某油庫油氣回收系統設計

馬迪　陸菲

摘??? ??要：為了解決油庫油氣回收的實際問題，比較了常見的油氣回收技術方法的特點，設計了一種“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收系統，并結合中化石油安徽六安有限公司六安油庫及灌裝站實際情況進行了應用研究。結果表明“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收設計方案具有操作簡單和經濟效益明顯的優勢，且在吸附劑選擇時各項指標的優先級別為吸附選擇性>孔容>傳質動力學特征>成本>可再生性、兼容性。研究成果可為油氣回收技術方案的設計和吸附劑選擇提供理論支撐。

關 ?鍵 ?詞：能源綜合利用;油氣回收;“硅膠-活性炭”吸附法;吸附劑選擇

中圖分類號：TE09?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1479-04

Design and Research of Oil and Gas Recovery System in an Oil Depot

MA Di1， LU Fei2

（1. Sinochem Petroleum Anhui Co.， Ltd.， Hefei Anhui 230031， China;

2. CNSG Anhui Hongsifang Co.， Ltd.， Hefei Anhui 230000， China）

Abstract： In order to solve the practical problems of oil and gas recovery in oil depots， the characteristics of common oil and gas recovery technology methods were compared， and a “silica-activated carbon” adsorption method for oil and gas recovery system was designed. Combined with actual situation of Lu'an oil depot and filling station in Sinochem petroleum Anhui Co.， Ltd.，the application of the oil and gas recovery system was studied. The results showed that the “silica-activated carbon” adsorption method for oil and gas recovery had the advantages of simple operation and obvious economic benefits， and the priority of each index in the selection of adsorbent was as follows： adsorption selectivity> pore volume> mass transfer dynamics> cost > renewability and compatibility. The research results can provide theoretical support for the design of oil and gas recovery technology solutions and the choice of adsorbents.

Key words： Comprehensive utilization of energy; Oil and gas recovery; "silica gel-activated carbon" adsorption method; Adsorbent selection

隨著我國國民經濟的不斷發展，石油產品的生產和消費呈現井噴式增長形式，石油行業迎來了迅猛發展的階段。然而由于石油產品加工和儲運過程中產生大量的油氣，一方面造成了能源的大量浪費，另一方面，油氣中含有多種氣相烴類有毒有害氣體，易造成中毒事故。同時因油氣具有較為活躍的化學活性，當濃度達到一定限度后，極易造成火災爆炸事故，據不完全統計，造成汽油及其化學制品火災爆炸事故的主要原因是產品儲運過程中的會發產生的可燃氣體。據國際統計局統計數據顯示，2018年我國原油加工量達6.0357億t，原油儲運過程揮發損失約為3‰^[1]，油氣損失量約為10億m?，造成大量的經濟損失和環境污染。因此，加強油庫油氣回收工作勢在必行。國內外工程技術研究人員對油氣回收問題進行了大量的嘗試，形成了一系列的技術經濟方案，有力的促進了油氣回收技術的進步。例如：夏怡^[2]通過采用分級回收技術，對加油站油氣回收系統進行了構建，并對系統具體設計參數進行了修訂;寇杰^[3]采用回收與處理相結合的研究思路，優選出了基于低溫吸收和蓄熱氧化的油氣回收技術方案， 并通過實驗室和現場試驗進行了測試，為油氣回收技術方案的開發提供了參考。王杰^[4]系統研究了汽油油氣回收的技術特點，從安全性、經濟型和技術風險三個角度比較了“冷凝+吸附”和“冷凝+低溫催化氧化”兩種油氣回收技術方案的優缺點，為企業進行油氣回收系統設計提供了理論參考;戴海夏^[5]從經濟學角度分析了對油庫油氣回收系統進行改造的投資經濟分析，為企業進行油氣回收系統改造提供了技術經濟方案參考。

這些研究對促進油氣回收技術經濟升級有著巨大的參考價值，然而，現有的研究多集中于油氣回收理論的研究，而在具體的方案層面上論述較少。本文將以具體工程案例為研究對象，系統分析油氣回收系統的構成和子系統間協作關系，以期對油氣回收系統設計提供方案參考。

1 ?油氣回收技術原理及特點分析

油氣回收的技術方法較多，每種方法的優缺點各不相同，通常在工程中應用較為廣泛的技術方法包括吸附法、冷凝法和分子膜分離法等。

1.1? 吸附法油氣回收技術

吸附法指利用固體吸附劑直接進行油氣進行系統并進行分析的技術，吸附法主要運用在油氣中重烴組分不高的地區，且油氣的揮發量不大。實際操作中，吸附法必須對吸附劑的選用進行合理決策，盡可能選擇成本較低，且便于進行回收的吸附劑。

1.2? 冷凝法油氣回收技術

冷凝法是油氣回收的第二代技術，該方法主要利用揮發油氣中組分的物理特性的差異，通過采用不同的冷凝溫度，將油氣中高沸點的烴類物質分離出來，并通過精餾等技術手段將烴類物質制造為目標產物。

1.3? 分子膜分離法油氣回收技術

高分子分離膜是用高分子材料制成的具有選擇性透過功能的半透性薄層物材料，在油氣回收作業時，油氣中的多種烴類物質可以通過高分子膜的微孔結構，達到油氣與空氣的分離效果。

在油氣回收工程實踐中，行業逐漸形成“直接冷凝法”、“吸附+吸收”、“高分子置換法”等方法。各種回收方法適用不同的場所，通常而言，吸附法油氣回收裝置適用大中型油庫，冷凝法油氣回收裝置適用小型油庫、油船，“冷凝+吸附”法裝置適用加油站。

2? 油氣回收系統設計

2.1? 油氣回收系統工藝路線總體設計

根據1.1節的分析結論，本油氣回收系統采用吸附法回收技術，選擇吸附法進行油氣回收，主要原因為該方法操作簡單，可以自動實現油氣的吸附和回收工作，且投資較小，經濟效益明顯。

油氣回收系統由三大組件（即吸附塔、真空泵、吸收塔）和自動控制系統構成。其中吸收塔設計為2臺，其功能是對油氣分別進行吸附和脫附，在系統運行過程中，2臺吸附塔交替運行油氣經吸附塔脫附后，需要通過真空泵對吸附劑進行脫附，以實現對吸附劑的再生和還原;吸收塔設計為1臺，主要功能是實現對吸附塔吸附的油氣進行回收;系統各項設備功能的實現和協作是通過PLC自動控制系統進行調控的，在油氣回收系統運行過程中，自動控制系統可以對各類儀表數據進行采集和分析，并與閾值進行比對，但出現超過閾值的數據時，可以對系統運行狀態進行調整，并對系統運行進行安全保護和節能控制。系統的技術工藝路線如圖1所示。

2.1.1 ?吸附塔工藝設計

吸附系統由交替使用的兩個吸附塔和用來解吸汽油的真空泵構成。其結構如圖2所示。

在汽油儲運和裝卸過程中，油氣揮發性油氣密度較小（小于空氣密度），易產生向上的浮力，油氣在浮力作用下會自主流入吸附塔A。在吸附塔內吸附劑的填充采取分割網進行分割，吸附塔下部主要填充硅膠吸附劑，對高濃度油氣進行吸附，吸附塔上部填充特殊活性炭吸附劑，對低濃度油氣進行吸附。當吸附劑吸附油氣量達到飽和狀態時，自動控制系統將開啟，并將吸附油氣切換至吸附塔B并進行油氣吸附，與此同時，開始對吸附塔A進行脫附再生還原操作。

2.1.2 ?解吸還原工藝設計

解吸還原系統主要工作對象是吸附塔內已接近飽和狀態的吸附劑。在解吸環節，采用真空泵將吸附塔A抽真空，在負壓作用下，原來被吸附劑吸附的油氣開始從吸附劑中脫附出來，經過匯集后產生濃縮汽油蒸氣，并送至油氣回收環節。

2.1.3? 回收系統設計

通過解吸產生的濃縮油氣進一步運移到吸收塔，并在吸收塔內采用常溫常壓狀態下的汽油進行吸收。用來進行油氣吸收的常溫汽油通過油泵加壓送至吸收塔頂部，向下噴淋成油霧狀，并與進入吸收塔的回收油氣進行充分接觸，吸收的高濃度油氣可以被吸收成為汽油液體。

2.1.4? 自動控制系統設計

油氣回收自動控制系統的參數來源于吸附塔內的溫度和壓力等工藝參數，裝置的運行狀態由PLC實施監控，控制系統能能夠對超過臨界范圍的參數進行識別，并對系統運行狀態進行調整。控制系統的結構如圖3所示。

2.2? 吸附劑選用

2.2.1 ?吸附劑選擇的影響因素

根據文獻[6，7]研究成果，油氣回收系統選擇吸附劑時應綜合考慮吸附劑的吸附選擇性、吸附容量和孔結構特征、吸附劑傳質動力學特征、可再生性能、與其他吸附劑的兼容性及成本等指標。通過比較市場常見的吸附劑特征（見表1所示），本系統采用了“硅膠+活性炭”吸附劑。

2.2.2 ?吸附劑選擇的原則

根據吸附效果和經濟成本因素綜合考慮，在吸附劑選擇時遵循的基本原則為：

1）產品成本差別在[-15%，15%]區間時，優先選擇吸附效果較好的吸附劑;

2）吸附效果相同或接近時，選擇產品成本較低的吸附劑;

3）成本和吸附效果接近時，優先選擇可再生性能好的吸附劑。故選擇吸附劑時各項指標的優先級別為：吸附選擇性>孔容>傳質動力學特征>成本>可再生性、兼容性。

2.2.3 ?“硅膠-活性炭”吸附劑性能分析

根據2.2節所述吸附劑選擇方法，本系統選擇的吸附劑種類為改良型“硅膠+活性炭”吸附劑。其中，硅膠化學式為mSiO₂·nH₂O，其分子結構如圖4所示。根據文獻[8]和文獻[9]的研究結論，硅膠吸附能力主要取決于其孔結構特征，且表現為吸附和脫附能力隨硅膠微孔分布情況正相關，即微孔分布越豐富，初次鈍化吸附量和動態吸附量越大。活性炭對油氣的吸附能力主要取決于其孔徑為1～2 nm孔的發達程度。硅膠與活性炭配比根據現場試驗確定。

3? 工程應用

3.1 ?工程概況

中化石油安徽六安有限公司六安油庫及灌裝站位于安徽省六安市霍邱縣周集鎮閘口村，油庫的總庫容為30 000 m³，主要儲存品種有柴油和汽油，現有汽油儲油罐4個共8 000 m³，均為內浮頂式儲罐。儲油罐裝臺現有3個汽車槽車鶴管裝油臺位，全年灌裝油品約20 000 m³。為了實現對油氣的回收，減少罐區環境污染問題，2016年罐區采用了“硅膠-活性炭”吸附法回收技術進行油罐區油氣回收試點，并于2018年進行了環保驗收檢驗。

3.2? 檢驗工況及執行標準

油罐區檢驗執行GB20950-2007《儲油庫大氣污染物排放標準》，主要針對該罐區處置裝置進出口、下裝鶴管、下裝鶴管油氣回收軟管接點及收集系統等部位進行檢測。檢驗過程中，油氣回收系統處置設施正常運行。現場采用多次測試得到多次平行樣結果，并對采樣、分析數據采取二級審核制度。

3.3? 檢驗結果分析

針對罐區具體情況制定檢測方案，采用氣相測譜儀對各測點油氣濃度進行檢測，并采用min-max數據處理方案對各測點數據進行處理，各測點檢測結果如表2所示。

按照GB20950-2007《儲油庫大氣污染物排放標準》，罐區所有測點的檢測結果均達標，說明“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收技術現實可行。

4? 結論

根據油庫油氣回收的現實需求，文章比較了常見的油氣回收技術方法的特點，并設計了一種“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收系統，并結合中化石油安徽六安有限公司六安油庫及灌裝站實際情況進行了應用研究，主要結論如下^[10]：

1）吸附法油氣回收技術操作簡單，可以自動實現油氣的吸附和回收工作，且投資較小，經濟效益明顯;

2）吸附劑選擇的各項指標的優先級別為：吸附選擇性>孔容>傳質動力學特征>成本>可再生性、兼容性;

3）“硅膠-活性炭”吸附法油氣回收設計方案在實際工程應用中的效果良好，說明方案可行。

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基金項目： 安徽省六安市環保局揮發性有機物整治項目補助基金項目（項目編號：2110399）。

收稿日期： 2019-09-26

作者簡介： 馬迪（1989-），男，安徽省靈璧縣人，工程師，2010年畢業于安徽建筑大學安全工程專業，研究方向：化工安全評價研究。E-mail：415474438@qq.com。

通訊作者： 陸菲（1987-），女，中級經濟師，研究方向：化工企業綜合管理。E-mail：1626866726@qq.com。