加油站二次油氣回收氣液比波動(dòng)問題的分析及對(duì)策

騰天驕

〔中國(guó)石化河北石油分公司 河北石家莊 050021〕

汽油是多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮渲械臒N類組分具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，在汽油揮發(fā)過程中產(chǎn)生的VOCs(揮發(fā)性有機(jī)化合物)與大氣中的二氧化硫、氮氧化物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧，這是造成霧霾的重要原因之一。為降低汽油儲(chǔ)存、運(yùn)輸、銷售環(huán)節(jié)的大氣污染，我國(guó)于2007年左右開始在全國(guó)施行成品油庫、運(yùn)輸車輛及加油站的油氣回收改造工作，相繼出臺(tái)了《GB20950—2007 儲(chǔ)油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《GB20951—2007 汽油運(yùn)輸大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《GB20952—2007 加油站大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等系列國(guó)家及地方標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)章，對(duì)油氣回收系統(tǒng)的改造、安裝、使用及檢測(cè)進(jìn)行指導(dǎo)與約束。

1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油氣回收系統(tǒng)檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)要求

加油站油氣回收系統(tǒng)由卸油油氣回收系統(tǒng)(一次回收)、加油油氣回收系統(tǒng)(二次回收)、油氣排放處理裝置(三次回收)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。按照《加油站大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求每年對(duì)油氣回收管線液阻、油氣回收系統(tǒng)密閉性、油氣回收系統(tǒng)氣液比進(jìn)行一次檢測(cè)。同時(shí)，按照地方政府環(huán)保監(jiān)管部門的要求，部分加油站安裝了油氣排放處理裝置和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每年需要對(duì)處理裝置的油氣排放濃度檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)校驗(yàn)一次。

1.1 氣液比

氣液比(A/L)是指加油時(shí)通過二次回收設(shè)備收集的油氣體積與同時(shí)加入油箱內(nèi)的汽油體積的比值。氣液比是反映二次回收系統(tǒng)是否能夠有效收集揮發(fā)油氣的關(guān)鍵指標(biāo)?！都佑驼敬髿馕廴疚锱欧艠?biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，二次回收系統(tǒng)氣液比均應(yīng)在大于等于1.0和小于等于1.2范圍內(nèi)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣液比要求超出0.9 ～1.3范圍(即超標(biāo)10 %)進(jìn)行輕度警告，若連續(xù)7 d處于輕度警告狀態(tài)應(yīng)報(bào)警；超出0.6～1.5范圍(即超標(biāo)40 %)時(shí)進(jìn)行重度警告，若連續(xù)24 h處于重度警告狀態(tài)應(yīng)報(bào)警。

1.2 液阻

液阻是指油氣回收管線因溫度、壓力等條件變化形成凝析液體或管道坡度變化等原因，在管道內(nèi)對(duì)氣體流通造成的阻力。液阻較大會(huì)嚴(yán)重影響回氣效果，也會(huì)間接影響氣液比指標(biāo)。

1.3 密閉性

密閉性是指油氣回收系統(tǒng)在一定氣體壓力狀態(tài)下的密閉程度?！都佑驼敬髿馕廴疚锱欧艠?biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，所有影響密閉性的部件，包括管線、法蘭、閥門、快速接頭以及其他相關(guān)部件都應(yīng)保證在小于750 Pa時(shí)不漏氣，油氣回收在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也同時(shí)利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)油氣回收系統(tǒng)的密閉性。密閉

性是檢驗(yàn)加油站環(huán)節(jié)整個(gè)油氣回收系統(tǒng)是否有效的重要指標(biāo)，二次回收系統(tǒng)存在密閉性較差的問題也會(huì)影響氣液比指標(biāo)。

在實(shí)際檢測(cè)過程中，氣液比、密閉性和液阻三項(xiàng)指標(biāo)中，氣液比指標(biāo)的達(dá)標(biāo)率遠(yuǎn)低于密閉性和液阻兩項(xiàng)指標(biāo)；在實(shí)際維保過程中發(fā)現(xiàn)，影響密閉性和液阻指標(biāo)的因素較少，而影響氣液比指標(biāo)的因素較多。氣液比是油氣回收系統(tǒng)中最重要、技術(shù)含量最高、檢測(cè)頻率最高、達(dá)標(biāo)率最低，且爭(zhēng)議最多的控制指標(biāo)[1]。

2 美國(guó)和德國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣液比指標(biāo)的要求

美國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)油氣回收系統(tǒng)的研究起步較早，自20世紀(jì)60、70年代就研制出了基于活性炭吸附、貧油吸收等工藝為基礎(chǔ)的油氣回收裝置，后期德國(guó)也推出了基于膜分離技術(shù)的油氣回收裝置。我國(guó)的油氣回收研究起步于80、90年代，并在2007年前后編制了以北京市地標(biāo)為基礎(chǔ)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)相比較，我國(guó)對(duì)二次回收的氣液比指標(biāo)主要借鑒了美國(guó)CARB的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1 美國(guó)

美國(guó)對(duì)油氣回收的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定可以追溯到聯(lián)邦和州兩個(gè)層面。聯(lián)邦層面主要以EPA的要求為主，州層面以加州CARB的標(biāo)準(zhǔn)要求最為嚴(yán)格，大部分州均參照CARB制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，CARB還出臺(tái)了一系列較為嚴(yán)格的認(rèn)證程序?qū)佑驼緦?shí)施油氣回收認(rèn)證。CARB在二次回收認(rèn)證中要求對(duì)靜壓性能、溢油量、車載油氣回收系統(tǒng)兼容性、液體殘油、加油槍“噴濺”、油罐壓力等指標(biāo)進(jìn)行了具體約束。特別對(duì)氣液比指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定，要求氣液比由申請(qǐng)人提出，依照氣液比測(cè)試試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，沒有后處理裝置的最大氣液比認(rèn)證不應(yīng)超過1.00，有后處理裝置的最大氣液比認(rèn)證不應(yīng)超過1.30；要求二次油氣回收系統(tǒng)的碳?xì)浠衔锱欧乓蜃雍托蕬?yīng)達(dá)到夏季效率95 %并且碳?xì)浠衔镄孤┝俊?.38 lb/1 000 gals，冬季效率95 %或者碳?xì)浠衔镄孤┝俊?.38 lb/1 000 gals的要求。

2.2 德國(guó)

德國(guó)機(jī)動(dòng)車加油過程中所產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锱欧畔拗捣钜?guī)定，油氣回收系統(tǒng)的氣液比范圍為0.95～1.05；同時(shí)，不允許新鮮空氣經(jīng)由汽油泵前的任何設(shè)備進(jìn)入油氣回收管道。目的在于只對(duì)油箱內(nèi)液體揮發(fā)的油氣進(jìn)行有效收集，避免對(duì)新鮮空氣造成污染。

3 氣液比波動(dòng)問題的原因分析

選取同一地區(qū)5座安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的加油站(分別以A、B、C、D、E表示)，加油站之間距離小于20 km，調(diào)取同一天24 h的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，5座加油站73條汽油加油槍24 h共計(jì)加油2739筆，其中氣液比>1.2的筆數(shù)189筆，<1.0的筆數(shù)666筆，合格率僅為68.78 %，波動(dòng)范圍為0.44～2.67。經(jīng)過進(jìn)一步分析看出，C、D兩座站達(dá)標(biāo)率較高，且達(dá)標(biāo)率較高的時(shí)段加油相對(duì)集中，異常時(shí)段多出現(xiàn)在加油頻率較低時(shí)期；A、D、E三座站氣液比變化波動(dòng)較大，未發(fā)現(xiàn)特定規(guī)律。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 同一地區(qū)5座加油站氣液比數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)顯示，加油站氣液比指標(biāo)在不進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)的情況下，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定在1.0～1.2的控制范圍。這充分說明只有在特定條件下，才能對(duì)氣液比進(jìn)行有效的控制。假設(shè)一條校準(zhǔn)過的加油槍，加油流速為38 L/min，有一臺(tái)校準(zhǔn)后確保每分鐘回收38 L油氣的真空泵，所有連接部件密閉性完好。在汽車油箱內(nèi)的油品與加油站對(duì)應(yīng)油罐內(nèi)汽油的油品組分、雷特蒸氣壓(RVP)、溫度等條件全部一致的情況下，才能實(shí)現(xiàn)加注1 L汽油可以收回1 L的油氣。但是在現(xiàn)實(shí)情況下，這些假設(shè)條件根本不可能完全相同，所以氣液比會(huì)存在動(dòng)態(tài)變化的問題，主要原因：

3.1 油品組分的影響

汽油是一種混合物，主要成分是C4～C12的輕烴，易溶于苯和醇類。正是由于汽油組分的復(fù)雜性，所以當(dāng)兩種油品進(jìn)行混合后，形成的新混合物體積不可以采用簡(jiǎn)單的加和方式來計(jì)算。例如：一個(gè)50 L的汽油油箱，已經(jīng)裝有10 L 92號(hào)汽油，再加入10 L 95號(hào)汽油。由于兩種汽油的組分不能夠保證完全相同，所以混合后的液體體積不能為20 L整。不僅是不同標(biāo)號(hào)的油品由于組分不同會(huì)影響混合物體積，而且我國(guó)在部分地區(qū)已經(jīng)推廣了乙醇汽油，含有10 %乙醇的汽油與不含有乙醇的高清潔油品進(jìn)行混合時(shí)，混合后的情況將更為復(fù)雜，更不可能為簡(jiǎn)單地體積加和方式。所以，不能夠簡(jiǎn)單的把氣液比指標(biāo)設(shè)置為加入1 L油會(huì)有1 L油氣被排出。

3.2 汽油揮發(fā)率的影響

汽油是一種易揮發(fā)物質(zhì)，汽油的揮發(fā)率隨著溫度的變化而變化。隨著溫度的升高，汽油揮發(fā)率隨之增高；相反，溫度越低汽油的揮發(fā)率也會(huì)隨之降低。例如：一個(gè)裝滿汽油的油罐在22 ℃時(shí)，油氣體積濃度為35 %，但當(dāng)溫度升高至36 ℃時(shí)，油氣體積濃度會(huì)達(dá)到59 %。汽油溫度的差異會(huì)使回收率受到較大的影響。假設(shè)地下油罐的溫度為25 ℃，而加油車輛油箱內(nèi)的溫度是10 ℃，意味著油罐內(nèi)油氣濃度高于汽車油箱中的油氣濃度。當(dāng)汽油從油罐加入汽車油箱時(shí)，油箱內(nèi)的油氣平衡條件會(huì)被打破。汽車油箱中的汽油溫度升高而產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)。由于溫度升高汽油揮發(fā)率上升，油氣揮發(fā)量會(huì)隨之增加。在這種情況下，氣液比在試驗(yàn)狀態(tài)下大約會(huì)升高至1.3，甚至更高。反之，如果油箱內(nèi)的汽油溫度高于油罐內(nèi)的汽油溫度，在此工況下氣液比會(huì)低于1.0。

不僅溫度會(huì)影響汽油的揮發(fā)，揮發(fā)率也會(huì)隨著季節(jié)性變化的RVP而變化，在冬季汽油所含的揮發(fā)性化學(xué)成分要比在夏天的時(shí)候多，所以在夏天為了防止因高溫而造成的過度蒸發(fā)排放，部分國(guó)家政府部門會(huì)要求降低RVP。除此之外，影響汽油揮發(fā)率的因素較多，甚至磁化作用也會(huì)對(duì)汽油的揮發(fā)造成影響。所以，揮發(fā)情況的不斷變化會(huì)導(dǎo)致二次回收時(shí)收集到的油氣體積不斷變化，氣液比也會(huì)隨之變化。

3.3 設(shè)備完好率的影響

二次回收系統(tǒng)由油氣回收加油槍、加油膠管、油氣分離器、真空泵、回收管線等設(shè)備組成。由于設(shè)備較多，且工藝較為復(fù)雜，所以設(shè)備的完好率和連接部位的密閉性都會(huì)對(duì)整個(gè)二次回收系統(tǒng)造成影響，而且會(huì)集中體現(xiàn)在氣液比指標(biāo)的變化中。常見的問題：

一是集氣罩破損或不匹配。油氣回收加油槍的集氣罩如果出現(xiàn)破損，在加油過程中產(chǎn)生的油氣就無法進(jìn)行有效收集。由于汽車油箱口標(biāo)準(zhǔn)暫未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，所以會(huì)出現(xiàn)加油槍集氣罩與油箱口不匹配的問題，導(dǎo)致集氣罩無法覆蓋油箱口，油氣無法實(shí)現(xiàn)有效收集。

二是加油槍及膠管損壞。由于油氣回收加油槍采用雙層管設(shè)計(jì)，在兩層管的中間層為回氣的氣相空間，在加油槍管上部開有回氣孔。由于雙層管的強(qiáng)度不及單層管，在日常使用過程中加油、掛槍環(huán)節(jié)會(huì)發(fā)生加油槍與油箱口、加油槍與加油機(jī)的碰撞，有時(shí)可能會(huì)發(fā)生加油槍墜落、加油膠管被碾壓、過度彎折等問題。在這個(gè)過程中會(huì)造成加油槍管受損，氣相空間被破壞、回氣孔被堵塞等問題，影響回氣量。

三是振動(dòng)引發(fā)的密閉性破壞。加油機(jī)在工作狀態(tài)下由于自吸泵、潛油泵、真空泵的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)。若設(shè)備故障振動(dòng)過大，會(huì)造成法蘭及管線的連接部位發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致密閉性被破壞。

四是真空泵功率下降。真空泵在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于設(shè)備頻繁啟動(dòng)、停止，長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生的磨損，造成功率下降，致使整個(gè)二次回收系統(tǒng)回氣量降低。

4 提高氣液比達(dá)標(biāo)率的改進(jìn)方法

由于影響氣液比的因素較多，且溫度、RVP、油品組分等客觀不可控因素較多，所以提高油氣回收氣液比的達(dá)標(biāo)率，需要從操作行為和設(shè)備完好率兩方面進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

4.1 規(guī)范進(jìn)行加油操作

在操作過程中，要將加油槍集氣罩完全覆蓋油箱口，避免產(chǎn)生間隙，破壞油箱口密閉性，更不可以為追求加注更多的油品，在加油跳槍后將加油槍提出，使集氣罩脫離油箱口，提高自封高度強(qiáng)制再次加油；在操作過程中也要盡可能減少加油槍管的碰撞，避免膠管產(chǎn)生過度彎折，更要杜絕加油槍跌落與膠管被碾壓，從而提高達(dá)標(biāo)率。

4.2 集中式改為分散式油氣回收

通過檢查發(fā)現(xiàn)，集中式油氣回收的氣液比達(dá)標(biāo)率遠(yuǎn)低于分散式油氣回收的達(dá)標(biāo)率，這由其原理所致。集中式油氣回收不可避免地會(huì)存在“一泵多槍”的問題，而且大部分真空泵不能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)，這也就人為造成了加油槍流量與真空泵吸氣能力不匹配，所以很難實(shí)現(xiàn)多條槍同時(shí)加油的氣液比達(dá)標(biāo)，而且液阻也會(huì)對(duì)真空泵產(chǎn)生較大影響。而分散式油氣回收，特別是采用了DURR型真空泵的“單泵單槍”形式會(huì)有效解決此類問題。

4.3 推廣電子式氣液比調(diào)節(jié)閥

氣液比調(diào)節(jié)閥分為機(jī)械式和電子式。機(jī)械式調(diào)節(jié)閥需要手工操作對(duì)安裝在回氣管線上的閥門進(jìn)行流量大小調(diào)節(jié)，而進(jìn)行手工調(diào)節(jié)的前置條件是需要對(duì)加油槍的氣液比進(jìn)行檢測(cè)，通過檢測(cè)數(shù)值的大小進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。電子式調(diào)節(jié)閥可將加油泵、真空泵的運(yùn)行參數(shù)傳輸至PLC，由PLC來控制氣液比調(diào)節(jié)閥。所以電子式氣液比調(diào)節(jié)閥比機(jī)械式調(diào)節(jié)閥更方便、更及時(shí)、更準(zhǔn)確。

4.4 提高二次回收設(shè)備的完好性

針對(duì)管線、法蘭等連接部位容易因松動(dòng)漏氣導(dǎo)致密閉性被破壞的問題，可以定期采用便攜式VOCs檢測(cè)儀器對(duì)可能發(fā)生松動(dòng)的連接部位進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行整改，通過提高設(shè)備的密閉性提高達(dá)標(biāo)率。

5 小結(jié)

由于氣液比的不可控因素較多，特別是溫度、RVP、油品組分等客觀因素的影響是產(chǎn)生氣液比波動(dòng)的主要原因，即使大家采取了規(guī)范操作和提高設(shè)備完好率的方式，在日常作業(yè)中也只能有限度地提高氣液比的達(dá)標(biāo)率，不可能實(shí)現(xiàn)完全控制。只有在檢測(cè)和認(rèn)證條件下，通過相對(duì)穩(wěn)定的工況條件，進(jìn)行有效的干預(yù)調(diào)節(jié)后，才能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求1.0～1.2的認(rèn)證值?？紤]氣液比的不可控性，從環(huán)境保護(hù)的角度分析，關(guān)注氣體排放情況的更關(guān)鍵指標(biāo)為密閉性，建議《加油站大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》在修訂過程中，取消對(duì)加油站二次回收氣液比達(dá)標(biāo)范圍的要求，或通過充分的調(diào)研論證和技術(shù)分析，放寬對(duì)氣液比達(dá)標(biāo)范圍要求，從而有效地指導(dǎo)企業(yè)做好油氣回收工作。