油氣儲運中油氣回收技術的應用

梅舟營

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江寧波 315812）

1 概述

針對罐區油氣產生的問題，目前我們采取了一些措施來減少油氣的產生，例如在揮發性較強的油品儲罐上好的，采用內浮頂和氮氣密封相結合的方式，并在裝卸過程中實施下部裝卸工藝。這些措施在一定程度上有效地減少了油氣的產生，但無法完全杜絕。因此，油氣的回收就成為重要環節。

2 主流油氣回收技術簡介及優缺點分析

現在，石油化工領域中普遍采用的油氣回收方式有汲取、吸附、冷卻、燃燒以及膜分解[2]等技術。這些技術均具有嚴謹、穩重、理性和官方的特點，旨在確保石油化工行業的安全、環保和高效運營。

2.1 吸收法

我們將通過逆向流動的方法讓混合油氣與自上而下噴灑的吸收液體發生交互作用，以達到油氣與空氣的有效分離。在這個過程里，我們會運用專用的吸收液來捕捉特定類型的烴類物質。未能被吸收的氣體將會經由防火設備排出。然后，吸收液會轉移至真空脫附容器內進行脫附操作，并收集到的油氣會被進一步處理成可使用的油產品。

這種方式的優點在于其制作過程簡潔，易于理解，并且操作費用相對較低。然而，為了確保未被吸收的氣體達到排放標準，吸收過程所需的溫度必須保持在低溫條件下進行。因此，該工藝系統中可能需要增設制冷系統，同時需要使用耐低溫材料，并需注意結冰情況。此外，吸收劑的消耗量需要不斷補充，直接導致投資和運行成本的增加。另外，該方法的回收量較低，一般無法達到現行國家標準。

2.2 吸附法

此種技術依賴于如活性炭、硅膠或者活性纖維等吸附材料，以區分并分離開混合氣體中的石油與氧氣。具體的執行過程如下：①當石油氣體經過這些吸附物質時，它的成分會被吸引到吸附物表層；②我們使用蒸汽解吸或是降低壓力來提取出那些富集的石油氣體，并將它們轉移到儲油容器或者是采取其他的液化處理方式；③因為這種吸附物質對于氧氣的吸收能力相對較低，所以剩余的廢氣可以從排放管路釋放出來。以上操作需嚴格遵守相關規定，確保安全、有效地完成分離任務。

然而，在某些情況下，如油氣濃度突然升高，吸附劑可能無法快速吸附所有的油氣分子，導致局部溫度急劇升高。這種過熱現象可能導致吸附劑表面形成過熱和過氧化物，這些物質具有很高的反應活性，容易引發自燃現象。

2.3 冷凝法

采用冷凝方法時，我們使用了制冷交換的熱能處理方式來移除油氣內的能量，實現了氣體向液體的無縫轉變。這種方法的關鍵是基于油氣內各種烴類的沸點與壓力之間的關系，降低溫度可以使得部分烴類蒸發至超飽和狀態，進而產生出可被收集的液體石油產品。

為了達成這個目標，我們通常會使用多級持續制冷的方式來降低油氣的工作溫度，讓它們凝結成液態并被利用。根據混合氣體的組成、根據所需的回收率和最終排放至大氣的尾氣濃度限制值，我們可以推算出冷凝裝置系統必須維持的最低溫度。

盡管現有的制冷技術成熟可靠，為油氣回收裝置的平穩運行提供了保證，但低溫材料的昂貴價格直接導致了整體設備成本的上升。

2.4 燃燒法

2.4.1 裝置加熱爐燃燒

該裝置采用直接加熱爐燃燒的方式，原理簡潔明了；同時能夠處理廢氣和廢液；使用輔助燃料，如天然氣和柴油等；價格相對較低。然而，為了防止混合氣體在進入裝置加熱爐時處于爆炸極限范圍內，產生閃爆或更嚴重的事故，需要控制混合氣體的總烴含量和氧含量。

2.4.2 超低排放燃燒

超低排放燃燒（CEB）技術采用了獨特的金屬纖維燃燒器，該燃燒器在處理油氣時具有極高的適應性，并且能夠實現高達99.9%的油氣處理效率。這種無煙無火焰的燃燒方式，致力于推動環境保護和實現超低排放目標。

混合油氣被小心翼翼地通過一臺高效的風機送入燃燒裝置中，以確保其穩定而均勻地參與燃燒過程。同時，燃燒器所配套的補充燃料氣則經過一套精密的減壓裝置，旨在將其壓力調整至最佳狀態后，再進入燃燒器內部，為火焰提供源源不斷的能量。這兩路氣體都配備了自動切斷閥和壓力調節閥，這些先進的設備如同守護者一般，時刻監控并調整著氣體的流量和壓力，確保燃燒過程的順利進行。當出現異常情況時，自動切斷閥會迅速反應，切斷氣體的供應，從而防止任何潛在的危險。助燃空氣通過一臺設置在燃燒器底部的風機進入燃燒器下部的預混器。風機具有穩定、高效的特點，能夠確保助燃空氣與燃料氣充分混合，形成理想的燃燒條件。混合后的氣體在預混器中進一步混合，為后續的燃燒過程做好準備。當所有條件都達到最佳狀態時，混合氣體進入燃燒室，與燃料氣一同進行燃燒。這樣的設計確保了燃料的高效利用和充分燃燒，同時降低了有害物質的排放，為環保事業做出了貢獻。燃燒產生的尾氣經過達標處理后進行排放。如圖1所示。

圖1 CEB工作原理示意圖

2.5 膜分離法

利用特殊高分子膜，它會優先穿透烴類，在一定壓力的驅動下，油氣混合物能夠通過高分子膜，而空氣就被[1]阻擋并排放出去。這種高分子膜具有出色的選擇性和靈敏度，可以精確分離油氣混合物中的烴類成分。在分離過程中，油氣混合物經過高分子膜時，烴類成分迅速滲透過去，而空氣成分則被阻擋并排放出去。如圖2所示。這樣，富集的油氣可以被輸送回油罐或采用其他方式進行液化處理。這種分離方法不僅高效、環保，而且操作簡單，可以實現自動化控制。

圖2 膜組件工作原理

該方法的基本原理易于理解，只需調整并控制膜兩側的壓差和壓比，即可確保油氣的正常滲透。盡管如此，因為膜技術的石油和天然氣的回收使用相對較晚，所以相關的機械部件的價格會比較高昂。但是，隨著市場規模的擴張，這些部件的價格可能會有下降趨勢。再者，因其是新的研發的產品，所以在選擇過濾器時需要進一步提升其透過率。目前，只能通過增加膜的數量來提高滲透回收率。膜技術的持續進步將使得膜的選擇性滲透能力逐步增強，同時也會減少膜的數量。目前主流使用的膜組件結構有板框式和螺旋卷式。如圖3所示。

圖3 螺旋卷式膜組件

3 大榭石化油氣處理設施的應用

3.1 揮發性有機物膜處理撬裝設施

為此本著積極探索新工藝、新技術的精神，公司于2022年12月投運了揮發性有機物膜處理撬裝設施。該設施采用了膜分離技術，同時與冷凝技術相結合，能夠實現揮發性有機物濃縮后，冷凝為液相再進行回收。該套撬裝設施使用了對烴類具有“反向”選擇性的橡膠態聚合物復合膜，可以高效分離有機物和烴類等大分子，從而形成對有機物和烴類分子的濃縮。同時利用冷凝技術，實現對揮發性有機物回收處理，處理后的尾排氣可達到直接排放標準。流程參考，如圖4所示。并且在揮發性有機物處理全過程中沒有物理放熱過程，為物理分離過程，因為不存在過程放熱，所以有效地避免安全風險。且不產生其他固廢和危廢，不會造成二次污染。

圖4 有機物膜處理撬裝設施工作流程

目前裝車臺裝卸油品中，油氣進入膜處理設施的油品，如表1所示。

表1 油氣進入膜處理設施的油品

在系統運行時，系統會自動監測裝車臺匯總管路內的揮發性油氣壓力，一旦達到預設的啟動壓力，系統將自動啟動并調整其處理負荷。設備系統中配備了液環泵，該泵將上游管道的氣體輸送至下游的冷卻換熱器中。通過調節液環泵的輸送能力，可以實現對系統處理負荷的自由調節。

冷凝分液器會對油氣進行冷卻并回收，然后將冷卻后的氣體和液體混合物放入分液罐內進行氣液分離。之后，氣相組分將進入膜組件。這個膜組件是采用了防靜電設計的疊式膜，其全體構造和內部元素都是防靜電設計的。在分離揮發性有機物的過程中，該膜不會累積靜電。

這種“逆向”的彈性高分子復合膜有著獨特的篩選功能，它更傾向于讓大型分子的化合物如易揮發的有機物質和石油產品通過。在處理及提取揮發性有機物質的過程中，膜的選擇性分離能力主要依賴于不同成分穿過膜的流動速度之差。對于橡膠型聚合物的溶解吸收具有決定性的作用，它能顯著提升滲透流速，并隨分子質量的增大而增強。這使得高分子量的部分能夠率先穿過，從而實現了對特定的氣體成分的收集與回取。

分離的推動力是膜進氣側與膜滲透氣側之間的壓力差。經過膜組件處理后的氣體被分為兩部分：非滲透側的揮發性有機物濃度較低，該股氣體壓力基本保持不變，可以進入下一工段或直接排放；而滲透側的揮發性有機物濃度較高，這部分氣體將經過液環真空泵返回系統的入口再一次進行循環冷凝。

3.2 設備的優化改造

3.2.1 液環真空泵回流優化

在系統試運行期間，為配合系統進行一二級膜分離，在膜組件的另一側設有變頻式液環真空泵，運行時會將膜組件后側管路形成負壓，確保膜兩側形成固定的壓力差，使富集油氣透過膜后再次進行冷凝回收。再由于我公司實際的裝車情況，無法實現連續性裝車，在裝車暫停時，油氣濃度偏低甚至沒有。而液環真空泵運行時，泵進出口壓力會形成一定的壓力差，同時為了適應裝車油氣外送量的變化，以及外送油氣中油氣濃度的變化，為液環真空泵匹配了變頻電機，導致機泵頻率發生變化，極易造成液環真空泵出現短時間抽空，機泵振動升高的現象，長此以往，機泵使用壽命將大大縮減。

為此，根據現場機泵運行狀態及實際裝車情況，經過綜合考慮，對現場液環真空泵流程進行優化。將液環真空泵運行模式由變頻改為定頻運行，同時，增設液環泵壓控回流流程。當裝車暫停時，液環真空泵進口壓力下降，此時，通過泵出口壓控進行回流，保障液環真空泵的正常穩定運行。

3.2.2 液環泵工作液水冷工藝改造

為配合將裝車臺油氣從主匯管中抽出，設施配備了2臺液環壓縮泵，用于將油氣抽吸并升壓輸送至后續冷凝單元。對于液環泵的工作液的選擇，由于最初設備試運行時正值冬季，普通柴油在運行過程中發生了凍凝現象，隨后使用了凝點較低的裂解柴油作為工作液，解決了工作液凍凝問題，但設備運行至夏季高溫天氣時，由于工作液出現穩定超高的現象。分析原因為最初設計考慮使用全廠循環水對工作液進行循環降溫，但夏季全廠循環水溫度普遍偏高。為此，根據現場實際工況，對工作液水冷工藝流程進行優化改造，將原先使用循環水對工作液進行循環降溫，改為循環水及制冷液分別循環降溫。從設備冷凝單元中，將制冷后的冷媒水引入工作液換熱器內，同時，保留原本循環水換熱流程。在環境溫度偏低時，可以使用循環水對工作液進行循環降溫，在環境穩定偏高時，可以使用冷媒水對工作液進行循環降溫，確保了液環泵的正常運行，也保證設施運行過程中的整體溫度控制要求。

4 結語

從以上闡述可以明確看出，不同的油氣回收工藝都有其獨特的優缺點，無法完全用單一方法實現最佳效果。盡管將幾種工藝結合，取長補短，例如吸附與冷凝、膜分離與冷凝、冷凝與CEB等，能夠在一定程度上更好地發揮各自工藝的優勢，但仍然無法完全突破各自的短板。

科技的快速進步和環保意識的逐漸增強，石油和天然氣回收技術已經成為了化學行業研究的重點之一。在全球積極推動節能減排以及環保標準日益嚴格的今天，優化并綜合運用各種技術將是未來油氣回收技術發展的主要趨勢。