油气储运中油气回收技术的应用

2024-04-11梅舟营

化工设计通讯 2024年3期

梅舟营

（中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江宁波 315812）

1 概述

针对罐区油气产生的问题，目前我们采取了一些措施来减少油气的产生，例如在挥发性较强的油品储罐上好的，采用内浮顶和氮气密封相结合的方式，并在装卸过程中实施下部装卸工艺。这些措施在一定程度上有效地减少了油气的产生，但无法完全杜绝。因此，油气的回收就成为重要环节。

2 主流油气回收技术简介及优缺点分析

现在，石油化工领域中普遍采用的油气回收方式有汲取、吸附、冷却、燃烧以及膜分解[2]等技术。这些技术均具有严谨、稳重、理性和官方的特点，旨在确保石油化工行业的安全、环保和高效运营。

2.1 吸收法

我们将通过逆向流动的方法让混合油气与自上而下喷洒的吸收液体发生交互作用，以达到油气与空气的有效分离。在这个过程里，我们会运用专用的吸收液来捕捉特定类型的烃类物质。未能被吸收的气体将会经由防火设备排出。然后，吸收液会转移至真空脱附容器内进行脱附操作，并收集到的油气会被进一步处理成可使用的油产品。

这种方式的优点在于其制作过程简洁，易于理解，并且操作费用相对较低。然而，为了确保未被吸收的气体达到排放标准，吸收过程所需的温度必须保持在低温条件下进行。因此，该工艺系统中可能需要增设制冷系统，同时需要使用耐低温材料，并需注意结冰情况。此外，吸收剂的消耗量需要不断补充，直接导致投资和运行成本的增加。另外，该方法的回收量较低，一般无法达到现行国家标准。

2.2 吸附法

此种技术依赖于如活性炭、硅胶或者活性纤维等吸附材料，以区分并分离开混合气体中的石油与氧气。具体的执行过程如下：①当石油气体经过这些吸附物质时，它的成分会被吸引到吸附物表层；②我们使用蒸汽解吸或是降低压力来提取出那些富集的石油气体，并将它们转移到储油容器或者是采取其他的液化处理方式；③因为这种吸附物质对于氧气的吸收能力相对较低，所以剩余的废气可以从排放管路释放出来。以上操作需严格遵守相关规定，确保安全、有效地完成分离任务。

然而，在某些情况下，如油气浓度突然升高，吸附剂可能无法快速吸附所有的油气分子，导致局部温度急剧升高。这种过热现象可能导致吸附剂表面形成过热和过氧化物，这些物质具有很高的反应活性，容易引发自燃现象。

2.3 冷凝法

采用冷凝方法时，我们使用了制冷交换的热能处理方式来移除油气内的能量，实现了气体向液体的无缝转变。这种方法的关键是基于油气内各种烃类的沸点与压力之间的关系，降低温度可以使得部分烃类蒸发至超饱和状态，进而产生出可被收集的液体石油产品。

为了达成这个目标，我们通常会使用多级持续制冷的方式来降低油气的工作温度，让它们凝结成液态并被利用。根据混合气体的组成、根据所需的回收率和最终排放至大气的尾气浓度限制值，我们可以推算出冷凝装置系统必须维持的最低温度。

尽管现有的制冷技术成熟可靠，为油气回收装置的平稳运行提供了保证，但低温材料的昂贵价格直接导致了整体设备成本的上升。

2.4 燃烧法

2.4.1 装置加热炉燃烧

该装置采用直接加热炉燃烧的方式，原理简洁明了；同时能够处理废气和废液；使用辅助燃料，如天然气和柴油等；价格相对较低。然而，为了防止混合气体在进入装置加热炉时处于爆炸极限范围内，产生闪爆或更严重的事故，需要控制混合气体的总烃含量和氧含量。

2.4.2 超低排放燃烧

超低排放燃烧（CEB）技术采用了独特的金属纤维燃烧器，该燃烧器在处理油气时具有极高的适应性，并且能够实现高达99.9%的油气处理效率。这种无烟无火焰的燃烧方式，致力于推动环境保护和实现超低排放目标。

混合油气被小心翼翼地通过一台高效的风机送入燃烧装置中，以确保其稳定而均匀地参与燃烧过程。同时，燃烧器所配套的补充燃料气则经过一套精密的减压装置，旨在将其压力调整至最佳状态后，再进入燃烧器内部，为火焰提供源源不断的能量。这两路气体都配备了自动切断阀和压力调节阀，这些先进的设备如同守护者一般，时刻监控并调整着气体的流量和压力，确保燃烧过程的顺利进行。当出现异常情况时，自动切断阀会迅速反应，切断气体的供应，从而防止任何潜在的危险。助燃空气通过一台设置在燃烧器底部的风机进入燃烧器下部的预混器。风机具有稳定、高效的特点，能够确保助燃空气与燃料气充分混合，形成理想的燃烧条件。混合后的气体在预混器中进一步混合，为后续的燃烧过程做好准备。当所有条件都达到最佳状态时，混合气体进入燃烧室，与燃料气一同进行燃烧。这样的设计确保了燃料的高效利用和充分燃烧，同时降低了有害物质的排放，为环保事业做出了贡献。燃烧产生的尾气经过达标处理后进行排放。如图1所示。

图1 CEB工作原理示意图

2.5 膜分离法

利用特殊高分子膜，它会优先穿透烃类，在一定压力的驱动下，油气混合物能够通过高分子膜，而空气就被[1]阻挡并排放出去。这种高分子膜具有出色的选择性和灵敏度，可以精确分离油气混合物中的烃类成分。在分离过程中，油气混合物经过高分子膜时，烃类成分迅速渗透过去，而空气成分则被阻挡并排放出去。如图2所示。这样，富集的油气可以被输送回油罐或采用其他方式进行液化处理。这种分离方法不仅高效、环保，而且操作简单，可以实现自动化控制。

图2 膜组件工作原理

该方法的基本原理易于理解，只需调整并控制膜两侧的压差和压比，即可确保油气的正常渗透。尽管如此，因为膜技术的石油和天然气的回收使用相对较晚，所以相关的机械部件的价格会比较高昂。但是，随着市场规模的扩张，这些部件的价格可能会有下降趋势。再者，因其是新的研发的产品，所以在选择过滤器时需要进一步提升其透过率。目前，只能通过增加膜的数量来提高渗透回收率。膜技术的持续进步将使得膜的选择性渗透能力逐步增强，同时也会减少膜的数量。目前主流使用的膜组件结构有板框式和螺旋卷式。如图3所示。

图3 螺旋卷式膜组件

3 大榭石化油气处理设施的应用

3.1 挥发性有机物膜处理撬装设施

为此本着积极探索新工艺、新技术的精神，公司于2022年12月投运了挥发性有机物膜处理撬装设施。该设施采用了膜分离技术，同时与冷凝技术相结合，能够实现挥发性有机物浓缩后，冷凝为液相再进行回收。该套撬装设施使用了对烃类具有“反向”选择性的橡胶态聚合物复合膜，可以高效分离有机物和烃类等大分子，从而形成对有机物和烃类分子的浓缩。同时利用冷凝技术，实现对挥发性有机物回收处理，处理后的尾排气可达到直接排放标准。流程参考，如图4所示。并且在挥发性有机物处理全过程中没有物理放热过程，为物理分离过程，因为不存在过程放热，所以有效地避免安全风险。且不产生其他固废和危废，不会造成二次污染。

图4 有机物膜处理撬装设施工作流程

目前装车台装卸油品中，油气进入膜处理设施的油品，如表1所示。

表1 油气进入膜处理设施的油品

在系统运行时，系统会自动监测装车台汇总管路内的挥发性油气压力，一旦达到预设的启动压力，系统将自动启动并调整其处理负荷。设备系统中配备了液环泵，该泵将上游管道的气体输送至下游的冷却换热器中。通过调节液环泵的输送能力，可以实现对系统处理负荷的自由调节。

冷凝分液器会对油气进行冷却并回收，然后将冷却后的气体和液体混合物放入分液罐内进行气液分离。之后，气相组分将进入膜组件。这个膜组件是采用了防静电设计的叠式膜，其全体构造和内部元素都是防静电设计的。在分离挥发性有机物的过程中，该膜不会累积静电。

这种“逆向”的弹性高分子复合膜有着独特的筛选功能，它更倾向于让大型分子的化合物如易挥发的有机物质和石油产品通过。在处理及提取挥发性有机物质的过程中，膜的选择性分离能力主要依赖于不同成分穿过膜的流动速度之差。对于橡胶型聚合物的溶解吸收具有决定性的作用，它能显著提升渗透流速，并随分子质量的增大而增强。这使得高分子量的部分能够率先穿过，从而实现了对特定的气体成分的收集与回取。

分离的推动力是膜进气侧与膜渗透气侧之间的压力差。经过膜组件处理后的气体被分为两部分：非渗透侧的挥发性有机物浓度较低，该股气体压力基本保持不变，可以进入下一工段或直接排放；而渗透侧的挥发性有机物浓度较高，这部分气体将经过液环真空泵返回系统的入口再一次进行循环冷凝。

3.2 设备的优化改造

3.2.1 液环真空泵回流优化

在系统试运行期间，为配合系统进行一二级膜分离，在膜组件的另一侧设有变频式液环真空泵，运行时会将膜组件后侧管路形成负压，确保膜两侧形成固定的压力差，使富集油气透过膜后再次进行冷凝回收。再由于我公司实际的装车情况，无法实现连续性装车，在装车暂停时，油气浓度偏低甚至没有。而液环真空泵运行时，泵进出口压力会形成一定的压力差，同时为了适应装车油气外送量的变化，以及外送油气中油气浓度的变化，为液环真空泵匹配了变频电机，导致机泵频率发生变化，极易造成液环真空泵出现短时间抽空，机泵振动升高的现象，长此以往，机泵使用寿命将大大缩减。

为此，根据现场机泵运行状态及实际装车情况，经过综合考虑，对现场液环真空泵流程进行优化。将液环真空泵运行模式由变频改为定频运行，同时，增设液环泵压控回流流程。当装车暂停时，液环真空泵进口压力下降，此时，通过泵出口压控进行回流，保障液环真空泵的正常稳定运行。

3.2.2 液环泵工作液水冷工艺改造

为配合将装车台油气从主汇管中抽出，设施配备了2台液环压缩泵，用于将油气抽吸并升压输送至后续冷凝单元。对于液环泵的工作液的选择，由于最初设备试运行时正值冬季，普通柴油在运行过程中发生了冻凝现象，随后使用了凝点较低的裂解柴油作为工作液，解决了工作液冻凝问题，但设备运行至夏季高温天气时，由于工作液出现稳定超高的现象。分析原因为最初设计考虑使用全厂循环水对工作液进行循环降温，但夏季全厂循环水温度普遍偏高。为此，根据现场实际工况，对工作液水冷工艺流程进行优化改造，将原先使用循环水对工作液进行循环降温，改为循环水及制冷液分别循环降温。从设备冷凝单元中，将制冷后的冷媒水引入工作液换热器内，同时，保留原本循环水换热流程。在环境温度偏低时，可以使用循环水对工作液进行循环降温，在环境稳定偏高时，可以使用冷媒水对工作液进行循环降温，确保了液环泵的正常运行，也保证设施运行过程中的整体温度控制要求。