油管杆清洗设备挥发性气体治理措施探讨

2019-05-10范新冉李勇张晓璇张智强

中国设备工程 2019年7期

范新冉，李勇，张晓璇，张智强

（中国石化胜利油田分公司设备管理处，山东东营 257000）

1 清洗设备现状

油管、抽油杆清洗过程中采用水煮、辐射等多种加热形式，由于装置存在油管进出口、溢油口以及清洗缓冲池等，会有大量油雾废气泄漏。利用马扎克(B．T．M)公式、格拉罕姆气体扩散定律等计算，设备运行过程中，挥发废气量约860m3/h，其中水蒸气约占60%、VOCs约占10%、洁净空气约占30%。

油管、抽油杆表面都有大量原油附着，以氢碳构成的烃类为主要成分，同时含有少量硫、氮、氧及微量金属元素，挥发排放的VOC气体主要是C1～C8的烷烃，即：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、芳烃等，其中丙烷、丁烷和单环芳烃占有较大的比例，具有特殊气味。

2 存在问题

目前，油管厂厂区范围内刺鼻性气味较重，尤其是清洗区域附近，现场操作职工只能戴口罩工作，存在较大的潜在危害。多家油管厂离居民区较近，已经多次遭群众举报。尤其冬季生产过程中，大量水蒸气挥发，影响环境及人体健康的同时，对企业形象也造成一定影响。

2．1 人体健康危害

眼睛：长时间接触可导致不适。

皮肤：长时间接触可导致皮肤干燥、过敏，直至皮肤发炎。

吸入：长时间接触中可导致头晕和头痛。

2．2 环境危害

烷烃中的氢原子被卤原子取代的反应称为卤化反应，卤化反应包括氟化、氯化、溴化和碘化等。如在日光或紫外光照射或在高温（250～400℃）作用下，能发生取代反应，烷烃分子中的氢卤原子能逐步被卤原子取代，得到不同的卤代烷的混合物。卤代烃可破坏臭氧层导致温室效应，也是化学烟雾、雾霾形成的前驱体物，对大气环境具有较大危害。

3 治理技术简介

油管杆清洗挥发性废气特点为VOCs浓度低(测量值 9．7mg/m3，＜ 1000ppm，约 0．001‰ )、无回收价值、不溶于水、温度较高(40～60℃)，适用工艺为光催化氧化技术、低温等离子体技术、活性炭吸附技术、生物除臭技术。

图1 VOC气体治理方案类别

3．1 光氧催化技术

在光催化反应器中，通过紫外光照射在纳米TiO2光催化剂上产生电子空穴对，与表面吸附的水分(H2O)和氧气(O2)反应生成氧化性很活泼的氢氧自由基(OH-)、超氧离子自由基(O2-、0-)和臭氧O3。能够把各种VOC类有机物在光催化氧化的作用下还原成二氧化碳(CO2)、水(H2O)。该技术对低浓度有机废气的去除效率约30%-40%。该技术不成熟、造成臭氧污染、去除效率低、不耐负荷冲击，全国多地已经禁止单独使用光氧催化设备。

3．2 低温等离子技术

利用高压放电时候产生的高能电子和离子，分解废气分子，同时高能电子把1个氧分子分解成2个氧原子，并与氧分子再次结合成臭氧，臭氧是强氧化剂，可以氧化有机污染物。低温等离子设备工作温度约80～100℃、电压约1～10万V，因此该工艺在处理含易燃易爆有机废气时容易产生着火、爆炸风险，该技术对低浓度有机废气的去除效率约50%～60%。该技术安全性低、造成臭氧污染、去除效率低、不耐负荷冲击。因设备爆炸导致人员死亡等多事故，全国多地已禁止单独使用该设备。

3．3 生物除臭技术

生物除臭主要是利用微生物除臭，通过微生物的生理代谢将具有臭味的物质加以转化，使目标污染物被有效分解去除，以达到恶臭的治理目的。该技术设备体积大、维护要求高、费效比较低，在炼化行业已经使用生物法处理技术，在做好项目建设、生产管理、运行维护等几项主要工作的基础上，可保持90%以上的处理效率，定期排出活性污泥，一般也不存在二次污染。

3．4 活性炭吸附技术

活性炭是经过活化处理后的碳，比表面积一般可达700～1200m2/g，其孔径大小范围在1．5nm～5um之间，具备比表面积大、孔隙多的特点，具有较强吸附能力。

其吸附方式主要通过2种途径：一是活性炭与气体分子间的范德华力，当气体分子经过活性炭表面，范德华力起主导作用时，气体分子先被吸附至活性炭外表面，小于活性炭孔径的分子经内部扩散转移至内表面，从而达到吸附的效果，此为物理吸附；二是吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合成，此为化学吸附。该技术设备成本低、结构简单、去除率大于95%，吸附饱和后只需更换活性炭或后处理。

图2 活性炭技术原理

按照相似相溶原理，活性炭对非极性物质的吸附作用更强，而对水等极性分子的吸附作用较弱(因此在吸附单元前应将废气湿度降低)。本项目废气主要成分为烷烃，烷烃中的σ键极性很小，且其分子偶极矩为零，是非极性分子。因此，活性炭可以显著吸附烷烃类物质，在工程合计得当的情况下，活性炭对有机废气的去除率可达95%以上，表现为非甲烷总烃NMHC的有效降低。

4 治理工艺选择

根据对比，选择除湿+冷凝+活性炭吸附工艺作为清洗装置挥发性气体治理的主要技术路线，配套自动检测及控制系统。

4．1 降温、除湿单元

4．1．1 功能

废气降温至40℃以下；水蒸气由气态变为液态；颗粒物(尘)预处理至3mg/m 以下；吸收废气中含有的少量硫化氢气体。

4．1．2 工艺原理

图3 降温、除湿单元工作原理

喷淋塔喷淋水从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置分布后，与液体呈逆流连续通过填料层，气液两相密切接触进行传质，从而使废气到达降温和初步净化的双重效果。喷淋水为自来水，循环使用不外排。

当设备工作一段时间后，塔内喷淋水由于热交换温度上升，影响废气降温效果。此时，喷淋塔内部盘管换热器开始运行，该换热装置配套的风冷冷却器将热量排出，将冷水通过换热器给喷淋水降温，确保冷凝单元的降温效果。

4．2 冷冻干燥单元

4．2．1 功能

进一步降低废气湿度，并对废气进行降温；废气湿度＜30%；废气水汽露点降至0℃左右；废气温度降至0～5℃。

4．2．2 工艺原理

该单元采用冷冻干燥原理对废气进行降温除湿，废气首先在换热器中进行热交换，降低温度，然后进入蒸发器被进一步降温至0～5℃左右，在此露点，废气中的水分绝大多数变成液态被排出。

4．3 吸附单元

主要采用活性炭吸附方式：

图4 活性炭空隙结构示意图

4．3．1 功能

有效吸附烷烃、氯代烃、有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂，还能吸附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、苯粉、DDT、艾氏剂、烷基苯磺酸及许多酯类和芳烃化合物。去除效率大于95%。

4．3．2 工艺原理

利用活性炭与气体分子间的范德华力或吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合成来实现吸附。

4．4 检测及控制系统

4．4．1 实现缓冲池可燃气体、有毒气体检测

在缓冲池安装四合一在线气体检测仪器，实现氧气、可燃气和有毒气体（包含H2S、CO、SO2、HCN）等气体检测及报警。在缓冲池与冷凝器之间增加H2S检测仪器，以便后期减轻溶剂系统自动运行。所有传感器均具有防爆功能，可就地显示和中央控制系统显示，所有检测数据能传输到检测集中控制系统，进行相关声光报警。

4．4．2 挥发性气体排放检测及活性炭更换周期预警

在整套系统末端安装在线式VOCs气体检测仪器，检测结果具备现场读书和中央控制系统显示，中央控制系统接受数据后自动分析，当数据超标时控制界面会发出报警信号，同时启动声光报警。根据活性炭吸附原理，当VOCs超标报警时，说明活性炭吸附饱和，应及时更换活性炭，此时相关工作人员应及时更换活性炭。

4．4．3 负压检测

系统负压检测采用在线式微差压变送器，安装位置为各废气支管入口，检测结果具备就地显示和中央控制系统显示2种功能，中央控制系统接受数据后自动分析，发送指令至风机提高或降低运行转速并调节各阀门开度，在保持设备性能的前提下，以最大程度降低设备能耗，达到节能降耗目的。

4．4．4 集中控制系统

以上增加的检测信号及其控制一并归入到清洗机的控制系统中，在清洗机的系统显示和清洗系统进行联动控制，根据上述在线检测结果（硫化氢、pH值、VOCs等）集中控制自动注碱系统、变频调节风机转速和控制电动风门开度，自动匹配风量，稳定输出。当检测结果超标，系统自动启动预设程序进行pH值调节和风量匹配，并在清洗机监控系统中输出报警，提示操作人员预警。经过自动控制后检测结果仍超标或系统故障，VOCs处理装置与清洗装置联动停机，检测系统继续检测，控制系统输出声光报警，操作人员按操作手册进行维修处理或是咨询设备厂家售后进行技术服务。