覆土油庫油氣回收技術的探討

逯 旭

〔華商國際工程有限公司 北京 100069〕

1 油庫油氣回收現狀

目前油氣回收系統在我國油庫設計中的大范圍應用，在益于安全環保的同時，還減少了油品損耗。

常見的油氣回收系統多用于公路發油、鐵路發油的油氣回收系統中，油庫為地面庫，采用內浮頂油罐。發油時密閉集氣，發油過程中槽車液面上升將油氣壓至密閉管道，通入油氣回收裝置；收油時由于內浮頂油罐罐體與大氣相通，收油過程不能進行全密閉回氣，通過油槽車呼吸閥自動補氣，實現壓力平衡，待再次裝油時進行回收。

在覆土油庫中，油罐在半地下或地下，罐外設置罐殼，罐殼外還有覆土，容易聚集油氣形成爆炸空間。在這種情況下如何更好地回收油氣，在此進行探討，以供參考。

2 覆土油庫油氣回收存在的問題

2.1 拱頂罐與內浮頂罐油氣回收區別

根據GB 50074《石油庫設計規范》要求，地上罐儲存汽油必須采用內浮頂油罐。覆土油庫必須采用固定頂油罐，對于覆土油庫儲存汽油是否采用內浮盤未說明。實際設計中對此問題也難于處理，若采用內浮頂，罐壁需設置多個通氣孔，若通氣孔通向罐室，則罐室油氣濃度高，易爆炸且容易造成人員窒息。若通氣孔通向罐室外，需要高出地面1.5 m，加上罐室覆土高度，總計會高出罐頂約5 m，罐頂需設計多個大口徑通氣管。通氣管道太高，罐頂鋼板較薄，開口處應力集中，易發生強度破壞，實際上也沒有這樣的設計實例。

也有方案提出在拱頂罐內加設浮盤，不設置環向通氣孔，僅設置呼吸閥的罐體設計方案，按這種方案，內浮盤的抗浮在理論計算上可以通過，但在實際調查中，發現曾出現卡盤事故。原因就是內浮盤抗浮性能對壓力負荷非常敏感，沒有較大的通氣面積，其上下浮動能力較差，易產生卡盤現象，在此不推薦使用。

按照GJB 5758《后方油料倉庫設計規范》條款規定覆土鋼質油罐可采用拱頂油罐，安裝呼吸閥。通過多年的設計實踐證明，得益于恒定的地溫影響，覆土油庫罐室氣溫常年在15～18℃，因小呼吸引起的油品揮發損耗很小，有利于油品的儲存，可不設置內浮盤。覆土油庫儲存汽油可采用拱頂罐，其儲存方式類同柴油。但用油單位有獨立的管理、評價體系。儲存方案適合不適合商用儲存，還需要看該儲存條件下的油氣排放量能否滿足環保要求。

2.2 覆土油庫拱頂罐油氣排放量計算

覆土油庫拱頂罐設有呼吸閥，油氣排放主要由通氣管、呼吸閥排出。儲存汽油條件下因溫差變化造成的油氣排放量可做如下預測：

基本數據：汽油油氣密度1.9 kg/m3，油氣體積濃度約40 %，可得出油氣質量濃度為760 g/m3。油氣主要成分為C1～C6的碳烴及環烷烴(表1)，總分子量約為42 g/mol。以10 000 m3覆 土 油 罐 為例，儲存溫度15～18℃，通氣孔高5 m。

表1 油氣組成(洛陽煉廠) 體積濃度，%

拱頂罐有溫差變化時，參考SH/T 3002《石油庫節能設計導則》。以10 000 m3油罐計算可得，年損耗量在61 m3/a，排放速率1.34 mg/h。

擴散濃度的計算：實際油罐作業時，內外壓差(G)最大為2 000 Pa，遠小于大氣壓力。可假設罐內外氣壓相等，罐體與外部環境之間通過通氣管連通，環境油氣分壓近似為零，油氣做等分子穩態擴散。油氣在大氣中的擴散系數計算可根據麥克斯韋-吉利蘭擴散系數公式估算。

式中：

D——擴散系數，m2/s；

T——溫度，K；

P——總壓力，kPa；

M——摩爾質量，g/mol；

V——物質分子體積，cm3/mol；

分子體積按照克普(Koop)加和法則計算，以洛陽煉廠油氣(純油氣)為例:

油氣分子體積：VY=14.8×4.25+3.7×4.25×2=94.35cm3/mol

空氣分子體積：VQ=31.2×0.79+25.6×0.21=30.024cm3/mol

則傳質速率為:

式中：

NA——擴散速率，kmol/(m2s)；

D——擴散系數，m2/s；

PA2、PA1——油氣內外分壓，Pa；

R——氣體常數，取8.314；

T——溫度，K；

Z——通氣管高度，m。

則在15 ℃時，標準大氣壓下，擴散系數為：1.65×10-5m2/s，通氣管長度5 m，擴散速率為：5.57×10-8kmol/(m2s)。擴散口處油氣質量濃度為2.34 mg/m3。

根據大氣污染物排放標準，非甲烷最高排放濃度為120 mg/m3，二級地區排放速率≤10 kg/h。根據儲油庫大氣污染物排放標準要求，油氣排放質量濃度≤25 g/m3。

由于油品溫差變化是長期存在的，覆土庫儲存期間溫差大多<5 ℃，引起的氣體揮發量少，不易回收，直接排放應符合國家標準要求。通過上述計算結果表明，覆土油庫儲存油品由溫差引起的油氣揮發濃度及排放量均低于國家標準要求。滿足國家給定的排放要求。

3 油氣收集方案

3.1 全置換式油氣收集系統

全置換式油氣收集系統即在收發油過程中，罐體、罐車、槽車、油氣管道互通連接，通過油氣密閉流通實現罐內汽液面壓力平衡。該系統要求罐體密閉，適用于常壓拱頂油罐油氣回收。理論上，1m3油置換1m3汽，過程全密閉。但設計過程中需處理好以下問題：

(1)對于罐體比較分散的覆土油庫，最遠罐與最近罐體距離大，油氣輸送壓力不夠，需增設增壓系統，考慮到操作壓力不能大于罐體設計壓力，所以增壓壓力(G)不宜大于2kPa。

(2)罐內油氣溫度與罐車油氣溫度(罐車、槽車)有溫差，達到平衡狀態下總氣量與卸油量有偏差。由溫差引起的膨脹氣體需進行有效估算。

由于罐體與管道互通，管道設計壓力取罐體設計壓力(G)，為2kPa，油氣在低壓、常溫狀態可按理想氣體處理。氣體流動狀態可考慮為等溫狀態。

因升溫膨脹油氣流量計算：

式中：

V——汽油作業流量，m3/h；

T——卸油環境最低溫度，K；

T0——覆土罐罐室溫度，取273+15,K；

φ——液氣比，取1.0～1.1。

注意事項：全置換式收集系統對管道、罐車的密閉性要求很高。作業時全程密閉，需要依靠液位儀表來監測油槽車液位，實現高低液位連鎖關閥控制，對自動化要求較高。但在掃槽與卸油作業同時進行時，油槽車人孔蓋必須打開進行作業觀察，密封性遭破壞，罐內油氣不能回流至槽車中。

3.2 半置換式油氣收集系統

對于掃槽收油同時進行的工況，需要將罐體液位上升排出的油氣直接輸送油氣回收裝置；發油密閉置換，收油不置換，這種系統屬于半置換式油氣收集系統。油氣流量計算如下：

式中：

V ——汽油最大作業流量，m3/h；

T——卸油環境最高溫度，K；

T0——覆土罐罐室溫度，取273+15，K；

K——液氣比，取1.0～1.1

該系統按上述公式計算，舉例某地最高氣溫35℃，最低氣溫-15℃時，按汽油作業流量500m3/h，采用全密閉式可回收油氣49.5m3/h。采用置換式可回收油氣535m3/h。

通過計算可以看出，兩種系統可回收的氣量相差很大。

主要原因在于全置換式油氣回收是全密閉過程，以控制氣體不泄漏為主，收發油的同時，氣相、液相均進行了平衡置換。回收的油氣是由于溫差、輸送壓力引起的氣體膨脹部分的體積。回收量小，回收能耗小，適宜用于周轉次數較低的覆土油庫中。

半置換式油氣回收系統，對于拱頂罐，發油時直接對槽車內油氣進行置換收集；收油時對罐體內排出的油氣直接進行回收；對于內浮頂罐體收油時不產生油氣，不需要回收。最大回收氣量約等同于進出油品的體積。回收量大，回收能耗高，但油槽車掃槽、收油可以同時進行，以方便人工觀測。對收發油自動化程度要求不高。

4 油氣處理能耗分析

4.1 油氣處理工藝

目前設計多采用三種油氣回收方法，吸附吸收式、冷凝式、組合式。

吸附吸收式油氣回收為連續操作，吸附罐為2個，循環使用。吸附飽和后進行解附吸收，解附吸收為間歇操作。缺點是單程回收效率較低，約為70 %，設備體積大。優點:操作負荷彈性大。

冷凝式為低溫制冷，分中溫冷凝和純冷凝。中溫冷凝溫度為-75 ℃，采用冷凝、吸附、富集高濃度油氣，中溫冷凝回收。純冷凝法冷凝溫度為-110 ℃，采用復疊制冷，連續操作可冷量交換，降低能耗，但發油不均勻時冷量交換效率低，能量損耗大。受制冷量影響，操作負荷彈性小。

組合式油氣回收有膜冷凝吸附組合，采用分離膜與活性炭循環富集高濃度油氣實現低溫冷凝，冷凝溫度為0～5 ℃，避免了結霜、低溫，但流程復雜，穩定性差。

目前市場多用冷凝法加吸附或膜法組合回收，冷凝加吸附法分離能耗較小，主要因素集中在冷凝上。因制冷溫度越低，能耗越大，產生的結霜問題不易解決。

綜上所述，選用合理的回收方法要求首先能耗低。油氣回收是節能減排的環保措施。能耗太高使回收得不償失。其次要求效率高。回收的對象是油氣，該部分僅占40 %，其中的空氣和水汽屬于流程中的惰性氣體，對回收不利，回收過程中先行分離空氣和水汽可最大程度地減少制冷量、避免結霜、提高回收效率。最后氣相負荷操作彈性要大，油庫收發油作業存在不均勻性，油氣回收流量波動較大。綜合考慮，采用先吸附后冷凝的方案是比較合理的。

4.2 吸附加冷凝回收工藝的能耗計算

第一階段吸附凈化。首先對油氣進行吸附凈化，活性炭對油氣有吸附作用，對空氣和水汽沒有吸附作用，該階段操作壓力(G)≤5 000 Pa，利用罐體密封壓力實現，無能耗損失。

第二階段解附。利用真空泵抽真空解附，解附壓力約為(A)1 500 Pa，解附主要成分為高濃度油氣，幾乎不含空氣及水汽。可采用油封機械真空泵，理論能耗：

式中：W——功率，J；

P1、P2——吸氣、排氣壓力，Pa；

Q——吸氣量(吸入狀態)，m3/s；

K——效率因數0.045～0.186。

出口壓力取常壓，計算可得解附能耗為:34kW/Nm3，

第三階段冷凝回收。油氣首先降溫至3～5℃，冷凝出碳氫化合物重組分和攜帶的少量水，降低在以后階段的結霜可能性。在第二級制冷，油氣進一步冷卻到-50～-75℃，可回收90 %的油氣，剩余油氣重新吸附。能耗計算如下：

理論功：

式中：W——功率，J；

T1——進氣溫度，K；

T2——排氣溫度，K；

ΔH——制冷量，J/kg。

如果是回收C3及以上的氣體，常壓下沸點為-47.4℃，冷凝溫度需達到-50℃。

取石油餾分基準溫度-17.8℃，特性因數K=11.8時，石油餾分基準條件下的液相焓值數學關聯式：

式中：HL——液相焓值，kj/kg；

T——溫度，K；T≤393K；

Ai——3.3165487157、-17.666590816、23.073903359、-29.937175505、66.201122462。

石油餾分在基準條件下氣相焓值數學關聯式：

HV=4.184A1T1.8eU+(A3T0.3+A4T0.5)7V

HV——氣相焓值，kj/kg；

T——溫度，K；

Ai——0.002 139、0.028 222、1.480 359、

-0.270 972。

取汽油相對密度0.72，平均解附溫度15℃，冷凝溫度0～5℃，1kg油氣焓變為523.61kJ，經換算(標準狀態)1m3油氣焓變982kJ，需理論功(標準狀態)330kJ/m3，合0.092khW/m3。由于吸附解附后幾乎不含空氣，因此對于進入裝置的每立方油氣含空氣60 %，每處理1m3解附油氣相當于處理2.5m3混合氣，實際混合氣處理功耗(標準狀態)為0.046 2khW/m3。

5 結論

由此可見覆土油庫儲存汽油采用拱頂罐時，其排放速率及排放濃度可以滿足標準要求。大呼吸時，由于無內浮盤，油氣損耗排放量巨大，必須采用有效的回收措施。

覆土油庫中，運用全置換式油氣回收系統更為合理。因為拱頂罐容易實現低壓時全密封，需要回收的油氣量很小，尤其對于低周轉次數的儲備庫更為適宜。

目前采用純冷凝法功耗(標準狀態)為0.2～0.3 khW/m3，采用吸附吸收法能耗(標準狀態)為0.15～0.3 khW/m3，而吸附冷凝法實際混合氣處理功耗(標準狀態)為0.046 2 khW/m3，僅為其他工藝的30 %。綜合比較采用先吸附后冷凝的回收工藝優勢明顯，值得進一步開發此類產品，并進行推廣使用。