新型油氣回收技術(shù)在油品裝車中的應(yīng)用

蘇魯書，周正陽，宮吉超

（山東港口日照港集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800）

石油庫油品裝卸車過程中揮發(fā)出的油氣由于含有大量的鹵代烴、苯、醚類等有毒物質(zhì)，容易破壞人體的呼吸、神經(jīng)系統(tǒng)，危害操作人員的身體健康，且油氣進(jìn)入大體會(huì)形成光化學(xué)煙霧，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)［1］。此外，由于相對密度比空氣大，大量烴類氣體漂浮聚集在地面，很容易達(dá)到爆炸極限，存在較大的安全隱患，不符合生產(chǎn)現(xiàn)場HSE管理要求［2］。

近年來，隨著石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和國家安全、環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，油氣回收技術(shù)在油品裝卸、存儲(chǔ)及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的應(yīng)用愈加廣泛。裝車油氣回收技術(shù)是指在裝卸油品的過程中，利用密閉鶴管將多余的油氣收集起來，再利用回收工藝完成油氣由氣相到液相的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)油品再利用，從而達(dá)到節(jié)能增效，減少環(huán)境污染的目的［3，4］。

根據(jù)《儲(chǔ)油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20950-2007）的規(guī)定，對儲(chǔ)油庫（含煉油廠發(fā)油站臺）要進(jìn)行油氣排放控制與回收，油氣排放非甲烷總烴濃度不超過25 g/m3，油氣處理效率不低于95%。然而市場上普遍采用的是錐帽式密閉裝車油氣回收系統(tǒng)，見圖1。

圖1 傳統(tǒng)錐形密封流體裝卸臂

該結(jié)構(gòu)密封性能不可靠，（1）是油品裝車過程中罐車內(nèi)揮發(fā)油氣聚集，油氣壓力逐漸升高，而安裝在鶴管外臂上的氣缸或液壓缸無法提供足夠大的力，保證密封帽一直與罐車口緊密的貼合［5］，見圖2；（2）是由于各裝卸槽車罐口尺寸不一，操作原因?qū)е满Q管與罐車對位不準(zhǔn)，加之經(jīng)常性碰撞以及雨水侵蝕銹蝕的影響，僅靠重力作用難以實(shí)現(xiàn)鶴管與罐口間良好的密封效果，現(xiàn)場裝車作業(yè)過程中油氣揮發(fā)嚴(yán)重，可燃?xì)怏w探測儀經(jīng)常處于報(bào)警狀態(tài)，對周邊環(huán)境、人員健康以及現(xiàn)場安全管控都造成不利影響［6］。

圖2 負(fù)載變化對傳統(tǒng)錐形密封結(jié)構(gòu)影響

1 油氣回收工藝

目前國內(nèi)外油氣回收技術(shù)［7～9］從原理上大致可分為吸收法、冷凝法、吸附法及膜分離法4種類型。

（1）吸收法是基于油氣混合物中不同組分在吸收劑中溶解度的不同實(shí)現(xiàn)輕烴和其他組分分離的方法，比較常用的吸收劑有汽油、柴油和其它有機(jī)溶劑，由于油氣中的烴類組分在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與吸收劑類似，故而油氣在吸收劑的溶解度要明顯強(qiáng)于空氣。吸收法是石化領(lǐng)域應(yīng)用較常見的1種油氣回收技術(shù)，只要選擇適應(yīng)性較好的吸收劑就容易實(shí)現(xiàn)快速分離，且操作過程相對簡單，但其吸收效率和尾氣排放濃度難以達(dá)到當(dāng)前日益嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)排放指標(biāo)。

（2）冷凝法回收的工藝原理是利用烴類物質(zhì)在不同溫度下飽和蒸汽壓的差異，通過采取多級連續(xù)冷卻的方式，使油氣處于過飽和狀態(tài)，逐步實(shí)現(xiàn)油氣分子由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而達(dá)到回收的目的。冷凝法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，自動(dòng)化程度高，但采用多級冷凝需要的壓縮機(jī)數(shù)量較多，能源消耗大，運(yùn)行成本較高，且冷凝法只適用于高濃度油氣，不容易實(shí)現(xiàn)綠色低濃度排放。

（3）吸附法是采用利用烴類組分和空氣在吸附劑上親和力的強(qiáng)弱差異來實(shí)現(xiàn)烴類組分與空氣分離的回收技術(shù)，活性炭、活性纖維或硅膠是比較常用的吸附劑。吸附法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以將排放的尾氣非甲烷總烴濃度控制在10 mg/L以下，明顯低于《儲(chǔ)油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求，油氣回收效率達(dá)95%以上且裝置運(yùn)行平穩(wěn)，但吸附法也受制于吸附劑吸附容量、使用壽命以及維護(hù)成本等因素，且活性炭吸附后需及時(shí)解吸恢復(fù)活性，否則會(huì)縮短其使用壽命。

（4）膜分離法是基于溶解擴(kuò)散機(jī)理的分離技術(shù)［10］，由于各組分在膜材料2側(cè)分壓差不同，造成油氣各分子通過薄膜時(shí)的滲透速率不同，烴類組分會(huì)優(yōu)先通過膜材料，而空氣組分則被選擇性截留。膜分離法工藝相對簡單，可將尾氣中非甲烷總烴濃度控制在5～35 mg/L，但該技術(shù)受制于膜材料，進(jìn)口成本較高，且存在膜污染和膜通量問題。

綜上所述，4種油氣回收技術(shù)各有其特點(diǎn)與利弊，單一工藝方法已無法滿足當(dāng)前嚴(yán)格的排放規(guī)定［11，12］，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工況，進(jìn)行多種技術(shù)的集成組合是油氣分離技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的方向。

2 氣動(dòng)鎖緊式密閉油氣回收技術(shù)的應(yīng)用

通過對生產(chǎn)現(xiàn)場裝車系統(tǒng)實(shí)施上裝鶴管氣動(dòng)鎖緊式密封改造，實(shí)現(xiàn)密封裝置與罐車口的自動(dòng)壓緊密封，并增設(shè)“脫硫+冷凝+吸附”技術(shù)組合的油氣回收系統(tǒng)。

2.1 油氣回收裝置應(yīng)用

2.1.1 工作原理該系統(tǒng)主要有油氣收集、脫硫、冷凝、凝析油回送、吸附以及機(jī)組自控等6部分，見圖3。

圖3 油氣回收工藝流程圖

裝車過程產(chǎn)生的油氣，經(jīng)過密閉收集裝置先進(jìn)行脫硫處理（非鐵系脫硫劑效率高，安全無自燃危險(xiǎn)），脫硫后的油氣進(jìn)入冷凝系統(tǒng)進(jìn)行3級冷卻：前置級冷凝到10℃左右，冷凝出部分油和水；第1級將油氣溫度降到-30℃左右，再析出部分油和水；第2級將油氣溫度降到-70℃左右，使大部分高濃度烴類組分冷凝液化。經(jīng)過3級冷卻，大部分油氣以液態(tài)形式進(jìn)入儲(chǔ)液罐暫存，而由冷凝器出口排出的剩余油氣（只含有少量有機(jī)氣體）再經(jīng)過活性炭吸附罐進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放。

2.1.2 工藝系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)（1）自身安全性高。高濃度油氣始終在低溫下運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生高溫燃燒現(xiàn)象，活性炭吸附系統(tǒng)一直處于常溫狀態(tài)，整個(gè)處理過程油氣組分始終不接觸其它可燃、易燃物質(zhì)。另外，采用PLC自動(dòng)控制，確保制冷機(jī)組的運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)停機(jī)，故障情況下自動(dòng)報(bào)警及緊急自動(dòng)停機(jī)等功能；（2）節(jié)能性好。采取“冷凝+吸附”組合工藝，集取2種方法優(yōu)點(diǎn)、明顯降低整機(jī)能耗、尾氣排放濃度低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。同時(shí)，前置級利用第2級-70℃冷凝后的余氣將揮發(fā)氣體溫度從環(huán)境溫度降到10℃左右，把油氣中多余的冷量回收利用，有效解決了油冷回收問題；（3）控制精確。制冷系統(tǒng)不管外部環(huán)境溫度如何，均將整個(gè)系統(tǒng)的溫度精確控制，使得吸附系統(tǒng)的運(yùn)行處于設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槿肟跐舛茸兓鹞酱矊舆^度飽和超標(biāo)泄露，也不會(huì)因?yàn)槲酱矊游次斤枬M時(shí)提前脫附，節(jié)約了運(yùn)行成本；（4）使用壽命長，維護(hù)成本低。制冷系統(tǒng)使用壽命為20 a以上，采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的換熱吸附工藝和設(shè)備，安全性能好，有效克服活性炭吸附熱效應(yīng)而引起的活性炭失效，有效延長活性炭使用壽命，活性炭使用壽命可達(dá)5 a以上，維護(hù)成本低。

2.2 氣動(dòng)鎖緊密閉裝車鶴管的應(yīng)用

為保證VOCs排放達(dá)標(biāo)，減少揮發(fā)油氣對環(huán)境的污染，對裝車棧臺的25臺老舊鶴管進(jìn)行密封升級改造，徹底解決了上裝式鶴管密封油氣泄露的問題，確保100%密閉裝車。

2.2.1 結(jié)構(gòu)功能選用天邦科技開發(fā)公司生產(chǎn)的汽車頂部鎖緊式密閉裝車鶴管對原裝車設(shè)施進(jìn)行改造，見圖4。鶴管密封結(jié)構(gòu)由鎖緊機(jī)構(gòu)、雙過料壓緊氣缸、密封筒體、鶴管內(nèi)外壁及垂管組成。

參照GB/T 16291.1—2012的方法[8]，并根據(jù)實(shí)際情況做簡略處理。評價(jià)小組為實(shí)驗(yàn)室中4名男生、5名女生。首先配制5種標(biāo)準(zhǔn)滋味溶液，分別為0.35%谷氨酸鈉溶液、1%蔗糖溶液、0.7%氯化鈉溶液、0.08%檸檬酸溶液、0.5% L-異亮氨酸溶液。評價(jià)員首先對5種標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行品嘗鑒定，然后分別對2種醬油進(jìn)行滋味鑒定，0～10分制。定量分析結(jié)果以雷達(dá)圖顯示。

圖4 密閉裝車鶴管結(jié)構(gòu)

鎖緊機(jī)構(gòu)隨垂管伸入罐車口，密封橡膠圈與油罐車口發(fā)生接觸，在雙過料壓緊氣缸的驅(qū)動(dòng)下，鎖舌在密封筒體的導(dǎo)向槽上實(shí)現(xiàn)展開與收攏，當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)展開并壓緊罐車口內(nèi)臂時(shí)，鎖舌與密封筒體的相互夾緊作用使橡膠密封墊承受0.4 MPa的壓緊力，使密封裝置與罐車口緊密結(jié)合，見圖5。

圖5 鎖緊機(jī)構(gòu)夾緊狀態(tài)

當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)收攏時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)脫離罐車口內(nèi)壁，夾緊力消失，密封裝置與罐車口自然分離，密封裝置（垂管）可提出罐口，收回鶴管，見圖6。

圖6 鎖緊機(jī)構(gòu)收攏狀態(tài)

采用上裝氣動(dòng)鎖緊密封裝置，克服由于鶴管與罐車對位不準(zhǔn)確、罐車口尺寸不規(guī)范、裝油過程罐內(nèi)氣壓增大以及罐車沉降等因素導(dǎo)致上裝鶴管密封泄露的缺陷，揮發(fā)的油氣全部通過集氣管線進(jìn)入油氣回收設(shè)備再處理。

2.2.2優(yōu)點(diǎn)相比傳統(tǒng)的罐口密封形式，氣動(dòng)鎖緊式密封裝置具有密封嚴(yán)實(shí)可靠、重量輕、操作輕松簡單、易損件少、使用壽命長等突出優(yōu)點(diǎn)，徹底解決了油氣在罐車頂部裝油孔處泄露的問題。

（1）密封性能好。通過氣缸驅(qū)動(dòng)自身鎖緊機(jī)構(gòu)“夾緊”罐口這個(gè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)鶴管與油罐車柔性密封連接的效果，密封裝置能夠隨著油罐車在裝油過程中沉降而下沉，省去鶴管外臂鎖緊等機(jī)構(gòu)。另外，當(dāng)氣源壓力為0.4 MPa時(shí)，過料壓緊氣缸可以為鎖緊機(jī)構(gòu)提供400 kgf的夾緊力，保證密封裝置能夠克服罐車內(nèi)油氣壓力變化、罐車口不平整等因素而達(dá)到可靠的密封，見圖7。

圖7 空、負(fù)載時(shí)密封鶴管現(xiàn)場使用情況

（2）安全性高和使用壽命長。密封氣缸、垂管及其它結(jié)構(gòu)件均由高強(qiáng)度耐腐蝕的鋁合金材質(zhì)制造，通過合理接地可有效避免裝油過程中的靜電積聚，鎖舌則采用防爆鋁青銅材質(zhì)，防止“夾緊”罐口時(shí)產(chǎn)生火花或靜電。另外，除密封膠墊外無其它易損件，密封裝置使用壽命可達(dá)20 a。

（3）應(yīng)用范圍廣。適用于上裝鶴管密封改造，僅對鶴管進(jìn)行改造，改造過程簡單方便、施工量小、改造成本低，不需改造罐車，即可滿足大多數(shù)上裝式罐車口的密封要求。

（4）自動(dòng)化程度高。純氣動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)了密封裝置與罐車口自動(dòng)鎖緊、松開，機(jī)械動(dòng)作準(zhǔn)確、快速，降低了人員工作量，提升了裝車效率。

3 結(jié)論

運(yùn)行后，用手持VOC檢測儀實(shí)測，改造后的上裝氣動(dòng)鎖緊密封裝車時(shí)泄露點(diǎn)油氣體積分?jǐn)?shù)低限值為0.004%，高限值為0.006%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20950-2007）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值：“油氣密閉收集系統(tǒng)任何泄漏點(diǎn)排放的油氣體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過0.05%”；油氣排放濃度可控制在120 mg/m3以內(nèi)，以罐容30 t的油罐車計(jì)算，改造后可回收液化烴0.8 L，油氣回收效率由0.003 L/t提高到0.027 L/t，系統(tǒng)處理效率達(dá)到97%以上，滿足國家VOCs排放要求。

在汽運(yùn)油品裝車過程中，將傳統(tǒng)錐形密封結(jié)構(gòu)改造為氣動(dòng)鎖緊式上裝鶴管，徹底解決了罐車裝油口油氣泄露的問題，實(shí)現(xiàn)100%的密閉裝車，同時(shí)應(yīng)用“脫硫+冷凝+吸附”的油氣回收組合工藝方法，尾氣達(dá)標(biāo)后可就地排放，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操作平穩(wěn)可靠，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益顯著。