油氣回收技術的研究現狀及應用實例

李紅焱

摘 要：文章介紹了油氣回收技術的研究現狀，并展開討論了結合吸附法和吸收法在實際工程中的應用實例，并結合項目的特點，分析了油氣回收裝置的環保性和經濟性，為油氣回收技術的推廣應用提供了一個真實的案例，以供后續研究和應用借鑒。

關鍵詞：油氣回收；油氣排放；環境保護

中圖分類號：TE972 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0063-03

Abstract： This paper introduces the present research situation of oil and gas recovery technology， discusses the application examples of combined adsorption method and absorption method in practical engineering， and analyzes the environmental protection and economy of oil and gas recovery unit according to the characteristics of the project. It provides a real case for further study and application of oil and gas recovery technology.

Keywords： oil and gas recovery； oil and gas emission； environmental protection

1 概述

在現代工業生產鏈條中，石油及其衍生品一直都占有極其重要的地位。在石油及其衍生品的開采、煉制、儲運及銷售的過程中，輕質油品（如汽油）揮發性強，因此存在著較為嚴重的油氣蒸發損耗問題，由此造成的油品損耗，以及環境污染都是比較嚴重的。據1995年第四屆國際石油會議報道，在英國油品從井場經煉制加工到成品銷售的全過程中油品損耗的數量約占原油總產量的3%。有研究指出，如按石油年消耗量3億噸計算，汽油從煉油廠到用戶的儲、運、銷等過程中至少會排放飽和油氣量約為5億立方米，其中包含的輕質油品量約為50萬噸。因此，在各個生產環節中控制油品的蒸發以及盡可能地利用回收技術收集和回收氣化的油品無論在經濟上，還是在環境保護方面都有著十分重要的意義。

目前處理石油制品的揮發性損失主要有以下三種方法：

（1）在油品的儲存環節，主要是油品儲罐的設計上采取有效措施，抑制油品蒸發，比較常用的方法是采用內浮頂儲罐。

（2）設置火炬，將油品蒸發排放氣就地焚燒，或采用焚燒爐和余熱鍋爐系統綜合利用，盡可能回收部分能源。

（3）利用油氣回收技術，盡可能回收油品。

這三種方法目前均已廣泛地應用于石油化工相關行業的生產、儲運及銷售的各個環節中，但各有其適用范圍。第一種方法主要應用于揮發性很高的石油衍生品如汽油的存儲中，大量用于相關的成品油儲罐區，但不適用于大量的車船裝卸作業及固定頂罐的收發作業。第二種方法多用于煉油廠和相關的石油化工行業中的尾氣處理，以保護環境、降低油氣對大氣環境的污染為主要目的，但存在著能源浪費，在經濟上損失較大。在尾氣、廢液和固體廢料排放量很大的情況下，也有設置專門的焚燒爐和余熱鍋爐系統回收利用的方案，但這種方案初投資較大，僅適用于大型的石油化工企業。第三種方法是一種經濟有效的回收方法，可以推廣應用于油品的收發作業如汽車、火車或輪船的裝車站等場所，這也是國家的節能減排政策所大力推廣的技術。

2 油氣回收技術現狀

從經濟性和環境保護兩方面來看，油氣回收技術主要還是適用于輕質分油品（如汽油）含量較高，揮發性較強的儲存和銷售過程中。在油品裝卸過程中的油氣通過鶴管收集，通過管道輸送到油氣回收裝置中，通過吸附、冷凝或者吸收，膜處理或多項技術結合使用等技術手段使油氣轉變為液態油品，從而有效地回收利用，減少浪費，并提高經濟性。

目前，國內外最常用的油氣回收技術主要有以下四種：吸收法、吸附法、冷凝法和膜分離法。

2.1 吸收法

油氣中通常含有多組分的烴類化合物，各組分在特選的吸收劑中的溶解度是不同的。因此，利用這個特性可以進行油氣和空氣的分離。吸收劑的選擇將直接影響回收的效率，通常吸收劑采用和油氣同種的油品或較低質油品如柴油等貧油。吸收劑和油氣在吸收塔中逆流進行充分接觸，油氣中的不同油品組分會被吸收劑選擇性吸收，未被吸收的油品組分將和油氣中的空氣一起從吸收塔的頂部直接排放到大氣中，為安全起見，通常在排放口之前設置阻火器。吸收完成的吸收劑包括回收的油品，則從吸收塔底部回收，一起回到吸收劑儲罐，從而實現油品的回收利用。吸收法一般包括常溫常壓吸收法和常壓低溫吸收法這兩種典型的方法。

2.2 吸附法

吸附法的工作原理是選擇合適的吸附劑（如活性炭，硅膠或活性纖維等），利用其對油氣中油品組分和空氣的吸附力區別很大的特性來實現油氣和空氣的分離。典型的吸附法系統由吸附塔、真空泵、吸收塔等設備組成。在吸附塔中，利用吸附劑將油品組分吸附在吸附劑表面，然后再經過抽真空脫附，將附著在吸附劑表面的油品組分抽吸到吸收塔中液化，從而實現油品的回收利用。空氣及未被吸附的少部分油品組分經排氣管排放到大氣中。

2.3 冷凝法

冷凝法的工作原理是利用油氣中不同油品組分在不同溫度下的飽和蒸氣壓的差異，通過降溫使不同的油品組分達到過飽和狀態，并直接冷凝為液態的油品，以此來實現油品組分和空氣的分離。通常會采用多級連續冷卻，以實現不同油品組分的有效分離和回收。

2.4 膜分離法

這種技術的要點在于選擇合適的膜。利用一些特殊的高分子膜對油氣中的有機烴類化合物有優先透過性的特點，通過一定的壓力推動，使油氣中的油品組分先通過高分子膜，并在膜后密封收集已經分離出來的油品，并用管道輸送回油罐或用其他方法液化后輸送回油罐，從而實現油品的回收利用。

這幾種油氣回收工藝都存在著各自的優缺點，單一的方法，往往很難實現較高的回收效率，因此，在實際應用中，通常都是將幾種方法相結合，根據不同項目的具體情況制定出合理的工藝方案，只有這樣，才能更好的發揮各種回收技術的優勢。如冷凝法和吸附法，或者吸附法和吸收法的結合都是經常采用的方法。本文將展開介紹在實際工程中應用吸附法和吸收法相結合的應用實例。

3 吸附法回收技術的應用實例

3.1 項目概況

本項目是位于新加坡裕廊島的成品油儲罐區，項目共有3個3000m3及2個5000m3的汽油罐，3個8000m3的柴油罐和2個5000m3的航油儲罐，另外配套8個汽車裝車站臺，設置有31臺汽車裝車鶴管，其中14臺汽油裝車鶴管，最多可以同時進行5臺汽車，共10個裝車鶴管的汽油裝車作業。

新加坡對油氣的排放有明確的要求，按照當地規范，最大的油氣排放量必須小于10g/m3。

為滿足環保的要求，并且最大程度地回收汽油蒸發的油氣，提高項目的經濟效益，本項目采取了下列措施：

（1）所有的汽油儲罐均設置了帶雙層密封（Double Wiper）的內浮頂。有效地防止了油氣在儲罐內的揮發。

（2）設置一套油氣回收裝置（VRU-Vapor Recovery Unit），在每個汽油裝車站臺均設置一根油氣回收鶴管（Vapor Recovery Arm），在汽車裝油作業的同時，將汽油槽車內的油氣通過油氣回收鶴管收集，然后利用管路輸送到油氣回收裝置中回收處理。

柴油和航油因為其揮發性不強，但考慮到環保和操作人員的安全，同樣設置油氣回收臂，將油氣收集后通過管路輸送到裝車站臺屋頂，通過阻火器后直接排放到大氣中。

（3）油氣回收系統工藝流程

通過方案比選，最終本項目選定活性炭吸附法結合吸收劑吸收的工藝流程來回收汽油并回到汽油儲罐。工藝流程簡圖見圖1。

汽油從儲罐中通過管道輸送到汽車裝車站臺，通過汽油裝車鶴管將汽油裝入汽油槽車。在汽油裝車過程中，車體空間內的油氣組分在油品不斷注入的過程中，用油氣回收鶴管收集起來，然后通過管路輸送到油氣回收裝置中進行吸附和吸收處理。

為保證排放達到環保要求，本項目的油氣回收裝置必須具備連續不間斷工作的能力。因此，本項目中設置了兩臺吸附塔（一臺吸附，同時另一臺解析再生），兩臺真空泵（一臺備用），一臺吸收塔，以及兩臺供油泵（一臺備用）和兩臺回油泵（一臺備用）。油氣空氣混合氣體在進入油氣回收系統之后，將通過電動閥的開關來選擇進入兩個吸附塔中的一個。吸附劑采用特殊的活性炭，活性炭的數量則是根據油氣和空氣的濃度及排放量來確定的。在吸附塔中，油氣中的油品組分被吸附到活性炭粒子表面，而油氣中的空氣成分則不受活性炭的影響，因此，會自由地流過活性炭，并在吸附塔的頂部排入大氣。活性炭的選擇將直接影響到油氣回收裝置的工作效率，通常會根據油品的組分情況選擇合適的活性炭。本項目選擇的活性炭是一種超級煤基活性炭，具有很高的吸附能力，容易再生（解析），高機械性能，低壓力降等特點。

活性炭對空氣中的水蒸汽有一定的吸附能力。相比于油氣中油品組分，活性炭對水蒸汽的吸附能力要弱得多，但空氣中的水蒸汽仍對油氣回收系統的整體效率有一定影響。尤其是新加坡的氣候空氣中的相對濕度較大，最大可達100%，并常年保持在80%以上，因此在油氣進入吸附塔前設置了一個去濕罐，以盡可能除去大部分水蒸汽。

在吸附塔的出口設置有連續在線碳氫化合物排放濃度檢測系統（CEMS-Continuous Emission Monitoring System）實時檢測排放濃度，并設定報警值低于運行的排放濃度10g/m3。

當用于吸附的吸附塔中的活性炭接近設計的吸附極限，或者當出口濃度檢測儀報警排放濃度已經達到設定值時，就應該立刻將油氣切換到另一個已經再生完成的吸附塔。而這個達到吸附極限的吸附塔就進入再生程序，將其中已經吸附的油品組分用真空泵抽真空的方式全部抽出，并輸送到吸收塔中用同種液態油品吸收。真空泵采用干式回轉螺桿真空泵，能產生足夠的真空度，將吸附到活性炭表面的有機烴化合物從活性炭顆粒中抽吸出來，并從活性炭床底部流出。兩個吸附塔就這樣交替運行，當一個在進行吸附作業時，另一個就同時進行再生流程，保證油氣回收裝置的連續穩定運行，滿足本項目加油站連續運行的排放和回收利用要求。

從真空泵抽出的油品組分將送入吸收塔中，利用同種液態油品作為吸收劑，將回收的油品組分吸收，以完成回收利用的整個流程。在吸收塔中，真空泵送來的氣相油品組分從底部進入向上流動，同時，從汽油儲罐抽出汽油作為吸收劑通過供油泵送到吸收塔的頂部向下噴淋，在吸收塔的中部則設置有一層厚厚的填料層（拉西環組成），以增加氣相油品組分和液態吸收劑的接觸面積和接觸時間，保證氣相油品被吸收劑充分吸收和溶解。吸收完成后的液體油品從吸收塔底部流出，用回油泵輸送回到汽油儲罐。

3.2 主要技術參數

本油氣回收裝置的主要技術參數如下：

（1）最大瞬時流量（10臺鶴管同時操作）：1080m3/hr。

（2）設計最大排放濃度：10g/m3。

（3）設計處理能力。

15分鐘最大處理量：110m3；

1小時最大處理量：330m3；

24小時最大處理量：2000m3；

年最大處理量：301，500m3。

（4）裝置入口油氣濃度：平均30%體積濃度。

（5）裝置入口壓力：35mBar（g）。

3.3 經濟性分析

本項目油氣回收系統包括油氣處理裝置，油氣回收鶴管，相關管路閥門及附件，還有控制系統等，工程總造價大約為人民幣800萬元。

按照汽油的特性，其主要的特性參數如下：

汽油氣與空氣的比重比：Dg=3.5

空氣的密度：Da=1164g/m3 @30℃

油氣回收裝置入口濃度：Cin=30%（平均）

油氣回收裝置排放濃度：Cout<10g/m3

年最大處理油氣量：V=301，500m3。

根據上述數據，計算得出每年實際排放的汽油重量最大約為：

Qout=Cout*V=301，500*10/1000=3015kg。

每年進入油氣回收裝置的最大汽油重量約為：

Qin=Cin*V*Dg*Da=30%*301，500*3.5*1164/1000=368，493.3kg

因此，每年實際回收的汽油總重量最大約為：

Qr=Qin-Qout=368，493.3-3015=365，478.3kg

以目前汽油價格7元人民幣每升計算，每年可以回收的汽油價值為：

V=365，478.3*7=2，558，348.1元人民幣

因此，僅以靜態的初投資回收周期計算，大約8000000/2558348.1=3.13年就可以回收全部油氣回收裝置的初投資。當然，在考慮運行維護費用及財務費用后，整個裝置的投資回收成本會更長一些，但總的來看，在汽油儲罐區和汽油裝車過程中，設置油氣回收系統一方面及滿足了環保的要求，同時也能帶來非常可觀的經濟效益，有著十分重要的工程實際應用價值。

4 結束語

世界各國對環境保護日益重視，各國家和地區均已陸續制定各種法律標準及規范來嚴格約束油氣排放，不僅如此，很多地區還將排放的標準進一步提高。如新加坡就從2016年以前城區要求25g/m3的排放要求提高到了10g/m3。同時，輕組分（如汽油）油氣的高揮發性也要求盡可能回收，以減少油氣蒸發損失，提高經濟效益。因此，發展和應用油氣回收技術越來越受到世界各國和地區，以及各石油化工企業的高度重視。同時，多種油氣回收方法的聯合使用也是油氣回收技術的發展方向，并勢在必行。

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