冷凝+吸附油气回收技术应用与安全性探究

2024-05-30潘太星吴秋华戚作秋李蓉华

品牌与标准化 2024年2期

潘太星吴秋华戚作秋李蓉华

【摘要】挥发性有机化合物（VOCs）的释放对自然生态系统和人类健康产生了严重的影响，引起了全球范围内的高度关注，从而使得VOCs的管理成为一个备受关注的问题。本文旨在探讨VOCs治理常用的工艺技术，并对油气回收工艺组合的应用实际和安全性进行探讨分析。首先，本文介绍了VOCs治理工艺技术和常见工艺组合；其次，以国内某炼油厂为实例，对冷凝+吸附工艺流程进行介绍；最后，通过综合分析，突显了VOCs治理和冷凝+吸附油气回收技术在提高空气质量、保护环境资源以及确保安全生产等方面的重要意义。

【关键词】VOCs；油气回收；冷凝；吸附；安全

【DOI编码】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

隨着工业化快速发展，工业生产规模不断扩大，大量释放挥发性有机化合物（以下简称“VOCs”）会引发光化学过程，生成臭氧和细颗粒物等污染物，造成环境污染和空气质量不断下降，VOCs治理成为全球关注的焦点[1-2]。

油气回收技术在环境保护和可持续发展方面发挥着重要作用，通过控制VOCs排放，达到减少空气污染和温室气体排放的目的，从而提高空气质量，保护生态系统。此外，油气回收技术还助于保护有限的石油和天然气资源[3]。

1VOCs治理工艺技术

现阶段，广泛用于VOCs治理的技术主要分为回收技术和消除技术两类。回收技术包括吸收法、吸附法、冷凝法和膜分离法等方法，旨在从有机废气中回收有价值的化合物，减少其对环境的影响。消除技术主要有燃烧法、等离子体法、生物法和光催化氧化法等方法，通过不同的物理、化学或生物过程，将VOCs彻底分解或转化为无害物质，实现废气的有效清除。

1.1回收技术

1.1.1吸收技术

吸收技术利用低挥发性或不挥发性液体作为吸收剂，根据废气中各成分在吸收剂中的溶解度或化学反应特性的差异，将废气中的有害成分吸附到吸收剂中，从而实现净化效果[4]。对于VOCs的处理，常常采用物理吸收的方式，基于有机物的相容性原则，使有机物从气态阶段吸附到液态阶段，从而将废气中的有害成分分离出来。经过处理后的吸收液经解吸处理，使有机化合物被回收，使吸收剂得以再生利用。

吸收技术在处理VOCs时具有广泛应用，例如在天然气中净化VOCs、回收焦油副产物、油气回收等领域都得到了应用。这种方法能够有效地将有机废气中的有害成分转移到液相中，从而实现废气的净化和资源的回收。

1.1.2吸附技术

吸附技术是一种利用固体吸附剂对气体混合物内部各种成分具有不同选择性吸附特性的原理，用以分离该气体混合物的方法[5]。在吸附过程中，气态污染物被吸附剂表面的固体材料捕获，实现气体的分离和浓缩。吸附剂的再生通常采用以下方法：

1）低压水蒸气替代再生。通过注入高温水蒸气，将吸附剂中的被吸附物质替换出来。再生后的高浓度混合物经过冷凝分离，从中回收溶剂。

2）热气流吹扫再生。运用高温气流对吸附剂表面进行吹扫，使被吸附的物质从吸附剂中解吸出来。再生后产生的高浓度废气经过冷凝分离，以回收溶剂，或者可以经过催化燃烧或高温焚烧处理。

3）降压解吸再生。利用负压将吸附剂中的被吸附物质解吸出来。再生后产生的高浓度有机物可以通过低温冷凝和液体吸收等方式进行溶剂回收。在工业领域中，吸附技术是一种经典且常用的气体净化方法，被广泛应用于VOCs的处理。

1.1.3冷凝技术

冷凝技术采用物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压的性质，通过调整系统温度或增加系统压力，将气态污染物冷却至饱和状态的方式，从而使得这些污染物从废气中冷凝并分离出来[6]。当废气中的有机物浓度达到一定水平时，随着温度的降低，其蒸气压会急剧上升。冷凝技术通过降低废气系统的温度，使得有机物蒸气逐渐转化为液体，有效地将其从气态中分离出来。冷凝技术尽管对高浓度有机溶剂蒸气的处理效果较好，但通常需要与其他技术相结合，以达到更高的净化效率和经济性。

1.1.4膜分离技术

膜分离技术利用气体在膜材料中的渗透和扩散行为，基于不同气体分子的大小、极性和亲和力等特性，通过施加适当的压力，使气体分子在膜中的穿透速率有所不同，从而实现气体分子的分离[7]。膜分离技术选择合适的膜材料至关重要，因为膜材料不仅需要具有高透气性，还需要具备足够的机械强度、化学稳定性，以及适合成膜加工的特性，可以根据不同的气体组分和分离目标来定制，以实现高效、选择性的气体分离。

1.2消除技术

1.2.1生物技术

生物技术是近年来崭新的有机废气净化方法，通过培养经过适应的微生物，利用其新陈代谢过程将废气中的污染物作为碳源和氮源进行分解，将有机物和无机物转化为环保的H2O和CO2，从而有效地净化工业废气。尽管生物方法在有机污染物降解速率中相对较慢，主要适用于低浓度废气，且微生物对有机物消化具特异性，限制了其处理多种有机气态物质的能力，但在有机废气净化领域，尤其处理低浓度有机废气，生物技术仍有巨大潜力。

1.2.2燃烧技术

燃烧技术利用VOCs的可燃性，在适当的温度和氧气条件下，将VOCs氧化为H2O和CO2的过程，从而实现废气的净化[8]。燃烧技术可以分为催化氧化和直接燃烧两种主要形式。催化氧化方式是在催化剂的作用下，VOCs在相对较低的温度下发生氧化反应，实现VOCs的高效氧化，减少能量消耗和NOx等氮氧化物的生成。催化氧化通常适用于VOCs浓度较低、连续稳定的工况。直接燃烧方式是将VOCs在高温下直接氧化成H2O和CO2的方法，通常在750～850℃的温度范围内进行。

1.2.3催化氧化技术

催化氧化技术利用辅助热源和氧化过程中产生的热量，将有机废气加热至300～450℃的温度范圍。在催化剂的催化作用下，有机废气中的可燃有机污染物在氧化过程中被转化为无害的CO2和H2O，随后通过排气管道排放到大气中。该技术利用热源和催化剂的协同作用，将有机废气中的有害成分高效氧化转化，从而达到排放标准并释放热能，去除率通常高于97%，不仅在操作中不会引起二次污染，还可以实现能量自给[9]。

2工艺技术组合分析

2.1吸收+吸附

吸附操作会释放热量，从而导致吸附床层可能升温，易影响吸附剂使用寿命。吸收过程是一个气液传质过程，整个过程需要吸收液通过循环泵不停地循环，以达到充分吸收尾气的作用，因此能耗较大。设备使用寿命一般可达10年以上，吸附剂使用寿命一般为6～8年[10]。

2.2冷凝+吸附

该技术前段工艺采用深冷，温度可达-75℃，进入吸附工段时的油气温度较低，避免了吸附床层温升造成的吸附剂失活风险，冷凝温度很低，对于熔点低的物系，尤其是汽油（熔点<-60℃），容易出现冻堵现象，因此需要设置双管路进行切换。在操作过程中，设备所产生的全部制冷能被有效回收利用，用于克服油气的汽化热，将油气转化为可回收的油，不仅实现了节能和环保的目标，还带来了显著的经济效益。整套设备使用寿命一般可达10年以上，吸附剂使用寿命一般为

6～8年[10]。

2.3冷凝+催化氧化

该技术前段工艺采用浅冷，进入吸附工段的油气浓度仍较高，高浓度油气可能脉冲引发催化剂“飞温”和稀释闪爆，将高浓度的油气经过低温冷凝处理后，通过油泵输送至根据用户需求指定的储油罐中，不凝气进入催化氧化系统完全销毁。当有油气时可以停止电加热器，但由于是间歇操作，需要电加热器不断启停，因此能耗较高。整套装置使用寿命可达20年以上，催化剂使用寿命一般为5～8年[10]。

3冷凝+吸附油气回收技术应用

国内某炼油厂新建1套处理规模1600 Nm3/h的油气回收处理装置，拟采用冷凝+吸附油气回收工艺技术。

废气通过气相支管进入阻火器，然后汇总至总管，并通过汽液分离器分开液体和气体。气体经由防爆风机送入油气处理装置的冷凝单元。风机和压力传感器联锁，通过自动变频运行来调整排气量。

在冷凝单元，废气在被冷却的同时与已经冷凝处理的气体进行回热交换，接着进入多级冷凝过程。首先，通过前置换热器进行预冷，然后进入一级冷凝器进行进一步的冷却。其次，废气进入二级和三级冷凝器后进一步冷却，使大部分的有机化合物液化析出。最后，经过回热交换回到接近常温。

未凝结的气体进入吸附系统，通过两个交替工作的吸附罐进行吸附和解析过程。在常压下，一个吸附罐进行吸附，当其饱和后，系统切换至另一个吸附罐，同时进行解析。吸附过程使有机物被捕获，解析过程释放这些有机物。交替使用确保了系统的稳定运行。

未凝结的气体经过压缩机压缩，并在冷凝过程中进一步降温，然后进入膜分离器进行分离。膜将气体分为富集流（渗透气）和贫化流（尾气）。贫化流进入后续的活性炭吸附单元进一步处理，而渗透气被循环回膜系统再次分离。

整个处理过程使废气去除率超过97%，达到了GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》要求，尾气则从排气筒排放到大气中。

4冷凝+吸附油气回收工艺技术安全性分析

冷凝+吸附油气回收工艺技术在废气处理领域备受关注，然而其安全性也是一个不容忽视的议题。工艺中存在高浓度油气的处理，可能引发火灾和爆炸的风险，确保设备的密封性以及采用防爆设计是不可或缺的步骤，以减少可燃气体的泄漏和积聚，进而降低火灾和爆炸的潜在危险。吸附过程涉及废气中的油气被吸附剂捕获，可能导致吸附床层产生高温，必须采用有效的温控措施，确保床层温度稳定在安全范围内，防止过热引发操作风险。催化剂的选择也是关键一环，合适的催化剂需要同时具备稳定性和反应性，且不会引发异常反应，以保障工艺的安全运行。此外，冷凝+吸附技术较为成熟，在国内石油化工领域应用较为广泛，已有上百套应用业绩，如汽油装车废气、苯储罐废气、原油储罐废气等处理，均可以达到运行稳定、安全可靠的要求。