倉(cāng)儲(chǔ)罐區(qū)油品裝車(chē)油氣回收工藝探討

顏夕仁

(揚(yáng)州恒基達(dá)鑫國(guó)際化工倉(cāng)儲(chǔ)有限公司，江蘇揚(yáng)州 211900)

倉(cāng)儲(chǔ)罐區(qū)(國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類(lèi)(GBT 4754—2017)G5941油氣倉(cāng)儲(chǔ)[1])油品在儲(chǔ)存、收發(fā)油過(guò)程中，受溫度、氣壓、儲(chǔ)罐氣液相體積變化等因素的影響，部分揮發(fā)性組分排入大氣，不僅造成油品的耗損，而且導(dǎo)致了一定的環(huán)境污染，同時(shí)還存在嚴(yán)重的火災(zāi)隱患。倉(cāng)儲(chǔ)罐區(qū)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放執(zhí)行《儲(chǔ)油庫(kù)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20950—2020)，規(guī)定油氣處理裝置排放限值為25 g/m3，同時(shí)根據(jù)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)、《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 儲(chǔ)油庫(kù)、加油站》(HJ 1118—2020)，規(guī)定企業(yè)邊界非甲烷總烴(NMHC)平均濃度限值為4 mg/m3[2]。隨著國(guó)家對(duì)石油化工企業(yè)VOCs排放要求日趨嚴(yán)格，強(qiáng)制性規(guī)定倉(cāng)儲(chǔ)罐區(qū)油品在儲(chǔ)存、收發(fā)油過(guò)程必須設(shè)置油氣回收系統(tǒng)，對(duì)儲(chǔ)罐和裝卸車(chē)、船等儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施揮發(fā)的油氣進(jìn)行回收利用，防止大氣污染。

按照最新安全、環(huán)保要求，儲(chǔ)存甲B、乙A類(lèi)油品應(yīng)選用金屬浮艙式的浮頂或內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐[3]，需對(duì)排放氣體進(jìn)行收集治理的儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)[4]，推進(jìn)儲(chǔ)油庫(kù)油氣回收治理，汽油、航空煤油、原油以及真實(shí)蒸氣壓小于76.6 kPa的石腦油應(yīng)采用浮頂罐儲(chǔ)存[5]，油品裝車(chē)發(fā)油時(shí)產(chǎn)生的油氣應(yīng)密閉收集，并送入油氣處理裝置回收處理。油氣回收技術(shù)是油品裝車(chē)減少油氣無(wú)組織排放的最經(jīng)濟(jì)、最有效方法，通過(guò)油氣回收利用，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益以及消除安全隱患都具有十分重要的意義。

1 油氣回收原理及方法

油氣回收就是將油品在儲(chǔ)運(yùn)、裝卸過(guò)程中排放的油氣和空氣混合物，通過(guò)技術(shù)手段予以收集，將混合物中的油氣分離出來(lái)，排出混合物中的空氣組分，從而達(dá)到油氣回收利用，降低環(huán)境污染，保護(hù)環(huán)境的目的。為達(dá)到《儲(chǔ)油庫(kù)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20950—2020)排放限值要求，目前油品裝車(chē)油氣回收工藝主要有如下方法[6]：

1.1 冷凝+吸附法

冷凝時(shí)，常壓油氣通過(guò)深冷復(fù)疊機(jī)組多級(jí)梯度降溫，油氣溫度處理到-75 ℃，此時(shí)油氣回收率約為92%，達(dá)不到GB 20950—2020的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，冷凝后的油氣必須再次進(jìn)行吸附處理，從而使油氣回收率>98%，尾氣排放濃度<20 g/m3。

1.2 冷凝+RTO法

冷凝時(shí)，常壓油氣通過(guò)深冷復(fù)疊機(jī)組多級(jí)梯度降溫，油氣溫度處理到-75 ℃，此時(shí)油氣回收率約為92%，達(dá)不到GB 20950—2020的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，冷凝后的貧油氣進(jìn)入RTO爐，經(jīng)焚燒處理，油氣回收率>98%，尾氣排放可達(dá)到《化學(xué)工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB32 3151—2016)規(guī)定的80 mg/m3的要求。

1.3 吸附法

油氣回收系統(tǒng)一般采用活性炭作為吸附劑，油氣在吸附塔內(nèi)被吸附，利用干式真空泵對(duì)吸附塔內(nèi)活性炭進(jìn)行真空再生，再利用貧油溶劑在吸收塔內(nèi)對(duì)高濃度烴蒸汽進(jìn)行吸收，吸收液返回油罐，其工藝單元包括：油氣收集、吸附、脫附、吸收等，油氣回收率>98%，尾氣排放濃度<20 g/m3。此方法工藝操作繁瑣，活性炭用量較大，危廢處置量大。

上述幾種油氣回收技術(shù)都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于冷凝+吸附法、吸附法，少量C4以下低沸餾分均予以回收轉(zhuǎn)換為液態(tài)烴，冷凝液極易發(fā)生二次揮發(fā)，若回用，一定要按比例與成品油混合，即為回收→混合→再回收，循環(huán)往復(fù)，電力消耗較大，運(yùn)營(yíng)成本較高；冷凝+RTO法的少量C4以下低沸餾分大多進(jìn)入RTO裝置進(jìn)行焚燒處理，處理效果好，但投資較大，RTO爐現(xiàn)場(chǎng)布置限制較多，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較高。

2 油氣回收工藝

為吸收冷凝+吸附的優(yōu)點(diǎn)，減少C4以下低沸餾分二次揮發(fā)，降低電力消耗，滿(mǎn)足GB 20950—2020的大氣污染物排放要求，擬對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)罐區(qū)油品裝車(chē)采用冷凝+吸附+氣相平衡的方法，主要做法是：將裝卸車(chē)臺(tái)氣相回收管線與倉(cāng)儲(chǔ)罐區(qū)罐組相連，將油品裝車(chē)呼氣與儲(chǔ)罐出料吸氣相平衡，儲(chǔ)罐氣相空間基本保持穩(wěn)定，平衡的氣相無(wú)需油氣回收，減少了低沸餾分二次揮發(fā)，降低了能耗，利用倉(cāng)儲(chǔ)罐區(qū)的罐組油氣回收系統(tǒng)實(shí)施裝車(chē)油氣的回收，因此在裝卸車(chē)臺(tái)不需要單獨(dú)建設(shè)油氣回收裝置。

2.1 工藝簡(jiǎn)介

H公司油品裝車(chē)系統(tǒng)共有12個(gè)油品裝車(chē)鶴位，采用底部發(fā)油方式。底部發(fā)油快速接頭(DN100)和油氣回收快速接頭(DN50)采用自封式快速接頭，與罐車(chē)快速連接。發(fā)油時(shí)，油品進(jìn)入罐車(chē)而呼出油氣，經(jīng)阻火器聯(lián)通到相應(yīng)罐組，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐-罐車(chē)的氣相平衡；儲(chǔ)罐(帶內(nèi)浮頂)設(shè)置氮封、阻火呼吸閥、緊急泄放裝置、油氣回收接口、氣相平衡線，儲(chǔ)罐的呼吸、油氣回收和氮封的壓力遵照《石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)VOCs治理項(xiàng)目油氣連通工藝實(shí)施方案及安全措施指導(dǎo)意見(jiàn)》的示例進(jìn)行設(shè)置，保持儲(chǔ)罐油氣回收裝置正常運(yùn)行。

2.2 工藝流程

圖1為汽油裝車(chē)油氣回收工藝圖。

圖1 汽油裝車(chē)油氣回收工藝示意圖

采用底部發(fā)油、底部快接油氣的方式，將油品裝車(chē)呼出油氣與儲(chǔ)罐相連，建立罐車(chē)-儲(chǔ)罐氣相平衡線，在氣相平衡管線上設(shè)置風(fēng)泵和壓力傳感器。

對(duì)儲(chǔ)罐罐頂呼出廢氣管道系統(tǒng)進(jìn)行壓力平衡核算，確定泄氮閥、呼吸閥的合理背壓及管道的合理管徑，確保油氣傳輸管道的沿程阻力不影響泄氮閥或呼吸閥的正常排氣。

儲(chǔ)罐油氣通過(guò)油氣回收裝置的引風(fēng)機(jī)送入深冷機(jī)組，引風(fēng)機(jī)由油氣回收總管的壓力傳感器聯(lián)鎖，自動(dòng)變頻運(yùn)行。油氣在冷凝主機(jī)內(nèi)被多級(jí)梯度降溫，最終冷卻至-75 ℃，冷凝析出低沸油品，至此約92%的烴類(lèi)組分被分離出來(lái)。

未被冷凝處理的低濃度油氣進(jìn)入到吸附系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)由兩只吸附罐交替進(jìn)行吸附—脫附，經(jīng)過(guò)吸附系統(tǒng)分離出來(lái)的尾氣經(jīng)阻火器安全高空排放，從而使油氣回收率>98%，尾氣排放濃度<20 g/m3。

3 工藝分析與評(píng)估

3.1 油氣輸送管路

在罐車(chē)與儲(chǔ)罐的氣相平衡管路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證罐車(chē)油氣通過(guò)平衡線正常泄放，兼顧氮封的泄氮閥、儲(chǔ)罐呼吸閥的背壓(閥后壓力)處于可接受的較小值，保證泄氮閥、呼吸閥的正常啟閉；為防止罐車(chē)內(nèi)油氣壓力過(guò)大，在氣相平衡管線上設(shè)置風(fēng)泵和壓力傳感器，根據(jù)油氣壓力的大小自動(dòng)變頻運(yùn)行風(fēng)泵，以滿(mǎn)足任意發(fā)油量條件下的油氣氣相平衡。

計(jì)算油氣氣相平衡線的沿程壓阻，因正常操作的油氣平衡管路中雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于4 000，根據(jù)阿里特蘇里公式，計(jì)算管道壓阻如下：

管道阻力系數(shù):

λ=0.11×(ε/d+68/Re)0.25

式中λ為管道阻力系數(shù)；ε為絕對(duì)粗糙度，m；d為油氣管道直徑，m；Re為雷諾數(shù)。

上式適用于雷諾數(shù)Re>4 000，正常操作條件下的油氣管道系統(tǒng)中雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于4 000。

則單位長(zhǎng)度內(nèi)管道的阻力為：

式中p為管道阻力，Pa/m；λ為管道阻力系數(shù)；d為油氣管道直徑，m；μ為油氣平均流速，m/s；ρ為油氣密度，kg/m3。

在油氣管道系統(tǒng)中ε/d較小，基本不影響λ結(jié)果；在流量一定的情況下，管道的管徑變化對(duì)管道阻力的影響非常大，因油氣平衡管線較長(zhǎng)，本工藝方案設(shè)定單位長(zhǎng)度的管道壓降小于1 Pa，設(shè)計(jì)4輛油品罐車(chē)同時(shí)裝車(chē)，合計(jì)流量約200 m3/h，并以此作為罐車(chē)呼出油氣量的最大流速，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，為減小氣相平衡管線阻力，選擇氣相平衡主管線直徑為DN150。

3.2 儲(chǔ)罐氣相中油氣氧含量監(jiān)測(cè)

儲(chǔ)罐可能會(huì)由于罐車(chē)上層油氣中混入空氣，平衡到儲(chǔ)罐罐頂氣相空間，在罐頂一定區(qū)域內(nèi)將形成爆炸性混合氣體，增加油氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)，因此必須對(duì)罐頂氣相空間設(shè)置氧含量分析儀，保持油氣氧含量體積分?jǐn)?shù)在6%以下[7]，當(dāng)氧氣濃度>6%時(shí)，泄氮閥動(dòng)作，儲(chǔ)罐補(bǔ)充氮?dú)猓行Ы档蛢?chǔ)罐氣相空間油氣氧含量，保證油氣處理工藝安全。

3.3 “深度冷凝”+吸附

壓縮機(jī)制冷采用雙級(jí)復(fù)疊制冷的方法，通過(guò)四個(gè)溫度場(chǎng)(25、4、-25、-75 ℃)進(jìn)行梯度降溫，最終油氣溫度處理到-75 ℃，使混合氣體中的大部分油氣直接液化回收，其油氣回收率可達(dá)92%，剩余少量貧油氣(主要為C4以下烴組分)進(jìn)入活性炭吸附工段。

貧油氣經(jīng)熱交換后溫度升為常溫，此時(shí)油氣濃度約70 g/m3，進(jìn)入活性炭吸附系統(tǒng)。維持吸附系統(tǒng)一直處于常溫、常壓狀態(tài)，貧油氣從吸附罐底部通過(guò)活性炭床層，避免因活性炭吸附負(fù)荷過(guò)大而導(dǎo)致吸附床層產(chǎn)生高溫?zé)?，吸附后油氣回收?98%，尾氣非甲烷總烴(NMHC)排放濃度<20 g/m3。

3.4 儲(chǔ)罐油氣工藝操作[4]

儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力為-0.5～2.0 kPa；采用氮封來(lái)防止儲(chǔ)罐出現(xiàn)負(fù)壓而從呼吸閥吸入空氣，保持罐內(nèi)微正壓，氮封閥正常壓力設(shè)定值0.2～0.5 kPa，并應(yīng)避免與呼吸閥(設(shè)定值1.0～1.5 kPa)、儲(chǔ)罐油氣回收控制閥(設(shè)定值0.7～1.0 MPa)等出現(xiàn)壓力交集，產(chǎn)生不必要的氮?dú)鈸p耗和浪費(fèi)，油氣在設(shè)定壓力區(qū)間時(shí)引至油氣回收裝置處理。當(dāng)?shù)忾y失靈不能及時(shí)關(guān)閉，造成罐內(nèi)壓力超過(guò)1.5 kPa時(shí)，通過(guò)呼吸閥外排。

3.5 罐車(chē)油氣接口

汽車(chē)罐車(chē)按照標(biāo)準(zhǔn)采用適宜的裝載方式，推廣采用密封式快速接頭[8]。傳統(tǒng)的頂部浸沒(méi)式裝車(chē)，在罐車(chē)頂部采用錐形密封帽與罐車(chē)接觸式軟性連接，密封性較差，油氣逸散明顯，造成油氣收集效率較低，因此必須對(duì)裝卸車(chē)氣、液管線平臺(tái)改造，采用罐車(chē)底部發(fā)油、底部排氣，底部發(fā)油快速接頭和油氣回收快速接頭采用自封式快速接頭，由原先接觸式軟性連接改為硬性連接，增強(qiáng)收集管線的密封性，減少揮發(fā)性有機(jī)物的排放，提高收集效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

a) 采用冷凝+吸附+氣相平衡的方法，將罐車(chē)、儲(chǔ)罐的氣相空間連通成一個(gè)氣相系統(tǒng)，平衡的氣相無(wú)需油氣回收，減少低沸餾分二次揮發(fā)，降低了能耗，利用倉(cāng)儲(chǔ)罐區(qū)的罐組油氣回收使儲(chǔ)罐油氣達(dá)標(biāo)排放，工藝簡(jiǎn)單，油氣回收率>98%，尾氣排放濃度<20 g/m3；在裝卸車(chē)臺(tái)不需要單獨(dú)建設(shè)油氣回收裝置，節(jié)省了設(shè)備投資。

b) 在罐車(chē)油氣輸送管路設(shè)置風(fēng)泵和壓力傳感器，根據(jù)油氣壓力自動(dòng)變頻運(yùn)行風(fēng)泵，滿(mǎn)足任意發(fā)油量條件下的油氣氣相平衡。

c) 罐頂氣相空間設(shè)置氧含量分析儀，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐氣相空間氧含量，及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)?，降低油氣氧含量，保證油氣處理工藝安全。

d) 底部發(fā)油和底部油氣回收，采用自封式快速接頭，增強(qiáng)收集管線的密封性，減少揮發(fā)性有機(jī)物的排放。