油管桿清洗設備揮發性氣體治理措施探討

范新冉，李勇，張曉璇，張智強

（中國石化勝利油田分公司設備管理處，山東 東營 257000）

1 清洗設備現狀

油管、抽油桿清洗過程中采用水煮、輻射等多種加熱形式，由于裝置存在油管進出口、溢油口以及清洗緩沖池等，會有大量油霧廢氣泄漏。利用馬扎克(B．T．M)公式、格拉罕姆氣體擴散定律等計算，設備運行過程中，揮發廢氣量約860m3/h，其中水蒸氣約占60%、VOCs約占10%、潔凈空氣約占30%。

油管、抽油桿表面都有大量原油附著，以氫碳構成的烴類為主要成分，同時含有少量硫、氮、氧及微量金屬元素，揮發排放的VOC氣體主要是C1～C8的烷烴，即：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、芳烴等，其中丙烷、丁烷和單環芳烴占有較大的比例，具有特殊氣味。

2 存在問題

目前，油管廠廠區范圍內刺鼻性氣味較重，尤其是清洗區域附近，現場操作職工只能戴口罩工作，存在較大的潛在危害。多家油管廠離居民區較近，已經多次遭群眾舉報。尤其冬季生產過程中，大量水蒸氣揮發，影響環境及人體健康的同時，對企業形象也造成一定影響。

2．1 人體健康危害

眼睛：長時間接觸可導致不適。

皮膚：長時間接觸可導致皮膚干燥、過敏，直至皮膚發炎。

吸入：長時間接觸中可導致頭暈和頭痛。

2．2 環境危害

烷烴中的氫原子被鹵原子取代的反應稱為鹵化反應，鹵化反應包括氟化、氯化、溴化和碘化等。如在日光或紫外光照射或在高溫（250～400℃）作用下，能發生取代反應，烷烴分子中的氫鹵原子能逐步被鹵原子取代，得到不同的鹵代烷的混合物。鹵代烴可破壞臭氧層導致溫室效應，也是化學煙霧、霧霾形成的前驅體物，對大氣環境具有較大危害。

3 治理技術簡介

油管桿清洗揮發性廢氣特點為VOCs濃度低(測量值 9．7mg/m3，＜ 1000ppm，約 0．001‰ )、無回收價值、不溶于水、溫度較高(40～60℃)，適用工藝為光催化氧化技術、低溫等離子體技術、活性炭吸附技術、生物除臭技術。

圖1 VOC氣體治理方案類別

3．1 光氧催化技術

在光催化反應器中，通過紫外光照射在納米TiO2光催化劑上產生電子空穴對，與表面吸附的水分(H2O)和氧氣(O2)反應生成氧化性很活潑的氫氧自由基(OH-)、超氧離子自由基(O2-、0-)和臭氧O3。能夠把各種VOC類有機物在光催化氧化的作用下還原成二氧化碳(CO2)、水(H2O)。該技術對低濃度有機廢氣的去除效率約30%-40%。該技術不成熟、造成臭氧污染、去除效率低、不耐負荷沖擊，全國多地已經禁止單獨使用光氧催化設備。

3．2 低溫等離子技術

利用高壓放電時候產生的高能電子和離子，分解廢氣分子，同時高能電子把1個氧分子分解成2個氧原子，并與氧分子再次結合成臭氧，臭氧是強氧化劑，可以氧化有機污染物。低溫等離子設備工作溫度約80～100℃、電壓約1～10萬V，因此該工藝在處理含易燃易爆有機廢氣時容易產生著火、爆炸風險，該技術對低濃度有機廢氣的去除效率約50%～60%。該技術安全性低、造成臭氧污染、去除效率低、不耐負荷沖擊。因設備爆炸導致人員死亡等多事故，全國多地已禁止單獨使用該設備。

3．3 生物除臭技術

生物除臭主要是利用微生物除臭，通過微生物的生理代謝將具有臭味的物質加以轉化，使目標污染物被有效分解去除，以達到惡臭的治理目的。該技術設備體積大、維護要求高、費效比較低，在煉化行業已經使用生物法處理技術，在做好項目建設、生產管理、運行維護等幾項主要工作的基礎上，可保持90%以上的處理效率，定期排出活性污泥，一般也不存在二次污染。

3．4 活性炭吸附技術

活性炭是經過活化處理后的碳，比表面積一般可達700～1200m2/g，其孔徑大小范圍在1．5nm～5um之間，具備比表面積大、孔隙多的特點，具有較強吸附能力。

其吸附方式主要通過2種途徑：一是活性炭與氣體分子間的范德華力，當氣體分子經過活性炭表面，范德華力起主導作用時，氣體分子先被吸附至活性炭外表面，小于活性炭孔徑的分子經內部擴散轉移至內表面，從而達到吸附的效果，此為物理吸附；二是吸附質與吸附劑表面原子間的化學鍵合成，此為化學吸附。該技術設備成本低、結構簡單、去除率大于95%，吸附飽和后只需更換活性炭或后處理。

圖2 活性炭技術原理

按照相似相溶原理，活性炭對非極性物質的吸附作用更強，而對水等極性分子的吸附作用較弱(因此在吸附單元前應將廢氣濕度降低)。本項目廢氣主要成分為烷烴，烷烴中的σ鍵極性很小，且其分子偶極矩為零，是非極性分子。因此，活性炭可以顯著吸附烷烴類物質，在工程合計得當的情況下，活性炭對有機廢氣的去除率可達95%以上，表現為非甲烷總烴NMHC的有效降低。

4 治理工藝選擇

根據對比，選擇除濕+冷凝+活性炭吸附工藝作為清洗裝置揮發性氣體治理的主要技術路線，配套自動檢測及控制系統。

4．1 降溫、除濕單元

4．1．1 功能

廢氣降溫至40℃以下；水蒸氣由氣態變為液態；顆粒物(塵)預處理至3mg/m 以下；吸收廢氣中含有的少量硫化氫氣體。

4．1．2 工藝原理

圖3 降溫、除濕單元工作原理

噴淋塔噴淋水從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經氣體分布裝置分布后，與液體呈逆流連續通過填料層，氣液兩相密切接觸進行傳質，從而使廢氣到達降溫和初步凈化的雙重效果。噴淋水為自來水，循環使用不外排。

當設備工作一段時間后，塔內噴淋水由于熱交換溫度上升，影響廢氣降溫效果。此時，噴淋塔內部盤管換熱器開始運行，該換熱裝置配套的風冷冷卻器將熱量排出，將冷水通過換熱器給噴淋水降溫，確保冷凝單元的降溫效果。

4．2 冷凍干燥單元

4．2．1 功能

進一步降低廢氣濕度，并對廢氣進行降溫；廢氣濕度＜30%；廢氣水汽露點降至0℃左右；廢氣溫度降至0～5℃。

4．2．2 工藝原理

該單元采用冷凍干燥原理對廢氣進行降溫除濕，廢氣首先在換熱器中進行熱交換，降低溫度，然后進入蒸發器被進一步降溫至0～5℃左右，在此露點，廢氣中的水分絕大多數變成液態被排出。

4．3 吸附單元

主要采用活性炭吸附方式：

圖4 活性炭空隙結構示意圖

4．3．1 功能

有效吸附烷烴、氯代烴、有機磷和氨基甲酸酯類殺蟲劑，還能吸附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、苯粉、DDT、艾氏劑、烷基苯磺酸及許多酯類和芳烴化合物。去除效率大于95%。

4．3．2 工藝原理

利用活性炭與氣體分子間的范德華力或吸附質與吸附劑表面原子間的化學鍵合成來實現吸附。

4．4 檢測及控制系統

4．4．1 實現緩沖池可燃氣體、有毒氣體檢測

在緩沖池安裝四合一在線氣體檢測儀器，實現氧氣、可燃氣和有毒氣體（包含H2S、CO、SO2、HCN）等氣體檢測及報警。在緩沖池與冷凝器之間增加H2S檢測儀器，以便后期減輕溶劑系統自動運行。所有傳感器均具有防爆功能，可就地顯示和中央控制系統顯示，所有檢測數據能傳輸到檢測集中控制系統，進行相關聲光報警。

4．4．2 揮發性氣體排放檢測及活性炭更換周期預警

在整套系統末端安裝在線式VOCs氣體檢測儀器，檢測結果具備現場讀書和中央控制系統顯示，中央控制系統接受數據后自動分析，當數據超標時控制界面會發出報警信號，同時啟動聲光報警。根據活性炭吸附原理，當VOCs超標報警時，說明活性炭吸附飽和，應及時更換活性炭，此時相關工作人員應及時更換活性炭。

4．4．3 負壓檢測

系統負壓檢測采用在線式微差壓變送器，安裝位置為各廢氣支管入口，檢測結果具備就地顯示和中央控制系統顯示2種功能，中央控制系統接受數據后自動分析，發送指令至風機提高或降低運行轉速并調節各閥門開度，在保持設備性能的前提下，以最大程度降低設備能耗，達到節能降耗目的。

4．4．4 集中控制系統

以上增加的檢測信號及其控制一并歸入到清洗機的控制系統中，在清洗機的系統顯示和清洗系統進行聯動控制，根據上述在線檢測結果（硫化氫、pH值、VOCs等）集中控制自動注堿系統、變頻調節風機轉速和控制電動風門開度，自動匹配風量，穩定輸出。當檢測結果超標，系統自動啟動預設程序進行pH值調節和風量匹配，并在清洗機監控系統中輸出報警，提示操作人員預警。經過自動控制后檢測結果仍超標或系統故障，VOCs處理裝置與清洗裝置聯動停機，檢測系統繼續檢測，控制系統輸出聲光報警，操作人員按操作手冊進行維修處理或是咨詢設備廠家售后進行技術服務。

5 結語

采用“除濕+冷凝+活性炭吸附” 工藝作為油管桿清洗裝置揮發性氣體治理的主要技術，整個過程實現自動檢測及控制系統，可有效避免油管廠生產設備產生的含油氣體直接排入大氣，具有良好的環保效益和社會效益，促進了油區與地方的和諧發展。