浅析储罐油泥处理技术及清洗技术发展现状

瓮子文,王佳楠,李 明,刘俊阳

(1. 中石化(大连)石油化工研究院有限公司,辽宁 大连 116045; 2. 大连市智能油气储运及安全工程研究中心,辽宁 大连 116045)

石油在开采、运输、炼制和长期储存的过程中,会掺杂各种机械杂质和矿物杂质,如金属屑末、纤维物质、泥土、砂砾和重金属盐等成分【1-2】。在使用过程中油品会与空气中的氧气发生氧化反应、在高温的情况下油品会发生热分解反应从而改变了自身的理化性能,老化生成酸类、胶质、焦炭和沥青质等组分,使得油品颜色变暗、粘度增加、酸性值增大。此外,油品本身还含有分子量大、熔点高的蜡、胶质和沥青质,与油品中的机械杂质和矿物杂质一起沉降聚集在油罐的底部,形成一种粘稠的胶状物质层,如油泥。油泥中含有大量的烃类组分,是宝贵的二次资源,若随油泥流失,不仅污染环境,也会造成极大的浪费。储罐中油泥的存在,也有许多危害。油泥中的水和盐类物质的积聚会加速储罐底板及罐内其他设备的腐蚀,对储罐的使用寿命、储罐内油品质量和储罐的有效容积等造成一定的影响,同时罐底油泥杂质和水分的增多,易产生静电积累,增加静电事故的可能性【3-6】。为确保安全运行、降低安全隐患,新建储罐、储罐换装不同种类油品以及储罐长期在役运行期间一般每5～6年都需要进行清洗和维修。随着储罐在役时间的增长,其清洗问题日益突出。储罐清理技术从最初的人工清洗到现在的机械清洗、机器人清洗,有了很大的改进,正向着密闭化、综合化、系统化、智能化的方向发展,同时油泥处理技术也向着便捷化、减量化、无害化和资源化【1】方向发展。以下对现有的技术进行简要叙述。

1 含油污泥处理技术现状

油泥是各种机械杂质和矿物杂质与油品中胶质、沥青质等重质组分沉淀形成的混合物。它虽然难于清理,但同时也含有丰富的烃类资源。油泥处理技术是通过改变油泥的理化特性以达到油固分离目的的技术。现有的油泥处理技术有生物处理、焚烧处理、热解处理、热水洗涤处理、电化学处理、调制-离心法处理和调制分离+焚烧工艺处理。每种处理方法都有其适用的应用场景和优缺点【7】,其中焚烧处理技术能彻底消除有害有机物,适用于含油量10%以下的污油泥。相对于焚烧处理技术而言,生物处理技术能耗低、处理成本低,无需化学药剂,但是处理周期长,不能回收油品,同时还会造成资源的浪费;热解处理可以实现快速无机化处理,需要供热装置能耗大、成本高,且容易造成环境污染,适用于水和油含量都不高的油泥处理;热水洗涤处理适用范围广,适用性强,可回收90%左右的油品;电化学处理能耗高、处理周期长、原油全部损失,但投资费用低;调质-离心法处理技术适用性强,原油回收率在95%左右;调质分离+焚烧工艺处理后的原油含量在0.3%以下,符合农用土壤的排放要求。

有大量的学者尝试采用各种方法对油泥进行处理。雍兴跃等【8】提出利用微波技术对油泥作热处理,从而实现油类物质提取、回收和无害化处理;杨继生等【9】通过试验对超声波技术处理油泥砂进行了研究,发现在超声波空化和表面活性剂洗涤的共同作用下,可大大提高油泥的脱油率;刘岩【10】开展了超声-离心实验,研究分析了此工艺的最佳处理条件以及油泥中油品和水层性质、金属元素迁移、微观形貌和固体颗粒结构等方面对处理效果的影响,为含油污泥的减量化、资源化处理提供了新思路;石江南【11】提出了一种移动式油泥水磁分离装置,其采用磁分离技术,即利用元素或组分磁敏感性的差异,借助外磁场将物质进行磁场处理,从而达到强化分离过程的目的。油泥的回收及资源化是减少环境污染、提高效益的重要途经。

2 储罐含油污泥清理技术现状

2.1 储罐清洗技术现状

储罐清洗技术按清洗方式可以分为人工清洗、机械清洗和智能化机器人清洗技术。我国储罐清理技术发展起步较晚,相关技术和手段相对于发达国家有很大的差距。目前国内相关行业正在逐步实现机械清罐代替人工清罐作业,机器人清洗技术仍处于样机试制阶段,尚未得到工业化应用。

2.1.1 人工清洗技术

人工清罐工艺包括蒸罐、多次抽吸表层油、自然或强制通风、氧气及可燃性气体检测、人工进入罐内将油泥推出等多个步骤。人工清罐工艺复杂、安全性低、污染环境、易受到天气等因素的干扰、清洗效率低且清洗效果差。目前,国内正处在由人工清洗向机械清洗过渡的阶段。

2.1.2 机械清洗技术

机械清罐【12】是保持罐内惰性环境的同时利用热的原油或者同类热油在一定温度、高压和射流速度下将罐底油泥打碎、溶解、稀释和回收,再经过热水清洗,油、水、泥分离,达到油泥处理和资源回收目的的工艺。清洗过程中需要不断通入惰性气体,同时还需监测空气中氧气与可燃气体的浓度,防止静电危害,避免事故发生。从经济和适用性角度考虑,机械清洗适用于大型储罐的油泥清洗,并不适合小型储罐。

机械清洗的主要设备【3】由移送装置、清洗装置、回收装置、惰气发生装置、油水分离装置以及气体浓度检测装置等附属装置组成。移送装置主要由过滤器、回收泵、供油罐等组成,用于抽吸储罐中具有一定流动性的残留油品。清洗装置主要由清洗泵、热交换器和清洗机组成,用于将清洗油和水经加温、加压后输送给清洗机,然后再通过清洗机的喷嘴对储罐中粘稠的原油进行喷射、搅拌稀释。回收装置包括分离器和回收油罐,用于对清洗后的产物进行气油、水、固分离和储存。此外,储罐底部处理系统还包括氮气发生装置和可燃性气体浓度检测装置,保证储罐底部清理工作能够安全有效地进行。

机械清洗按安装位置【5】及清洗操作流程可以分为顶部高压冲洗、机械臂清洗和底部沉浸式冲刷清洗,详细介绍如下:

1) 顶部高压射流清洗

清洗装置安装在储罐浮船的支柱上,安装数量根据储罐的容积决定,清洗时从上方形成高压喷射水流对罐进行冲刷清洗。该方法可以实现密闭、高效和快速的清洗,但会遗留一些难于清洗的油泥。

2) 机械臂清洗

机械臂清洗装置是安装在储罐内部一种由曲柄滑块等结构组成的多级伸缩机械臂,机械臂末端装有马达驱动的360°转动的清洗喷头,可利用高压水射流形成冲洗面,对储罐进行高压冲洗。机械臂清洗技术适用于小型储罐的精确清洗,不适用于大型储罐的清洗,由于罐内结构复杂【13】,会存在一定的清洗盲区。

3) 沉浸式喷射清罐器

该装置一般安装在储罐底部或者进油口,利用进油或打循环时流体自身能量使油品从喷嘴喷出,横向冲刷罐底,使罐底淤渣重新悬浮起来,向罐外输油时,淤渣与油品一起输出,达到清洗油罐的目的。该方法存在一定的弊端,如其冲刷力小,对径向距离大的大型储罐清洗效果不理想,同时悬浮的淤渣滞留在油品中,会造成二次污染。该清罐装置不适用于成品油储罐。

4) 防沉降设备

为了防止油泥在储罐底部的积聚,需要安装防止沉降【14-15】的设备。伸入式搅拌器和旋转喷射搅拌器是目前常用的防沉降设备。侧向伸入式搅拌器在罐壁底部位置,采用螺旋桨使周围的液体调和均匀,防止油泥沉积。该装置需要配备电机,有一定的安全隐患,搅拌效果不理想,且装置成本高。旋转喷射搅拌器安装在罐底中央,利用循环泵加压输出液体流经搅拌器形成射流束,对周围流体进行卷吸和扰动,达到防止油泥沉降的作用。李晓红等【16】设计将高压清洗喷嘴安装在人孔处,利用高压形成的切削力来冲击清理表面油泥,并对冲洗产生的污水进行油水分离,回收后再循环利用。

机械清洗技术单纯依靠高压对待清洗表面形成的冲刷力来完成对储罐的清洗任务,往往达不到预期的清洗效果,通常需要借助辅助流化技术来增强清洗效果。辅助流化技术通过改变油泥的理化性质,降低其粘稠度,使其具有较好的流动性以提高清洗效果。常用的辅助流化技术有热水/热油冲洗、热蒸汽蒸罐以及适配化学药剂等。

2.1.3 机器人清洗技术

目前,大部分机械清洗系统存在自动化程度低、设备组成和工艺流程复杂等不足,同时,有些罐底含油污泥难于清理,单纯通过机械打散、清扫的方式不易清除干净,如在浮顶罐浮盘支柱等位置存在大量的难于清理的污泥,如何有效清除油泥并在罐外对清扫效果进行快速评价也是亟待解决的问题。智能清罐机器人【17-24】以其便捷、高效、智能、安全、环保、良好的清洗效果和高资源回收率等特点广泛地受到人们关注。

机器人本体机械结构、人工智能、传感控制、通信、环境识别及现代设计方法等诸多学科以及构成各类服务功能的各项专有技术、关键技术的发展和突破对清罐机器人的发展都有着重大的影响。

1) 本体运动形式

清罐机器人可以分为轨道式机器人、轮式机器人、履带式机器人和足脚式机器人等4类。每种机器人都有各自的优、缺点。轨道式机器人性能稳定,但运动轨迹单一,行动范围受限,自主性低;轮式机器人移动速度快,灵活,但越障及吸附能力差;履带式机器人吸附和越障能力强,但是行动不灵活;足脚式机器人适应性强,但行动缓慢。

2) 动力源

目前市场上的清罐机器人在动力方面多采用气动、液动和防爆式电力驱动。气动和液动能够很好地满足防爆需求和动力输出,机器人后方往往需要拖拽大量的线缆,致使机器人本体机构复杂且笨重,拖拽大量的线缆,不仅影响机器人的动力输出,而且还会由于罐内结构复杂导致线缆缠绕等影响机器人的行动;防爆式电力驱动可以实现集成化、便捷化的控制,但防爆技术是降低安全隐患的技术关键,也是目前一项技术难点。

3) 传感器

传感器控制技术用于采集罐内信息,并将采集到的信息传输给控制中心。控制中心对信息进行处理分析,与罐内清洗机器人进行人机交互或者控制机器人自主操作。目前常用的传感器有相机、IMU惯性测量、陀螺仪、里程计和激光雷达等,但是常规的传感技术(如激光、雷达等)在储罐内部封闭空间内受到限制,使得常规的技术手段很难在储罐内部应用。

4) 机器人定位、导航及路径规划

机器人定位与导航是实现人机交互或自主操作的关键。清罐机器人与常规的机器人相比,导航及定位功能的开发难度在于机器人处于储罐内部油气空间中,需要有很好的防爆性能,此外,储罐内部空间环境复杂,对机器人的感知及导航系统有更高的要求。近年来,人工智能、机器人视觉等技术不断发展,人们可以通过多种技术获取罐内的结构及自身的位姿信息。而不同的定位系统有着各自的局限性,IMU加速度计、陀螺仪等可以得到机器人的位姿和地址坐标,但是存在累计误差,长期的累计误差会导致定位效果很差;基于相机等传感器的视觉定位系统,对于相机和处理平台的要求都很高,会导致成本投入增加;雷达系统刷新频率低,定位距离较短,现有的定位方法中UWB定位技术【25-27】具有很好的应用前景,但单一的定位手段往往不能适用于多种环境,需将不同的定位方法结合起来,剔除干扰信息,从而提高定位精度,才能有效解决以上问题。有众多学者对不同的方法进行了相关研究。上海交通大学的缪松华【28】将基于麦克风列阵的声源定位技术应用到储罐机器人定位中,并对相关声源定位算法进行了改进;有的学者通过图像来提取有效的数据信息,如高庆珊【29】从视觉导航系统的组成、基于几何的全局图像目标提取方法、路径规划和视觉导航系统平台的搭建等方面对清罐机器人进行了相关研究。视觉传感器精度相对来说不够高,随着卷积神经网络模型等深度学习的图像处理方法的应用,图像识别精度不断的提高,基于机器人视觉的定位和导航技术也不断发展。澳大利亚和德国团队研发的ARGONAUS机器人采用旋转双激光雷达系统完成厘米级定位导航【30】,并已经投入到实际的工业应用中。

路径规划的目的是为了寻找机器人在遇到障碍主动避让的同时对空间进行遍历的最优路径。目前路径规划方法有DWA和Trajectory Rollout局部路径规划算法、A*算法、PRM算法、RRT算法及其变种等。

Kalra L P等【31】研发了一种可以自主移动、导航和路径规划的无线通信机器人。仇恒坦等【32】通过分析人工势场法的特点,通过增加距离因子和采用将斥力旋转一定角度的方法改变了传统人工势场法存在的目标不可达和局部极小值点问题。此外,仇恒坦【33】从多传感信息融合角度深入研究了机器人地图构建、定位与自主导航等相关理论与算法,并结合ROS系统实现了这些功能。陈超等【34】提出了一种室内导航算法,利用射频识别系统,联合运用超高射频和低频射频实现精准定位,并设置实验验证了算法的可行性。显然,随着人工智能等技术的发展使得以其为依托实现罐内清洗机器人的智能化具有了一定的可行性。

3 结论与展望

储罐清理技术正处在高速发展状态,人工清洗和机械清洗将逐渐被智能机器人清理技术取代,向智能化时代发展。但与此同时,智能清罐机器人的发展也面临着诸多问题。具体总结与展望如下:

1) 机器人本体处在油气密闭空间中,面临着操作可靠性问题及安全防爆技术的突破。

2) 在动力供应方面,目前市场上的机器人普遍为气驱或液压驱动,后方需要拖拽大量的线缆以提供信号传输和动力源,既影响机器人动力输出,又影响机器人在有限复杂空间的移动。为解决以上问题,需要研发无线缆机器人,这就需要解决机器人在金属密闭空间和油气环境中数据通信和机器人供能问题。随着无线电能传输技术的不断发展,无线供电技术将成为机器人电能供应的研究热点和应用趋势。

3) 要实现清罐智能化,需要在软件开发方面解决定位、导航和路径规划等智能算法与石化储罐内部特殊环境相结合的问题。目前,每种定位和导航技术都或多或少地存在一定的弊端和局限性,多种技术手段、多种传感器相结合的综合定位导航技术将成为必然。随着深度学习等图像处理方法的不断发展,图像处理技术不断完善,基于机器人视觉的定位导航技术将在储罐智能清洗作业中发挥重要作用。