原子被鹵原子取代的反應(yīng)稱(chēng)為鹵化反應(yīng)，鹵化反應(yīng)包括氟化、氯化、溴化和碘化等。如在日光或紫外光照射或在高溫（250～400℃）作用下，能發(fā)生取代反應(yīng)，烷烴分子中的氫鹵原子能逐步被鹵原子取代，得到不同的鹵代烷的混合物。鹵代烴可破壞臭氧層導(dǎo)致溫室效應(yīng)，也是化學(xué)煙霧、霧霾形成的前驅(qū)體物，對(duì)大氣環(huán)境具有較大危害。

3 治理技術(shù)簡(jiǎn)介

油管桿清洗揮發(fā)性廢氣特點(diǎn)為VOCs濃度低(測(cè)量值 9．7mg/m3，＜ 1000ppm，約 0．001‰ )、無(wú)回收價(jià)值、不溶于水、溫度較高(40～60℃)，適用工藝為光催化氧化技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)、活性炭吸附技術(shù)、生物除臭技術(shù)。

圖1 VOC氣體治理方案類(lèi)別

3．1 光氧催化技術(shù)

在光催化反應(yīng)器中，通過(guò)紫外光照射在納米TiO2光催化劑上產(chǎn)生電子空穴對(duì)，與表面吸附的水分(H2O)和氧氣(O2)反應(yīng)生成氧化性很活潑的氫氧自由基(OH-)、超氧離子自由基(O2-、0-)和臭氧O3。能夠把各種VOC類(lèi)有機(jī)物在光催化氧化的作用下還原成二氧化碳(CO2)、水(H2O)。該技術(shù)對(duì)低濃度有機(jī)廢氣的去除效率約30%-40%。該技術(shù)不成熟、造成臭氧污染、去除效率低、不耐負(fù)荷沖擊，全國(guó)多地已經(jīng)禁止單獨(dú)使用光氧催化設(shè)備。

3．2 低溫等離子技術(shù)

利用高壓放電時(shí)候產(chǎn)生的高能電子和離子，分解廢氣分子，同時(shí)高能電子把1個(gè)氧分子分解成2個(gè)氧原子，并與氧分子再次結(jié)合成臭氧，臭氧是強(qiáng)氧化劑，可以氧化有機(jī)污染物。低溫等離子設(shè)備工作溫度約80～100℃、電壓約1～10萬(wàn)V，因此該工藝在處理含易燃易爆有機(jī)廢氣時(shí)容易產(chǎn)生著火、爆炸風(fēng)險(xiǎn)，該技術(shù)對(duì)低濃度有機(jī)廢氣的去除效率約50%～60%。該技術(shù)安全性低、造成臭氧污染、去除效率低、不耐負(fù)荷沖擊。因設(shè)備爆炸導(dǎo)致人員死亡等多事故，全國(guó)多地已禁止單獨(dú)使用該設(shè)備。

3．3 生物除臭技術(shù)

生物除臭主要是利用微生物除臭，通過(guò)微生物的生理代謝將具有臭味的物質(zhì)加以轉(zhuǎn)化，使目標(biāo)污染物被有效分解去除，以達(dá)到惡臭的治理目的。該技術(shù)設(shè)備體積大、維護(hù)要求高、費(fèi)效比較低，在煉化行業(yè)已經(jīng)使用生物法處理技術(shù)，在做好項(xiàng)目建設(shè)、生產(chǎn)管理、運(yùn)行維護(hù)等幾項(xiàng)主要工作的基礎(chǔ)上，可保持90%以上的處理效率，定期排出活性污泥，一般也不存在二次污染。

3．4 活性炭吸附技術(shù)

活性炭是經(jīng)過(guò)活化處理后的碳，比表面積一般可達(dá)700～1200m2/g，其孔徑大小范圍在1．5nm～5um之間，具備比表面積大、孔隙多的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)吸附能力。

其吸附方式主要通過(guò)2種途徑：一是活性炭與氣體分子間的范德華力，當(dāng)氣體分子經(jīng)過(guò)活性炭表面，范德華力起主導(dǎo)作用時(shí)，氣體分子先被吸附至活性炭外表面，小于活性炭孔徑的分子經(jīng)內(nèi)部擴(kuò)散轉(zhuǎn)移至內(nèi)表面，從而達(dá)到吸附的效果，此為物理吸附；二是吸附質(zhì)與吸附劑表面原子間的化學(xué)鍵合成，此為化學(xué)吸附。該技術(shù)設(shè)備成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、去除率大于95%，吸附飽和后只需更換活性炭或后處理。

圖2 活性炭技術(shù)原理

按照相似相溶原理，活性炭對(duì)非極性物質(zhì)的吸附作用更強(qiáng)，而對(duì)水等極性分子的吸附作用較弱(因此在吸附單元前應(yīng)將廢氣濕度降低)。本項(xiàng)目廢氣主要成分為烷烴，烷烴中的σ鍵極性很小，且其分子偶極矩為零，是非極性分子。因此，活性炭可以顯著吸附烷烴類(lèi)物質(zhì)，在工程合計(jì)得當(dāng)?shù)那闆r下，活性炭對(duì)有機(jī)廢氣的去除率可達(dá)95%以上，表現(xiàn)為非甲烷總烴NMHC的有效降低。

4 治理工藝選擇

根據(jù)對(duì)比，選擇除濕+冷凝+活性炭吸附工藝作為清洗裝置揮發(fā)性氣體治理的主要技術(shù)路線，配套自動(dòng)檢測(cè)及控制系統(tǒng)。

4．1 降溫、除濕單元

4．1．1 功能

廢氣降溫至40℃以下；水蒸氣由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)；顆粒物(塵)預(yù)處理至3mg/m 以下；吸收廢氣中含有的少量硫化氫氣體。

4．1．2 工藝原理

圖3 降溫、除濕單元工作原理

噴淋塔噴淋水從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過(guò)填料層，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)，從而使廢氣到達(dá)降溫和初步凈化的雙重效果。噴淋水為自來(lái)水，循環(huán)使用不外排。

當(dāng)設(shè)備工作一段時(shí)間后，塔內(nèi)噴淋水由于熱交換溫度上升，影響廢氣降溫效果。此時(shí)，噴淋塔內(nèi)部盤(pán)管換熱器開(kāi)始運(yùn)行，該換熱裝置配套的風(fēng)冷冷卻器將熱量排出，將冷水通過(guò)換熱器給噴淋水降溫，確保冷凝單元的降溫效果。

4．2 冷凍干燥單元

4．2．1 功能

進(jìn)一步降低廢氣濕度，并對(duì)廢氣進(jìn)行降溫；廢氣濕度＜30%；廢氣水汽露點(diǎn)降至0℃左右；廢氣溫度降至0～5℃。

4．2．2 工藝原理

該單元采用冷凍干燥原理對(duì)廢氣進(jìn)行降溫除濕，廢氣首先在換熱器中進(jìn)行熱交換，降低溫度，然后進(jìn)入蒸發(fā)器被進(jìn)一步降溫至0～5℃左右，在此露點(diǎn)，廢氣中的水分絕大多數(shù)變成液態(tài)被排出。

4．3 吸附單元

主要采用活性炭吸附方式：

圖4 活性炭空隙結(jié)構(gòu)示意圖

4．3．1 功能

有效吸附烷烴、氯代烴、有機(jī)磷和氨基甲酸酯類(lèi)殺蟲(chóng)劑，還能吸附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、苯粉、DDT、艾氏劑、烷基苯磺酸及許多酯類(lèi)和芳烴化合物。去除效率大于95%。

4．3．2 工藝原理

利用活性炭與氣體分子間的范德華力或吸附質(zhì)與吸附劑表面原子間的化學(xué)鍵合成來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附。

4．4 檢測(cè)及控制系統(tǒng)

4．4．1 實(shí)現(xiàn)緩沖池可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測(cè)

在緩沖池安裝四合一在線氣體檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)氧氣、可燃?xì)夂陀卸練怏w（包含H2S、CO、SO2、HCN）等氣體檢測(cè)及報(bào)警。在緩沖池與冷凝器之間增加H2S檢測(cè)儀器，以便后期減輕溶劑系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。所有傳感器均具有防爆功能，可就地顯示和中央控制系統(tǒng)顯示，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)能傳輸?shù)綑z測(cè)集中控制系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)聲光報(bào)警。

4．4．2 揮發(fā)性氣體排放檢測(cè)及活性炭更換周期預(yù)警

在整套系統(tǒng)末端安裝在線式VOCs氣體檢測(cè)儀器，檢測(cè)結(jié)果具備現(xiàn)場(chǎng)讀書(shū)和中央控制系統(tǒng)顯示，中央控制系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)后自動(dòng)分析，當(dāng)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)控制界面會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警。根據(jù)活性炭吸附原理，當(dāng)VOCs超標(biāo)報(bào)警時(shí)，說(shuō)明活性炭吸附飽和，應(yīng)及時(shí)更換活性炭，此時(shí)相關(guān)工作人員應(yīng)及時(shí)更換活性炭。

4．4．3 負(fù)壓檢測(cè)

系統(tǒng)負(fù)壓檢測(cè)采用在線式微差壓變送器，安裝位置為各廢氣支管入口，檢測(cè)結(jié)果具備就地顯示和中央控制系統(tǒng)顯示2種功能，中央控制系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)后自動(dòng)分析，發(fā)送指令至風(fēng)機(jī)提高或降低運(yùn)行轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)各閥門(mén)開(kāi)度，在保持設(shè)備性能的前提下，以最大程度降低設(shè)備能耗，達(dá)到節(jié)能降耗目的。

4．4．4 集中控制系統(tǒng)

以上增加的檢測(cè)信號(hào)及其控制一并歸入到清洗機(jī)的控制系統(tǒng)中，在清洗機(jī)的系統(tǒng)顯示和清洗系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，根據(jù)上述在線檢測(cè)結(jié)果（硫化氫、pH值、VOCs等）集中控制自動(dòng)注堿系統(tǒng)、變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和控制電動(dòng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，自動(dòng)匹配風(fēng)量，穩(wěn)定輸出。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果超標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)設(shè)程序進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)和風(fēng)量匹配，并在清洗機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中輸出報(bào)警，提示操作人員預(yù)警。經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制后檢測(cè)結(jié)果仍超標(biāo)或系統(tǒng)故障，VOCs處理裝置與清洗裝置聯(lián)動(dòng)停機(jī)，檢測(cè)系統(tǒng)繼續(xù)檢測(cè)，控制系統(tǒng)輸出聲光報(bào)警，操作人員按操作手冊(cè)進(jìn)行維修處理或是咨詢(xún)?cè)O(shè)備廠家售后進(jìn)行技術(shù)服務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

采用“除濕+冷凝+活性炭吸附” 工藝作為油管桿清洗裝置揮發(fā)性氣體治理的主要技術(shù)，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)及控制系統(tǒng)，可有效避免油管廠生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的含油氣體直接排入大氣，具有良好的環(huán)保效益和社會(huì)效益，促進(jìn)了油區(qū)與地方的和諧發(fā)展。