某油庫油氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬迪　陸菲

摘??? ??要：為了解決油庫油氣回收的實(shí)際問題，比較了常見的油氣回收技術(shù)方法的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收系統(tǒng)，并結(jié)合中化石油安徽六安有限公司六安油庫及灌裝站實(shí)際情況進(jìn)行了應(yīng)用研究。結(jié)果表明“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收設(shè)計(jì)方案具有操作簡單和經(jīng)濟(jì)效益明顯的優(yōu)勢，且在吸附劑選擇時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)先級別為吸附選擇性>孔容>傳質(zhì)動力學(xué)特征>成本>可再生性、兼容性。研究成果可為油氣回收技術(shù)方案的設(shè)計(jì)和吸附劑選擇提供理論支撐。

關(guān) ?鍵 ?詞：能源綜合利用;油氣回收;“硅膠-活性炭”吸附法;吸附劑選擇

中圖分類號：TE09?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1479-04

Design and Research of Oil and Gas Recovery System in an Oil Depot

MA Di1， LU Fei2

（1. Sinochem Petroleum Anhui Co.， Ltd.， Hefei Anhui 230031， China;

2. CNSG Anhui Hongsifang Co.， Ltd.， Hefei Anhui 230000， China）

Abstract： In order to solve the practical problems of oil and gas recovery in oil depots， the characteristics of common oil and gas recovery technology methods were compared， and a “silica-activated carbon” adsorption method for oil and gas recovery system was designed. Combined with actual situation of Lu'an oil depot and filling station in Sinochem petroleum Anhui Co.， Ltd.，the application of the oil and gas recovery system was studied. The results showed that the “silica-activated carbon” adsorption method for oil and gas recovery had the advantages of simple operation and obvious economic benefits， and the priority of each index in the selection of adsorbent was as follows： adsorption selectivity> pore volume> mass transfer dynamics> cost > renewability and compatibility. The research results can provide theoretical support for the design of oil and gas recovery technology solutions and the choice of adsorbents.

Key words： Comprehensive utilization of energy; Oil and gas recovery; "silica gel-activated carbon" adsorption method; Adsorbent selection

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，石油產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)呈現(xiàn)井噴式增長形式，石油行業(yè)迎來了迅猛發(fā)展的階段。然而由于石油產(chǎn)品加工和儲運(yùn)過程中產(chǎn)生大量的油氣，一方面造成了能源的大量浪費(fèi)，另一方面，油氣中含有多種氣相烴類有毒有害氣體，易造成中毒事故。同時(shí)因油氣具有較為活躍的化學(xué)活性，當(dāng)濃度達(dá)到一定限度后，極易造成火災(zāi)爆炸事故，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，造成汽油及其化學(xué)制品火災(zāi)爆炸事故的主要原因是產(chǎn)品儲運(yùn)過程中的會發(fā)產(chǎn)生的可燃?xì)怏w。據(jù)國際統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年我國原油加工量達(dá)6.0357億t，原油儲運(yùn)過程揮發(fā)損失約為3‰^[1]，油氣損失量約為10億m?，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。因此，加強(qiáng)油庫油氣回收工作勢在必行。國內(nèi)外工程技術(shù)研究人員對油氣回收問題進(jìn)行了大量的嘗試，形成了一系列的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案，有力的促進(jìn)了油氣回收技術(shù)的進(jìn)步。例如：夏怡^[2]通過采用分級回收技術(shù)，對加油站油氣回收系統(tǒng)進(jìn)行了構(gòu)建，并對系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了修訂;寇杰^[3]采用回收與處理相結(jié)合的研究思路，優(yōu)選出了基于低溫吸收和蓄熱氧化的油氣回收技術(shù)方案， 并通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了測試，為油氣回收技術(shù)方案的開發(fā)提供了參考。王杰^[4]系統(tǒng)研究了汽油油氣回收的技術(shù)特點(diǎn)，從安全性、經(jīng)濟(jì)型和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)角度比較了“冷凝+吸附”和“冷凝+低溫催化氧化”兩種油氣回收技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為企業(yè)進(jìn)行油氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論參考;戴海夏^[5]從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度分析了對油庫油氣回收系統(tǒng)進(jìn)行改造的投資經(jīng)濟(jì)分析，為企業(yè)進(jìn)行油氣回收系統(tǒng)改造提供了技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案參考。

這些研究對促進(jìn)油氣回收技術(shù)經(jīng)濟(jì)升級有著巨大的參考價(jià)值，然而，現(xiàn)有的研究多集中于油氣回收理論的研究，而在具體的方案層面上論述較少。本文將以具體工程案例為研究對象，系統(tǒng)分析油氣回收系統(tǒng)的構(gòu)成和子系統(tǒng)間協(xié)作關(guān)系，以期對油氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供方案參考。

1 ?油氣回收技術(shù)原理及特點(diǎn)分析

油氣回收的技術(shù)方法較多，每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，通常在工程中應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)方法包括吸附法、冷凝法和分子膜分離法等。

1.1? 吸附法油氣回收技術(shù)

吸附法指利用固體吸附劑直接進(jìn)行油氣進(jìn)行系統(tǒng)并進(jìn)行分析的技術(shù)，吸附法主要運(yùn)用在油氣中重?zé)N組分不高的地區(qū)，且油氣的揮發(fā)量不大。實(shí)際操作中，吸附法必須對吸附劑的選用進(jìn)行合理決策，盡可能選擇成本較低，且便于進(jìn)行回收的吸附劑。

1.2? 冷凝法油氣回收技術(shù)

冷凝法是油氣回收的第二代技術(shù)，該方法主要利用揮發(fā)油氣中組分的物理特性的差異，通過采用不同的冷凝溫度，將油氣中高沸點(diǎn)的烴類物質(zhì)分離出來，并通過精餾等技術(shù)手段將烴類物質(zhì)制造為目標(biāo)產(chǎn)物。

1.3? 分子膜分離法油氣回收技術(shù)

高分子分離膜是用高分子材料制成的具有選擇性透過功能的半透性薄層物材料，在油氣回收作業(yè)時(shí)，油氣中的多種烴類物質(zhì)可以通過高分子膜的微孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到油氣與空氣的分離效果。

在油氣回收工程實(shí)踐中，行業(yè)逐漸形成“直接冷凝法”、“吸附+吸收”、“高分子置換法”等方法。各種回收方法適用不同的場所，通常而言，吸附法油氣回收裝置適用大中型油庫，冷凝法油氣回收裝置適用小型油庫、油船，“冷凝+吸附”法裝置適用加油站。

2? 油氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 油氣回收系統(tǒng)工藝路線總體設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1節(jié)的分析結(jié)論，本油氣回收系統(tǒng)采用吸附法回收技術(shù)，選擇吸附法進(jìn)行油氣回收，主要原因?yàn)樵摲椒ú僮骱唵?，可以自動?shí)現(xiàn)油氣的吸附和回收工作，且投資較小，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

油氣回收系統(tǒng)由三大組件（即吸附塔、真空泵、吸收塔）和自動控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中吸收塔設(shè)計(jì)為2臺，其功能是對油氣分別進(jìn)行吸附和脫附，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，2臺吸附塔交替運(yùn)行油氣經(jīng)吸附塔脫附后，需要通過真空泵對吸附劑進(jìn)行脫附，以實(shí)現(xiàn)對吸附劑的再生和還原;吸收塔設(shè)計(jì)為1臺，主要功能是實(shí)現(xiàn)對吸附塔吸附的油氣進(jìn)行回收;系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)和協(xié)作是通過PLC自動控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控的，在油氣回收系統(tǒng)運(yùn)行過程中，自動控制系統(tǒng)可以對各類儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，并與閾值進(jìn)行比對，但出現(xiàn)超過閾值的數(shù)據(jù)時(shí)，可以對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行安全保護(hù)和節(jié)能控制。系統(tǒng)的技術(shù)工藝路線如圖1所示。

2.1.1 ?吸附塔工藝設(shè)計(jì)

吸附系統(tǒng)由交替使用的兩個(gè)吸附塔和用來解吸汽油的真空泵構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在汽油儲運(yùn)和裝卸過程中，油氣揮發(fā)性油氣密度較?。ㄐ∮诳諝饷芏龋?，易產(chǎn)生向上的浮力，油氣在浮力作用下會自主流入吸附塔A。在吸附塔內(nèi)吸附劑的填充采取分割網(wǎng)進(jìn)行分割，吸附塔下部主要填充硅膠吸附劑，對高濃度油氣進(jìn)行吸附，吸附塔上部填充特殊活性炭吸附劑，對低濃度油氣進(jìn)行吸附。當(dāng)吸附劑吸附油氣量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，自動控制系統(tǒng)將開啟，并將吸附油氣切換至吸附塔B并進(jìn)行油氣吸附，與此同時(shí)，開始對吸附塔A進(jìn)行脫附再生還原操作。

2.1.2 ?解吸還原工藝設(shè)計(jì)

解吸還原系統(tǒng)主要工作對象是吸附塔內(nèi)已接近飽和狀態(tài)的吸附劑。在解吸環(huán)節(jié)，采用真空泵將吸附塔A抽真空，在負(fù)壓作用下，原來被吸附劑吸附的油氣開始從吸附劑中脫附出來，經(jīng)過匯集后產(chǎn)生濃縮汽油蒸氣，并送至油氣回收環(huán)節(jié)。

2.1.3? 回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過解吸產(chǎn)生的濃縮油氣進(jìn)一步運(yùn)移到吸收塔，并在吸收塔內(nèi)采用常溫常壓狀態(tài)下的汽油進(jìn)行吸收。用來進(jìn)行油氣吸收的常溫汽油通過油泵加壓送至吸收塔頂部，向下噴淋成油霧狀，并與進(jìn)入吸收塔的回收油氣進(jìn)行充分接觸，吸收的高濃度油氣可以被吸收成為汽油液體。

2.1.4? 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油氣回收自動控制系統(tǒng)的參數(shù)來源于吸附塔內(nèi)的溫度和壓力等工藝參數(shù)，裝置的運(yùn)行狀態(tài)由PLC實(shí)施監(jiān)控，控制系統(tǒng)能能夠?qū)Τ^臨界范圍的參數(shù)進(jìn)行識別，并對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2? 吸附劑選用

2.2.1 ?吸附劑選擇的影響因素

根據(jù)文獻(xiàn)[6，7]研究成果，油氣回收系統(tǒng)選擇吸附劑時(shí)應(yīng)綜合考慮吸附劑的吸附選擇性、吸附容量和孔結(jié)構(gòu)特征、吸附劑傳質(zhì)動力學(xué)特征、可再生性能、與其他吸附劑的兼容性及成本等指標(biāo)。通過比較市場常見的吸附劑特征（見表1所示），本系統(tǒng)采用了“硅膠+活性炭”吸附劑。

2.2.2 ?吸附劑選擇的原則

根據(jù)吸附效果和經(jīng)濟(jì)成本因素綜合考慮，在吸附劑選擇時(shí)遵循的基本原則為：

1）產(chǎn)品成本差別在[-15%，15%]區(qū)間時(shí)，優(yōu)先選擇吸附效果較好的吸附劑;

2）吸附效果相同或接近時(shí)，選擇產(chǎn)品成本較低的吸附劑;

3）成本和吸附效果接近時(shí)，優(yōu)先選擇可再生性能好的吸附劑。故選擇吸附劑時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)先級別為：吸附選擇性>孔容>傳質(zhì)動力學(xué)特征>成本>可再生性、兼容性。

2.2.3 ?“硅膠-活性炭”吸附劑性能分析

根據(jù)2.2節(jié)所述吸附劑選擇方法，本系統(tǒng)選擇的吸附劑種類為改良型“硅膠+活性炭”吸附劑。其中，硅膠化學(xué)式為mSiO₂·nH₂O，其分子結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)論，硅膠吸附能力主要取決于其孔結(jié)構(gòu)特征，且表現(xiàn)為吸附和脫附能力隨硅膠微孔分布情況正相關(guān)，即微孔分布越豐富，初次鈍化吸附量和動態(tài)吸附量越大?；钚蕴繉τ蜌獾奈侥芰χ饕Q于其孔徑為1～2 nm孔的發(fā)達(dá)程度。硅膠與活性炭配比根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

3? 工程應(yīng)用

3.1 ?工程概況

中化石油安徽六安有限公司六安油庫及灌裝站位于安徽省六安市霍邱縣周集鎮(zhèn)閘口村，油庫的總庫容為30 000 m³，主要儲存品種有柴油和汽油，現(xiàn)有汽油儲油罐4個(gè)共8 000 m³，均為內(nèi)浮頂式儲罐。儲油罐裝臺現(xiàn)有3個(gè)汽車槽車鶴管裝油臺位，全年灌裝油品約20 000 m³。為了實(shí)現(xiàn)對油氣的回收，減少罐區(qū)環(huán)境污染問題，2016年罐區(qū)采用了“硅膠-活性炭”吸附法回收技術(shù)進(jìn)行油罐區(qū)油氣回收試點(diǎn)，并于2018年進(jìn)行了環(huán)保驗(yàn)收檢驗(yàn)。

3.2? 檢驗(yàn)工況及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

油罐區(qū)檢驗(yàn)執(zhí)行GB20950-2007《儲油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，主要針對該罐區(qū)處置裝置進(jìn)出口、下裝鶴管、下裝鶴管油氣回收軟管接點(diǎn)及收集系統(tǒng)等部位進(jìn)行檢測。檢驗(yàn)過程中，油氣回收系統(tǒng)處置設(shè)施正常運(yùn)行?，F(xiàn)場采用多次測試得到多次平行樣結(jié)果，并對采樣、分析數(shù)據(jù)采取二級審核制度。

3.3? 檢驗(yàn)結(jié)果分析

針對罐區(qū)具體情況制定檢測方案，采用氣相測譜儀對各測點(diǎn)油氣濃度進(jìn)行檢測，并采用min-max數(shù)據(jù)處理方案對各測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各測點(diǎn)檢測結(jié)果如表2所示。

按照GB20950-2007《儲油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，罐區(qū)所有測點(diǎn)的檢測結(jié)果均達(dá)標(biāo)，說明“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收技術(shù)現(xiàn)實(shí)可行。

4? 結(jié)論

根據(jù)油庫油氣回收的現(xiàn)實(shí)需求，文章比較了常見的油氣回收技術(shù)方法的特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了一種“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收系統(tǒng)，并結(jié)合中化石油安徽六安有限公司六安油庫及灌裝站實(shí)際情況進(jìn)行了應(yīng)用研究，主要結(jié)論如下^[10]：

1）吸附法油氣回收技術(shù)操作簡單，可以自動實(shí)現(xiàn)油氣的吸附和回收工作，且投資較小，經(jīng)濟(jì)效益明顯;

2）吸附劑選擇的各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)先級別為：吸附選擇性>孔容>傳質(zhì)動力學(xué)特征>成本>可再生性、兼容性;

3）“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收設(shè)計(jì)方案在實(shí)際工程應(yīng)用中的效果良好，說明方案可行。

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基金項(xiàng)目： 安徽省六安市環(huán)保局揮發(fā)性有機(jī)物整治項(xiàng)目補(bǔ)助基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2110399）。

收稿日期： 2019-09-26

作者簡介： 馬迪（1989-），男，安徽省靈璧縣人，工程師，2010年畢業(yè)于安徽建筑大學(xué)安全工程專業(yè)，研究方向：化工安全評價(jià)研究。E-mail：415474438@qq.com。

通訊作者： 陸菲（1987-），女，中級經(jīng)濟(jì)師，研究方向：化工企業(yè)綜合管理。E-mail：1626866726@qq.com。