冷凝+吸附油氣回收技術應用與安全性探究

潘太星 吳秋華 戚作秋 李蓉華

【摘要】揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的釋放對自然生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生了嚴重的影響，引起了全球范圍內的高度關注，從而使得VOCs的管理成為一個備受關注的問題。本文旨在探討VOCs治理常用的工藝技術，并對油氣回收工藝組合的應用實際和安全性進行探討分析。首先，本文介紹了VOCs治理工藝技術和常見工藝組合；其次，以國內某煉油廠為實例，對冷凝+吸附工藝流程進行介紹；最后，通過綜合分析，突顯了VOCs治理和冷凝+吸附油氣回收技術在提高空氣質量、保護環(huán)境資源以及確保安全生產(chǎn)等方面的重要意義。

【關鍵詞】VOCs；油氣回收；冷凝；吸附；安全

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.049

Application and Safety Research of Condensation+Adsorption Oiland Gas Recovery Technology

PAN Taixing1， WU Qiuhua2， QI Zuoqiu1， LI Ronghua1

（1.Liaoning Inspection， Examination&Certification Centre〔LiaoningAcademy of Safe Science〕， Shenyang 110004， China； 2.Shenyang Petrochemical Design Institute Co.， Ltd.， Shenyang 110043， China）

Abstract： The release of volatile organic compounds（VOCs）has a serious impact on natural ecosystems and human health， which has aroused great concern worldwide， making the management of VOCs a concern. This article aims to discuss the commonly used process technologies for VOCs treatment， and to discuss and analyze the application practice and safety of oil and gas recovery process combinations. First of all， this article introduces the VOCs treatment process technology and common process combinations. Then， taking a domestic oil refinery as an example， the condensation+adsorption process is introduced. Finally， through comprehensive analysis， it highlights the significance of VOCs treatment and condensation+adsorption oil and gas recovery technology in improving air quality， protecting environmental resources and ensuring safe production.

Keywords： VOCs； oil vapor recovery； condensation； adsorption； safety

隨著工業(yè)化快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，大量釋放揮發(fā)性有機化合物（以下簡稱“VOCs”）會引發(fā)光化學過程，生成臭氧和細顆粒物等污染物，造成環(huán)境污染和空氣質量不斷下降，VOCs治理成為全球關注的焦點[1-2]。

油氣回收技術在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用，通過控制VOCs排放，達到減少空氣污染和溫室氣體排放的目的，從而提高空氣質量，保護生態(tài)系統(tǒng)。此外，油氣回收技術還助于保護有限的石油和天然氣資源[3]。

1VOCs治理工藝技術

現(xiàn)階段，廣泛用于VOCs治理的技術主要分為回收技術和消除技術兩類。回收技術包括吸收法、吸附法、冷凝法和膜分離法等方法，旨在從有機廢氣中回收有價值的化合物，減少其對環(huán)境的影響。消除技術主要有燃燒法、等離子體法、生物法和光催化氧化法等方法，通過不同的物理、化學或生物過程，將VOCs徹底分解或轉化為無害物質，實現(xiàn)廢氣的有效清除。

1.1回收技術

1.1.1吸收技術

吸收技術利用低揮發(fā)性或不揮發(fā)性液體作為吸收劑，根據(jù)廢氣中各成分在吸收劑中的溶解度或化學反應特性的差異，將廢氣中的有害成分吸附到吸收劑中，從而實現(xiàn)凈化效果[4]。對于VOCs的處理，常常采用物理吸收的方式，基于有機物的相容性原則，使有機物從氣態(tài)階段吸附到液態(tài)階段，從而將廢氣中的有害成分分離出來。經(jīng)過處理后的吸收液經(jīng)解吸處理，使有機化合物被回收，使吸收劑得以再生利用。

吸收技術在處理VOCs時具有廣泛應用，例如在天然氣中凈化VOCs、回收焦油副產(chǎn)物、油氣回收等領域都得到了應用。這種方法能夠有效地將有機廢氣中的有害成分轉移到液相中，從而實現(xiàn)廢氣的凈化和資源的回收。

1.1.2吸附技術

吸附技術是一種利用固體吸附劑對氣體混合物內部各種成分具有不同選擇性吸附特性的原理，用以分離該氣體混合物的方法[5]。在吸附過程中，氣態(tài)污染物被吸附劑表面的固體材料捕獲，實現(xiàn)氣體的分離和濃縮。吸附劑的再生通常采用以下方法：

1）低壓水蒸氣替代再生。通過注入高溫水蒸氣，將吸附劑中的被吸附物質替換出來。再生后的高濃度混合物經(jīng)過冷凝分離，從中回收溶劑。

2）熱氣流吹掃再生。運用高溫氣流對吸附劑表面進行吹掃，使被吸附的物質從吸附劑中解吸出來。再生后產(chǎn)生的高濃度廢氣經(jīng)過冷凝分離，以回收溶劑，或者可以經(jīng)過催化燃燒或高溫焚燒處理。

3）降壓解吸再生。利用負壓將吸附劑中的被吸附物質解吸出來。再生后產(chǎn)生的高濃度有機物可以通過低溫冷凝和液體吸收等方式進行溶劑回收。在工業(yè)領域中，吸附技術是一種經(jīng)典且常用的氣體凈化方法，被廣泛應用于VOCs的處理。

1.1.3冷凝技術

冷凝技術采用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓的性質，通過調整系統(tǒng)溫度或增加系統(tǒng)壓力，將氣態(tài)污染物冷卻至飽和狀態(tài)的方式，從而使得這些污染物從廢氣中冷凝并分離出來[6]。當廢氣中的有機物濃度達到一定水平時，隨著溫度的降低，其蒸氣壓會急劇上升。冷凝技術通過降低廢氣系統(tǒng)的溫度，使得有機物蒸氣逐漸轉化為液體，有效地將其從氣態(tài)中分離出來。冷凝技術盡管對高濃度有機溶劑蒸氣的處理效果較好，但通常需要與其他技術相結合，以達到更高的凈化效率和經(jīng)濟性。

1.1.4膜分離技術

膜分離技術利用氣體在膜材料中的滲透和擴散行為，基于不同氣體分子的大小、極性和親和力等特性，通過施加適當?shù)膲毫Γ箽怏w分子在膜中的穿透速率有所不同，從而實現(xiàn)氣體分子的分離[7]。膜分離技術選擇合適的膜材料至關重要，因為膜材料不僅需要具有高透氣性，還需要具備足夠的機械強度、化學穩(wěn)定性，以及適合成膜加工的特性，可以根據(jù)不同的氣體組分和分離目標來定制，以實現(xiàn)高效、選擇性的氣體分離。

1.2消除技術

1.2.1生物技術

生物技術是近年來嶄新的有機廢氣凈化方法，通過培養(yǎng)經(jīng)過適應的微生物，利用其新陳代謝過程將廢氣中的污染物作為碳源和氮源進行分解，將有機物和無機物轉化為環(huán)保的H2O和CO2，從而有效地凈化工業(yè)廢氣。盡管生物方法在有機污染物降解速率中相對較慢，主要適用于低濃度廢氣，且微生物對有機物消化具特異性，限制了其處理多種有機氣態(tài)物質的能力，但在有機廢氣凈化領域，尤其處理低濃度有機廢氣，生物技術仍有巨大潛力。

1.2.2燃燒技術

燃燒技術利用VOCs的可燃性，在適當?shù)臏囟群脱鯕鈼l件下，將VOCs氧化為H2O和CO2的過程，從而實現(xiàn)廢氣的凈化[8]。燃燒技術可以分為催化氧化和直接燃燒兩種主要形式。催化氧化方式是在催化劑的作用下，VOCs在相對較低的溫度下發(fā)生氧化反應，實現(xiàn)VOCs的高效氧化，減少能量消耗和NOx等氮氧化物的生成。催化氧化通常適用于VOCs濃度較低、連續(xù)穩(wěn)定的工況。直接燃燒方式是將VOCs在高溫下直接氧化成H2O和CO2的方法，通常在750～850℃的溫度范圍內進行。

1.2.3催化氧化技術

催化氧化技術利用輔助熱源和氧化過程中產(chǎn)生的熱量，將有機廢氣加熱至300～450℃的溫度范圍。在催化劑的催化作用下，有機廢氣中的可燃有機污染物在氧化過程中被轉化為無害的CO2和H2O，隨后通過排氣管道排放到大氣中。該技術利用熱源和催化劑的協(xié)同作用，將有機廢氣中的有害成分高效氧化轉化，從而達到排放標準并釋放熱能，去除率通常高于97%，不僅在操作中不會引起二次污染，還可以實現(xiàn)能量自給[9]。

2工藝技術組合分析

2.1吸收+吸附

吸附操作會釋放熱量，從而導致吸附床層可能升溫，易影響吸附劑使用壽命。吸收過程是一個氣液傳質過程，整個過程需要吸收液通過循環(huán)泵不停地循環(huán)，以達到充分吸收尾氣的作用，因此能耗較大。設備使用壽命一般可達10年以上，吸附劑使用壽命一般為6～8年[10]。

2.2冷凝+吸附

該技術前段工藝采用深冷，溫度可達-75℃，進入吸附工段時的油氣溫度較低，避免了吸附床層溫升造成的吸附劑失活風險，冷凝溫度很低，對于熔點低的物系，尤其是汽油（熔點<-60℃），容易出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象，因此需要設置雙管路進行切換。在操作過程中，設備所產(chǎn)生的全部制冷能被有效回收利用，用于克服油氣的汽化熱，將油氣轉化為可回收的油，不僅實現(xiàn)了節(jié)能和環(huán)保的目標，還帶來了顯著的經(jīng)濟效益。整套設備使用壽命一般可達10年以上，吸附劑使用壽命一般為

6～8年[10]。

2.3冷凝+催化氧化

該技術前段工藝采用淺冷，進入吸附工段的油氣濃度仍較高，高濃度油氣可能脈沖引發(fā)催化劑“飛溫”和稀釋閃爆，將高濃度的油氣經(jīng)過低溫冷凝處理后，通過油泵輸送至根據(jù)用戶需求指定的儲油罐中，不凝氣進入催化氧化系統(tǒng)完全銷毀。當有油氣時可以停止電加熱器，但由于是間歇操作，需要電加熱器不斷啟停，因此能耗較高。整套裝置使用壽命可達20年以上，催化劑使用壽命一般為5～8年[10]。

3冷凝+吸附油氣回收技術應用

國內某煉油廠新建1套處理規(guī)模1600 Nm3/h的油氣回收處理裝置，擬采用冷凝+吸附油氣回收工藝技術。

廢氣通過氣相支管進入阻火器，然后匯總至總管，并通過汽液分離器分開液體和氣體。氣體經(jīng)由防爆風機送入油氣處理裝置的冷凝單元。風機和壓力傳感器聯(lián)鎖，通過自動變頻運行來調整排氣量。

在冷凝單元，廢氣在被冷卻的同時與已經(jīng)冷凝處理的氣體進行回熱交換，接著進入多級冷凝過程。首先，通過前置換熱器進行預冷，然后進入一級冷凝器進行進一步的冷卻。其次，廢氣進入二級和三級冷凝器后進一步冷卻，使大部分的有機化合物液化析出。最后，經(jīng)過回熱交換回到接近常溫。

未凝結的氣體進入吸附系統(tǒng)，通過兩個交替工作的吸附罐進行吸附和解析過程。在常壓下，一個吸附罐進行吸附，當其飽和后，系統(tǒng)切換至另一個吸附罐，同時進行解析。吸附過程使有機物被捕獲，解析過程釋放這些有機物。交替使用確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

未凝結的氣體經(jīng)過壓縮機壓縮，并在冷凝過程中進一步降溫，然后進入膜分離器進行分離。膜將氣體分為富集流（滲透氣）和貧化流（尾氣）。貧化流進入后續(xù)的活性炭吸附單元進一步處理，而滲透氣被循環(huán)回膜系統(tǒng)再次分離。

整個處理過程使廢氣去除率超過97%，達到了GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》要求，尾氣則從排氣筒排放到大氣中。

4冷凝+吸附油氣回收工藝技術安全性分析

冷凝+吸附油氣回收工藝技術在廢氣處理領域備受關注，然而其安全性也是一個不容忽視的議題。工藝中存在高濃度油氣的處理，可能引發(fā)火災和爆炸的風險，確保設備的密封性以及采用防爆設計是不可或缺的步驟，以減少可燃氣體的泄漏和積聚，進而降低火災和爆炸的潛在危險。吸附過程涉及廢氣中的油氣被吸附劑捕獲，可能導致吸附床層產(chǎn)生高溫，必須采用有效的溫控措施，確保床層溫度穩(wěn)定在安全范圍內，防止過熱引發(fā)操作風險。催化劑的選擇也是關鍵一環(huán)，合適的催化劑需要同時具備穩(wěn)定性和反應性，且不會引發(fā)異常反應，以保障工藝的安全運行。此外，冷凝+吸附技術較為成熟，在國內石油化工領域應用較為廣泛，已有上百套應用業(yè)績，如汽油裝車廢氣、苯儲罐廢氣、原油儲罐廢氣等處理，均可以達到運行穩(wěn)定、安全可靠的要求。

5結論

本文通過三種組合油氣回收技術工藝對比分析，并以某煉油廠為實例，對冷凝+吸附油氣回收技術應用進行介紹，并對該技術路線的安全性進行分析，得出如下結論：

1）高效排放控制：冷凝+吸附技術結合了冷凝和吸附過程，能夠同時去除有機氣體中的揮發(fā)性VOCs和油氣成分，具有高效性，減少了有害物質的釋放。

2）全面廢氣處理：該技術可以應對多種類型的有機廢氣，包括不同成分和濃度的VOCs。冷凝過程能夠將廢氣中的有機成分冷凝為液體，吸附過程則能去除冷凝后殘留的微量有機物質，從而實現(xiàn)全面的廢氣處理。

3）資源回收與節(jié)能：通過冷凝，有機廢氣中的石油和天然氣成分可以被回收利用，從而最大限度地減少資源浪費。此外，冷凝過程中釋放的熱量可以用于預熱廢氣，達到節(jié)能效果。

4）減少氣體逸失：通過冷凝，有機廢氣中的氣體可以被冷卻成液體，從而減少氣體的逸失，這不僅有利于廢氣處理效率，還減少了有機氣體在排放過程中的泄漏風險。

5）安全可靠性：冷凝+吸附技術較為成熟，在國內石油化工領域應用較為廣泛，充分考慮了泄漏、火災、爆炸等風險，并通過合理的工藝流程、設備選擇、操作措施，確保了廢氣處理過程的安全性和穩(wěn)定性。

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【作者簡介】

潘太星，男，1989年出生，工程師，學士，研究方向為化工設計、安全評價、安全技術服務。

吳秋華，女，1990年出生，工程師，學士，研究方向為化工設計、安全管理。

戚作秋，男，1979年出生，正高級工程師，碩士，研究方向為安全技術服務、安全評價、特種設備安全等。

李蓉華，女，1979年出生，高級工程師，碩士，研究方向為安全技術服務、安全評價、特種設備安全等。

（編輯：李鈺雙）