加油站三次油气回收工艺设计技术要点分析

苏 倩，戴仁川，王 纲，贾 晋，孟春晖，王念兵，庞月峰

1.中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

2.中国石油天然气股份有限公司山东销售分公司，山东济南 266071

3.中国石油天然气销售江西分公司宜春公司，江西南昌 330038

为降低加油站有毒有害物质的排放量并减少安全隐患，国家环保总局和国家质检总局根据国内加油站的实际情况，联合颁布了GB 20952—2007《加油站大气污染物排放标准》，并于2007 年8 月1 日开始实施。该标准规定了加油站油气排放限值，提出了“油气排放处理装置的油气排放浓度应小于等于25 g/m3，排放口距地平面高度应不低于4 m，排放浓度每年至少检测1 次”的要求。

2010 年以来，雾霾在全国范围内持续爆发，加油站排放的油气作为挥发性有机物（VOCs），是形成PM2.5 的重要前体物。北京市为改善空气质量，对加油站油气排放限值提出了进一步的要求，北京市环境保护局修订的DB 11/208—2010《加油站油气排放控制和限值》明确了加油站油气排放处理装置的油气排放质量浓度应小于等于20 g/m3。

2013 年，国务院又相继印发了《大气污染防治行动计划》，将控制VOCs 排放列为改善环境空气质量的重点任务，并要求加油站限时完成油气回收治理。2016 年以来，国内部分地区政府（北京、山东等） 相继出台了政策，强制加油站推行安装油气排放处理装置以达到排放要求。在国家环保要求日益严格的今天，增设油气排放处理装置已逐步成为各地区加油站油气回收治理的重点任务。

1 加油站油气回收系统

加油站油气回收系统共分为三个阶段：一次油气回收、二次油气回收和三次油气回收，见图1。一次油气回收即卸油油气回收，是将油罐车卸油时产生的油气通过密闭的方式进行收集，然后重新返回油罐车罐内气相空间；二次油气回收即加油油气回收，在给汽车油箱加油过程中，通过真空泵将由加油枪和加油箱中挥发产生的油气进行回收，使其重新返回地下油罐的气相空间。

图1 加油站油气回收系统示意

然而，二次油气回收并没有完全实现“油气回收和再利用”的目的。随着回收的油气不断进入地下油罐，油罐内气相空间的压力逐渐增大，当压力上升至呼吸阀的开启压力（2 ～3 kPa） 时，回收的油气还是会经过通气管排到大气中，直至油罐内的压力低于呼吸阀的开启压力。

三次油气回收即安装油气排放处理装置（以下简称“处理装置”），主要用于收集由于二次回收引起的油罐压力过高而排放的油气。油气通过处理装置进行液化分离，形成的高浓度油气（或液态油） 再次被利用，可以有效抑制油气经呼吸阀大量排出，降低加油站油气排放的浓度[1-4]。

2 三次油气回收工艺和技术应用现状

2.1 三次油气回收工艺流程

三次油气回收系统，即油气排放处理装置通过管道与油罐连接形成的密闭回路。处理装置的入口设有电磁阀和压力传感器，当检测到油罐气相空间的压力上升至装置的启动压力时，电磁阀开启，吸入的油气经过相关工艺处理后被液化分离，得到的高浓度油气（或液态油） 回收至油罐中再次利用，而其余空气通过尾气排放管排出；当检测到罐内气相空间的压力下降至停止压力时，处理装置停止运行，结束本次处理过程。需要注意的是：油气排放处理装置的启动和停止压力可根据其工艺和工况的不同进行调整，启动压力宜在300～1000Pa 之间；停止压力宜在-500～0Pa 之间。启动压力过低会造成装置频繁启动，过高则达不到预期的处理效果。

2.2 技术应用现状

油气排放处理装置从原理上可分为冷凝法、吸附法、吸收法、膜分离法。由于四种油气排放处理工艺各具优点和缺点，因此通常会采用多种工艺结合的方法，以达到优势互补的目的。目前，我国油气排放处理装置应用的主流处理工艺包括：吸附法、冷凝- 吸附法、冷凝- 膜处理法。

2.2.1 吸附法

吸附法主要利用油气中各组分与吸附剂（活性炭、硅胶、分子筛等） 间结合力存在强弱差别的原理，实现烃类物质和空气（主要是氧气和氮气） 的分离。

吸附法处理装置主要由吸附系统（吸附泵、吸附罐） 和再生系统（脱附泵） 组成，如图2 所示。吸附系统设有两座并联的吸附罐，当吸附罐A工作至设定时间（吸附剂吸附的油气达到一定体积） 时，切换至吸附罐B，这时脱附泵开始对吸附罐A 进行脱附，脱附的高浓度油气将返回到汽油罐中。两座吸附罐交替进行吸附和脱附的过程，以实现处理装置的不间断运行。

图2 吸附法处理装置示意

吸附法处理装置具有易维护、低能耗、高效率的优点，被广泛应用于加油站中。但由于吸附材料易饱和且寿命短，在频繁开停和异常工况下容易导致吸附剂失效；同时，吸附床容易产生高温热点，存在安全隐患。

2.2.2 冷凝-吸附法

冷凝- 吸附法采用冷凝法和吸附法的组合工艺。首先，利用油气在不同温度和压力下具有不同的饱和蒸气压的原理，将油气冷凝至液态油（冷凝温度为-10 ～-20℃），而未冷凝为液态的浓度较低的油气再通过一个吸附系统，烃类物质进一步被吸附剂吸附。冷凝液化的液态油和脱附的高浓度油气均返回至油罐中。冷凝- 吸附法处理装置示意见图3。

图3 冷凝- 吸附法处理装置示意

冷凝- 吸附法处理装置综合了两种工艺的优点，规避了缺点。冷凝法的安全性及油气回收的效率较高，但要达到排放标准需要将油气冷却到-70℃的低温，所需能耗大，运行费用高；吸附法所需能耗较低，但吸附材料易饱和，并易产生高温热点。而冷凝- 吸附法处理装置采用先冷凝再吸附的方案，既降低了装置能耗，又避免了高温热点，克服了安全隐患。

2.2.3 冷凝-膜分离法

冷凝- 膜分离法采用冷凝法和膜分离法的组合工艺，其处理装置示意见图4。

图4 冷凝-膜分离法油气处理装置示意

冷凝- 膜分离法处理工艺的工作原理是：首先使部分油气冷凝液化，未冷凝为液态的浓度较低的油气利用不同组分在膜表面渗透速率存在差异的原理，实现烃类物质的分离。

膜分离法是目前最新研发的油气回收工艺，投资较大、能耗高，其优点是设备体积小，适合在场地较小的加油站内使用[7-8]。冷凝- 膜分离法油气回收装置综合了两种工艺的优点，具有装置占地面积小、操作简便、容易维护、运行安全、投资回报率高的特点，因此，该方法自投入市场以来得到了广泛的应用。

3 加油站三次油气回收工艺设计

3.1 三次油气回收设计原则

3.1.1 管道设计原则

三次油气回收系统工艺管道连接方案如图5 所示。油气排放处理装置为橇装设备，设有进气管、回气管和尾气排放管，进气管与高标号汽油罐气相连接，回气管与低标号汽油罐气相连接，净化后的空气通过尾气排放管排出。在管路的铺设过程中应保持管道坡度≥1%，以保证凝液回流到油罐中。

图5 三次油气回收系统工艺管道连接方案示意

3.1.2 设备布置原则

（1） 安全间距满足规范要求。GB 50156—2012（2014 年版）《汽车加油加气站设计与施工规范》中对加油站内汽、柴油设备与站内外的建（构） 筑物的安全间距均有详细的规定，但未明确对油气排放处理装置安全间距的相关要求。

目前，在设计中通常采用将处理装置比照为其他工艺设施的方法来确定其安全间距。一些设计单位将处理装置比照为卸油口；Q/SH 0117—2007《油气回收系统工程技术导则》中规定：将处理装置比照为通气管；而中国石油集团工程技术研究有限公司采取了更为保守的做法，将其比照为加油机（根据加油站爆炸危险区域划分，处理装置与站区围墙和可用地界线的距离不应小于3 m）。

（2） 从节约投资、减少工期的角度选择布置方位。宜选择处理装置的进气管、回气管和尾气排放管管道长度较短、地面开挖较少的方案。

（3） 根据实际操作经验，选择美观、易操作的位置。美观：处理装置的接管一侧不宜朝向加油区的方向，其正面应朝向加油区方向；易操作：处理装置的正前方不应设有遮挡物，以确保有足够的检修空间。

3.2 三次油气回收工艺设计方案

近年来，为响应国家环保政策和地方政府的要求，新建加油站和已建成运营的加油站均有增设三次油气回收系统的需求。新建加油站和改造加油站的设计思路存在差异：对于新建加油站，三次油气回收系统与站内其他设施统一设计，协调布局，并同时开展施工；而对于已经建成投入运营的加油站，则要求在不改变其他设施，尽量减小施工工程量的情况下，增设三次油气回收系统。

3.2.1 新建加油站

3.2.1.1 工艺设计方案

针对新建站点，三次油气回收系统常规的工艺设计方案是将处理装置的进气管连接到高标号汽油罐的人孔盖上，回气管连接至低标号汽油罐的人孔盖上，尾气排放管通常与油罐通气管统一协调布置。工艺流程见图6。

图6 三次油气回收系统常规工艺设计方案

当遇到特殊情况（例如：油罐人孔盖开孔空间有限、处理装置远离罐区布置） 或从减少管道安装工程量的角度考虑，处理装置的进气管可连接到高标号汽油罐通气管上，回气管连接至二次油气回收主管道上。

3.2.1.2 设备布置方案

当罐区非承重布置（采用非车行道下罐区）时，按照减小管道长度的原则考虑，处理装置宜布置在罐区附近；根据美观且易操作的原则，处理装置的正面宜面向加油区，而接管一侧面向围墙。设备布置方案参见图7。

图7 油气排放处理装置布置方案（新建加油站、非承重罐区）

当罐区承重布置（采用车行道下罐区）时，处理装置应布置在不影响行车的位置，宜靠近围墙或在加油岛上布置，装置的正面应朝向加油区进口方向。当靠近围墙布置时，处理装置的边缘应与通气管、卸油口齐平，为油罐车进站卸油提供足够的空间，同时在工艺设施靠近行车道方向设防撞柱，以防止工艺设施被机动车误撞，如图8 方案一所示；当通气管沿罩棚立柱向上敷设时，处理装置可考虑在加油岛上布置，进气管与高标号通气管相连，回气管与二次回收管道相连，如图8 方案二所示。

3.2.2 改造加油站

3.2.2.1 工艺设计方案

对于实施改造（已建加油站增设三次油气回收系统） 的加油站，若采用常规的工艺设计方案，将管道连接至汽油罐的人孔盖上，会带来大量的施工工程量（包括地面开挖、法兰盖开孔等），同时增加了不必要的投资，施工时间也相对较长。因此，通常采用设备与现有管道连接的方案，不需要在人孔盖上重新开孔。

改造方案一：采用从高标号汽油通气管取气、回气至低标号汽油通气管的方案。

由于油罐的气相空间通过通气管与大气连通，因此当进气管连接至高标号汽油通气管上时，即与高标号汽油罐的气相空间连通，可以实现从高标号汽油罐取气的目的；当回气管连接至低标号汽油通气管上时，即与低标号汽油罐连通，可以实现回气至低标号汽油罐的目的。

图8 油气排放处理装置布置方案（新建加油站、承重罐区）

该方法无需动火和破坏地面，通气管与设备进气管连接采用三通管件连接，通气管根法兰以上、球阀以下部分管件在预制厂提前预制，现场安装即可。工艺设计方案见图9。

图9 三次油气回收系统改造的工艺设计方案一

改造方案二：采用从高标号汽油通气管取气、回气至低标号汽油罐量油管或二次回收管道的方案。

低标号汽油罐人孔盖上均设有与油罐液相连通的量油管和二次油气回收管。当回气管连接至低标号汽油罐量油管或二次回收管道上时，可以实现处理后的油气回收至低标号油罐的目的。

量油管与设备回气管连接采用焊接连接，量油管根法兰以上、球阀以下部分管件在预制厂提前预制，施工期间现场安装；二次回收管道与设备回气管连接采用现场焊接的方式。工艺设计方案见图10。

图10 三次油气回收系统改造的工艺设计方案二

3.2.2.2 装置布置方案

对于实施改造的加油站，以减小设备接管长度、减小工程量为优先考虑原则，设备宜布置在罐区通气管和汽油罐附近。设备布置方案见图11。

图11 油气排放处理装置布置方案 （改造加油站）

4 结论

（1） 虽然加油站内一次和二次油气回收系统实现了将卸油和加油过程中挥发的油气回收至油罐中，但随着油罐压力增大，回收到油罐中的油气还是会随着呼吸阀的开启直接排出，并没有完全实现油气回收再利用的目的。而三次回收系统可以收集由于油罐压力升高所排放的油气，将处理后得到的高浓度油气（或液态油） 回收到油罐中再次被利用，有效降低了加油站油气排放浓度。油气排放处理装置已经成为目前油气回收体系中最重要、最有效的一个环节。

（2） 三次油气回收系统，即油气排放处理装置通过管道与油罐连接形成的密闭回路，实现从高标号汽油罐气相取气，油气经处理后，再次回到低标号汽油罐的过程。目前，我国油气处理装置应用的主流工艺有：吸附法、冷凝- 吸附法、冷凝-膜处理法。其中，吸附法处理装置具有易维护、低能耗、高效率的优点，但因其吸附材料易发生饱和，则适用于处理量较小的加油站；冷凝- 吸附法采用“先冷凝再吸附”的方案，综合了两种工艺的优点，既降低了装置能耗，又避免了吸附材料发生饱和后导致的吸附剂失效；冷凝- 膜处理法处理装置因其设备体积小，广泛应用于场地较小的加油站内。

（3） 油气排放处理装置设有进气管、回气管和尾气排放管。三次油气回收系统常规的工艺设计方案是将设备的进气管连接到高标号汽油罐的人孔盖上，回气管连接至低标号汽油罐的人孔盖上，尾气排放管与油罐通气管统一协调布置；而对于已经建成的加油站，考虑到减小施工工程量、缩短工期等诉求，可考虑进气管与高标号通气管相连、回气管与低标号汽油罐量油管/二次油气回收管道相连的方案。处理装置的布置方案需要从安全距离、实际操作、节约投资的角度考虑。