加油站三次油氣回收工藝設計技術要點分析

蘇 倩，戴仁川，王 綱，賈 晉，孟春暉，王念兵，龐月峰

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油天然氣股份有限公司山東銷售分公司，山東濟南 266071

3.中國石油天然氣銷售江西分公司宜春公司，江西南昌 330038

為降低加油站有毒有害物質(zhì)的排放量并減少安全隱患，國家環(huán)?？偩趾蛧屹|(zhì)檢總局根據(jù)國內(nèi)加油站的實際情況，聯(lián)合頒布了GB 20952—2007《加油站大氣污染物排放標準》，并于2007 年8 月1 日開始實施。該標準規(guī)定了加油站油氣排放限值，提出了“油氣排放處理裝置的油氣排放濃度應小于等于25 g/m3，排放口距地平面高度應不低于4 m，排放濃度每年至少檢測1 次”的要求。

2010 年以來，霧霾在全國范圍內(nèi)持續(xù)爆發(fā)，加油站排放的油氣作為揮發(fā)性有機物（VOCs），是形成PM2.5 的重要前體物。北京市為改善空氣質(zhì)量，對加油站油氣排放限值提出了進一步的要求，北京市環(huán)境保護局修訂的DB 11/208—2010《加油站油氣排放控制和限值》明確了加油站油氣排放處理裝置的油氣排放質(zhì)量濃度應小于等于20 g/m3。

2013 年，國務院又相繼印發(fā)了《大氣污染防治行動計劃》，將控制VOCs 排放列為改善環(huán)境空氣質(zhì)量的重點任務，并要求加油站限時完成油氣回收治理。2016 年以來，國內(nèi)部分地區(qū)政府（北京、山東等） 相繼出臺了政策，強制加油站推行安裝油氣排放處理裝置以達到排放要求。在國家環(huán)保要求日益嚴格的今天，增設油氣排放處理裝置已逐步成為各地區(qū)加油站油氣回收治理的重點任務。

1 加油站油氣回收系統(tǒng)

加油站油氣回收系統(tǒng)共分為三個階段：一次油氣回收、二次油氣回收和三次油氣回收，見圖1。一次油氣回收即卸油油氣回收，是將油罐車卸油時產(chǎn)生的油氣通過密閉的方式進行收集，然后重新返回油罐車罐內(nèi)氣相空間；二次油氣回收即加油油氣回收，在給汽車油箱加油過程中，通過真空泵將由加油槍和加油箱中揮發(fā)產(chǎn)生的油氣進行回收，使其重新返回地下油罐的氣相空間。

圖1 加油站油氣回收系統(tǒng)示意

然而，二次油氣回收并沒有完全實現(xiàn)“油氣回收和再利用”的目的。隨著回收的油氣不斷進入地下油罐，油罐內(nèi)氣相空間的壓力逐漸增大，當壓力上升至呼吸閥的開啟壓力（2 ～3 kPa） 時，回收的油氣還是會經(jīng)過通氣管排到大氣中，直至油罐內(nèi)的壓力低于呼吸閥的開啟壓力。

三次油氣回收即安裝油氣排放處理裝置（以下簡稱“處理裝置”），主要用于收集由于二次回收引起的油罐壓力過高而排放的油氣。油氣通過處理裝置進行液化分離，形成的高濃度油氣（或液態(tài)油） 再次被利用，可以有效抑制油氣經(jīng)呼吸閥大量排出，降低加油站油氣排放的濃度[1-4]。

2 三次油氣回收工藝和技術應用現(xiàn)狀

2.1 三次油氣回收工藝流程

三次油氣回收系統(tǒng)，即油氣排放處理裝置通過管道與油罐連接形成的密閉回路。處理裝置的入口設有電磁閥和壓力傳感器，當檢測到油罐氣相空間的壓力上升至裝置的啟動壓力時，電磁閥開啟，吸入的油氣經(jīng)過相關工藝處理后被液化分離，得到的高濃度油氣（或液態(tài)油） 回收至油罐中再次利用，而其余空氣通過尾氣排放管排出；當檢測到罐內(nèi)氣相空間的壓力下降至停止壓力時，處理裝置停止運行，結束本次處理過程。需要注意的是：油氣排放處理裝置的啟動和停止壓力可根據(jù)其工藝和工況的不同進行調(diào)整，啟動壓力宜在300～1000Pa 之間；停止壓力宜在-500～0Pa 之間。啟動壓力過低會造成裝置頻繁啟動，過高則達不到預期的處理效果。

2.2 技術應用現(xiàn)狀

油氣排放處理裝置從原理上可分為冷凝法、吸附法、吸收法、膜分離法。由于四種油氣排放處理工藝各具優(yōu)點和缺點，因此通常會采用多種工藝結合的方法，以達到優(yōu)勢互補的目的。目前，我國油氣排放處理裝置應用的主流處理工藝包括：吸附法、冷凝- 吸附法、冷凝- 膜處理法。

2.2.1 吸附法

吸附法主要利用油氣中各組分與吸附劑（活性炭、硅膠、分子篩等） 間結合力存在強弱差別的原理，實現(xiàn)烴類物質(zhì)和空氣（主要是氧氣和氮氣） 的分離。

吸附法處理裝置主要由吸附系統(tǒng)（吸附泵、吸附罐） 和再生系統(tǒng)（脫附泵） 組成，如圖2 所示。吸附系統(tǒng)設有兩座并聯(lián)的吸附罐，當吸附罐A工作至設定時間（吸附劑吸附的油氣達到一定體積） 時，切換至吸附罐B，這時脫附泵開始對吸附罐A 進行脫附，脫附的高濃度油氣將返回到汽油罐中。兩座吸附罐交替進行吸附和脫附的過程，以實現(xiàn)處理裝置的不間斷運行。

圖2 吸附法處理裝置示意

吸附法處理裝置具有易維護、低能耗、高效率的優(yōu)點，被廣泛應用于加油站中。但由于吸附材料易飽和且壽命短，在頻繁開停和異常工況下容易導致吸附劑失效；同時，吸附床容易產(chǎn)生高溫熱點，存在安全隱患。

2.2.2 冷凝-吸附法

冷凝- 吸附法采用冷凝法和吸附法的組合工藝。首先，利用油氣在不同溫度和壓力下具有不同的飽和蒸氣壓的原理，將油氣冷凝至液態(tài)油（冷凝溫度為-10 ～-20℃），而未冷凝為液態(tài)的濃度較低的油氣再通過一個吸附系統(tǒng)，烴類物質(zhì)進一步被吸附劑吸附。冷凝液化的液態(tài)油和脫附的高濃度油氣均返回至油罐中。冷凝- 吸附法處理裝置示意見圖3。

圖3 冷凝- 吸附法處理裝置示意

冷凝- 吸附法處理裝置綜合了兩種工藝的優(yōu)點，規(guī)避了缺點。冷凝法的安全性及油氣回收的效率較高，但要達到排放標準需要將油氣冷卻到-70℃的低溫，所需能耗大，運行費用高；吸附法所需能耗較低，但吸附材料易飽和，并易產(chǎn)生高溫熱點。而冷凝- 吸附法處理裝置采用先冷凝再吸附的方案，既降低了裝置能耗，又避免了高溫熱點，克服了安全隱患。

2.2.3 冷凝-膜分離法

冷凝- 膜分離法采用冷凝法和膜分離法的組合工藝，其處理裝置示意見圖4。

圖4 冷凝-膜分離法油氣處理裝置示意

冷凝- 膜分離法處理工藝的工作原理是：首先使部分油氣冷凝液化，未冷凝為液態(tài)的濃度較低的油氣利用不同組分在膜表面滲透速率存在差異的原理，實現(xiàn)烴類物質(zhì)的分離。

膜分離法是目前最新研發(fā)的油氣回收工藝，投資較大、能耗高，其優(yōu)點是設備體積小，適合在場地較小的加油站內(nèi)使用[7-8]。冷凝- 膜分離法油氣回收裝置綜合了兩種工藝的優(yōu)點，具有裝置占地面積小、操作簡便、容易維護、運行安全、投資回報率高的特點，因此，該方法自投入市場以來得到了廣泛的應用。

3 加油站三次油氣回收工藝設計

3.1 三次油氣回收設計原則

3.1.1 管道設計原則

三次油氣回收系統(tǒng)工藝管道連接方案如圖5 所示。油氣排放處理裝置為橇裝設備，設有進氣管、回氣管和尾氣排放管，進氣管與高標號汽油罐氣相連接，回氣管與低標號汽油罐氣相連接，凈化后的空氣通過尾氣排放管排出。在管路的鋪設過程中應保持管道坡度≥1%，以保證凝液回流到油罐中。

圖5 三次油氣回收系統(tǒng)工藝管道連接方案示意

3.1.2 設備布置原則

（1） 安全間距滿足規(guī)范要求。GB 50156—2012（2014 年版）《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》中對加油站內(nèi)汽、柴油設備與站內(nèi)外的建（構） 筑物的安全間距均有詳細的規(guī)定，但未明確對油氣排放處理裝置安全間距的相關要求。

目前，在設計中通常采用將處理裝置比照為其他工藝設施的方法來確定其安全間距。一些設計單位將處理裝置比照為卸油口；Q/SH 0117—2007《油氣回收系統(tǒng)工程技術導則》中規(guī)定：將處理裝置比照為通氣管；而中國石油集團工程技術研究有限公司采取了更為保守的做法，將其比照為加油機（根據(jù)加油站爆炸危險區(qū)域劃分，處理裝置與站區(qū)圍墻和可用地界線的距離不應小于3 m）。

（2） 從節(jié)約投資、減少工期的角度選擇布置方位。宜選擇處理裝置的進氣管、回氣管和尾氣排放管管道長度較短、地面開挖較少的方案。

（3） 根據(jù)實際操作經(jīng)驗，選擇美觀、易操作的位置。美觀：處理裝置的接管一側不宜朝向加油區(qū)的方向，其正面應朝向加油區(qū)方向；易操作：處理裝置的正前方不應設有遮擋物，以確保有足夠的檢修空間。

3.2 三次油氣回收工藝設計方案

近年來，為響應國家環(huán)保政策和地方政府的要求，新建加油站和已建成運營的加油站均有增設三次油氣回收系統(tǒng)的需求。新建加油站和改造加油站的設計思路存在差異：對于新建加油站，三次油氣回收系統(tǒng)與站內(nèi)其他設施統(tǒng)一設計，協(xié)調(diào)布局，并同時開展施工；而對于已經(jīng)建成投入運營的加油站，則要求在不改變其他設施，盡量減小施工工程量的情況下，增設三次油氣回收系統(tǒng)。

3.2.1 新建加油站

3.2.1.1 工藝設計方案

針對新建站點，三次油氣回收系統(tǒng)常規(guī)的工藝設計方案是將處理裝置的進氣管連接到高標號汽油罐的人孔蓋上，回氣管連接至低標號汽油罐的人孔蓋上，尾氣排放管通常與油罐通氣管統(tǒng)一協(xié)調(diào)布置。工藝流程見圖6。

圖6 三次油氣回收系統(tǒng)常規(guī)工藝設計方案

當遇到特殊情況（例如：油罐人孔蓋開孔空間有限、處理裝置遠離罐區(qū)布置） 或從減少管道安裝工程量的角度考慮，處理裝置的進氣管可連接到高標號汽油罐通氣管上，回氣管連接至二次油氣回收主管道上。

3.2.1.2 設備布置方案

當罐區(qū)非承重布置（采用非車行道下罐區(qū)）時，按照減小管道長度的原則考慮，處理裝置宜布置在罐區(qū)附近；根據(jù)美觀且易操作的原則，處理裝置的正面宜面向加油區(qū)，而接管一側面向圍墻。設備布置方案參見圖7。

圖7 油氣排放處理裝置布置方案（新建加油站、非承重罐區(qū)）

當罐區(qū)承重布置（采用車行道下罐區(qū)）時，處理裝置應布置在不影響行車的位置，宜靠近圍墻或在加油島上布置，裝置的正面應朝向加油區(qū)進口方向。當靠近圍墻布置時，處理裝置的邊緣應與通氣管、卸油口齊平，為油罐車進站卸油提供足夠的空間，同時在工藝設施靠近行車道方向設防撞柱，以防止工藝設施被機動車誤撞，如圖8 方案一所示；當通氣管沿罩棚立柱向上敷設時，處理裝置可考慮在加油島上布置，進氣管與高標號通氣管相連，回氣管與二次回收管道相連，如圖8 方案二所示。

3.2.2 改造加油站

3.2.2.1 工藝設計方案

對于實施改造（已建加油站增設三次油氣回收系統(tǒng)） 的加油站，若采用常規(guī)的工藝設計方案，將管道連接至汽油罐的人孔蓋上，會帶來大量的施工工程量（包括地面開挖、法蘭蓋開孔等），同時增加了不必要的投資，施工時間也相對較長。因此，通常采用設備與現(xiàn)有管道連接的方案，不需要在人孔蓋上重新開孔。

改造方案一：采用從高標號汽油通氣管取氣、回氣至低標號汽油通氣管的方案。

由于油罐的氣相空間通過通氣管與大氣連通，因此當進氣管連接至高標號汽油通氣管上時，即與高標號汽油罐的氣相空間連通，可以實現(xiàn)從高標號汽油罐取氣的目的；當回氣管連接至低標號汽油通氣管上時，即與低標號汽油罐連通，可以實現(xiàn)回氣至低標號汽油罐的目的。

圖8 油氣排放處理裝置布置方案（新建加油站、承重罐區(qū)）

該方法無需動火和破壞地面，通氣管與設備進氣管連接采用三通管件連接，通氣管根法蘭以上、球閥以下部分管件在預制廠提前預制，現(xiàn)場安裝即可。工藝設計方案見圖9。

圖9 三次油氣回收系統(tǒng)改造的工藝設計方案一

改造方案二：采用從高標號汽油通氣管取氣、回氣至低標號汽油罐量油管或二次回收管道的方案。

低標號汽油罐人孔蓋上均設有與油罐液相連通的量油管和二次油氣回收管。當回氣管連接至低標號汽油罐量油管或二次回收管道上時，可以實現(xiàn)處理后的油氣回收至低標號油罐的目的。

量油管與設備回氣管連接采用焊接連接，量油管根法蘭以上、球閥以下部分管件在預制廠提前預制，施工期間現(xiàn)場安裝；二次回收管道與設備回氣管連接采用現(xiàn)場焊接的方式。工藝設計方案見圖10。

圖10 三次油氣回收系統(tǒng)改造的工藝設計方案二

3.2.2.2 裝置布置方案

對于實施改造的加油站，以減小設備接管長度、減小工程量為優(yōu)先考慮原則，設備宜布置在罐區(qū)通氣管和汽油罐附近。設備布置方案見圖11。

圖11 油氣排放處理裝置布置方案 （改造加油站）

4 結論

（1） 雖然加油站內(nèi)一次和二次油氣回收系統(tǒng)實現(xiàn)了將卸油和加油過程中揮發(fā)的油氣回收至油罐中，但隨著油罐壓力增大，回收到油罐中的油氣還是會隨著呼吸閥的開啟直接排出，并沒有完全實現(xiàn)油氣回收再利用的目的。而三次回收系統(tǒng)可以收集由于油罐壓力升高所排放的油氣，將處理后得到的高濃度油氣（或液態(tài)油） 回收到油罐中再次被利用，有效降低了加油站油氣排放濃度。油氣排放處理裝置已經(jīng)成為目前油氣回收體系中最重要、最有效的一個環(huán)節(jié)。

（2） 三次油氣回收系統(tǒng)，即油氣排放處理裝置通過管道與油罐連接形成的密閉回路，實現(xiàn)從高標號汽油罐氣相取氣，油氣經(jīng)處理后，再次回到低標號汽油罐的過程。目前，我國油氣處理裝置應用的主流工藝有：吸附法、冷凝- 吸附法、冷凝-膜處理法。其中，吸附法處理裝置具有易維護、低能耗、高效率的優(yōu)點，但因其吸附材料易發(fā)生飽和，則適用于處理量較小的加油站；冷凝- 吸附法采用“先冷凝再吸附”的方案，綜合了兩種工藝的優(yōu)點，既降低了裝置能耗，又避免了吸附材料發(fā)生飽和后導致的吸附劑失效；冷凝- 膜處理法處理裝置因其設備體積小，廣泛應用于場地較小的加油站內(nèi)。

（3） 油氣排放處理裝置設有進氣管、回氣管和尾氣排放管。三次油氣回收系統(tǒng)常規(guī)的工藝設計方案是將設備的進氣管連接到高標號汽油罐的人孔蓋上，回氣管連接至低標號汽油罐的人孔蓋上，尾氣排放管與油罐通氣管統(tǒng)一協(xié)調(diào)布置；而對于已經(jīng)建成的加油站，考慮到減小施工工程量、縮短工期等訴求，可考慮進氣管與高標號通氣管相連、回氣管與低標號汽油罐量油管/二次油氣回收管道相連的方案。處理裝置的布置方案需要從安全距離、實際操作、節(jié)約投資的角度考慮。