覆土油庫油氣回收技術(shù)的探討

逯 旭

〔華商國際工程有限公司 北京 100069〕

1 油庫油氣回收現(xiàn)狀

目前油氣回收系統(tǒng)在我國油庫設(shè)計(jì)中的大范圍應(yīng)用，在益于安全環(huán)保的同時(shí)，還減少了油品損耗。

常見的油氣回收系統(tǒng)多用于公路發(fā)油、鐵路發(fā)油的油氣回收系統(tǒng)中，油庫為地面庫，采用內(nèi)浮頂油罐。發(fā)油時(shí)密閉集氣，發(fā)油過程中槽車液面上升將油氣壓至密閉管道，通入油氣回收裝置；收油時(shí)由于內(nèi)浮頂油罐罐體與大氣相通，收油過程不能進(jìn)行全密閉回氣，通過油槽車呼吸閥自動(dòng)補(bǔ)氣，實(shí)現(xiàn)壓力平衡，待再次裝油時(shí)進(jìn)行回收。

在覆土油庫中，油罐在半地下或地下，罐外設(shè)置罐殼，罐殼外還有覆土，容易聚集油氣形成爆炸空間。在這種情況下如何更好地回收油氣，在此進(jìn)行探討，以供參考。

2 覆土油庫油氣回收存在的問題

2.1 拱頂罐與內(nèi)浮頂罐油氣回收區(qū)別

根據(jù)GB 50074《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，地上罐儲(chǔ)存汽油必須采用內(nèi)浮頂油罐。覆土油庫必須采用固定頂油罐，對(duì)于覆土油庫儲(chǔ)存汽油是否采用內(nèi)浮盤未說明。實(shí)際設(shè)計(jì)中對(duì)此問題也難于處理，若采用內(nèi)浮頂，罐壁需設(shè)置多個(gè)通氣孔，若通氣孔通向罐室，則罐室油氣濃度高，易爆炸且容易造成人員窒息。若通氣孔通向罐室外，需要高出地面1.5 m，加上罐室覆土高度，總計(jì)會(huì)高出罐頂約5 m，罐頂需設(shè)計(jì)多個(gè)大口徑通氣管。通氣管道太高，罐頂鋼板較薄，開口處應(yīng)力集中，易發(fā)生強(qiáng)度破壞，實(shí)際上也沒有這樣的設(shè)計(jì)實(shí)例。

也有方案提出在拱頂罐內(nèi)加設(shè)浮盤，不設(shè)置環(huán)向通氣孔，僅設(shè)置呼吸閥的罐體設(shè)計(jì)方案，按這種方案，內(nèi)浮盤的抗浮在理論計(jì)算上可以通過，但在實(shí)際調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)曾出現(xiàn)卡盤事故。原因就是內(nèi)浮盤抗浮性能對(duì)壓力負(fù)荷非常敏感，沒有較大的通氣面積，其上下浮動(dòng)能力較差，易產(chǎn)生卡盤現(xiàn)象，在此不推薦使用。

按照GJB 5758《后方油料倉庫設(shè)計(jì)規(guī)范》條款規(guī)定覆土鋼質(zhì)油罐可采用拱頂油罐，安裝呼吸閥。通過多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，得益于恒定的地溫影響，覆土油庫罐室氣溫常年在15～18℃，因小呼吸引起的油品揮發(fā)損耗很小，有利于油品的儲(chǔ)存，可不設(shè)置內(nèi)浮盤。覆土油庫儲(chǔ)存汽油可采用拱頂罐，其儲(chǔ)存方式類同柴油。但用油單位有獨(dú)立的管理、評(píng)價(jià)體系。儲(chǔ)存方案適合不適合商用儲(chǔ)存，還需要看該儲(chǔ)存條件下的油氣排放量能否滿足環(huán)保要求。

2.2 覆土油庫拱頂罐油氣排放量計(jì)算

覆土油庫拱頂罐設(shè)有呼吸閥，油氣排放主要由通氣管、呼吸閥排出。儲(chǔ)存汽油條件下因溫差變化造成的油氣排放量可做如下預(yù)測：

基本數(shù)據(jù)：汽油油氣密度1.9 kg/m3，油氣體積濃度約40 %，可得出油氣質(zhì)量濃度為760 g/m3。油氣主要成分為C1～C6的碳烴及環(huán)烷烴(表1)，總分子量約為42 g/mol。以10 000 m3覆 土 油 罐 為例，儲(chǔ)存溫度15～18℃，通氣孔高5 m。

表1 油氣組成(洛陽煉廠) 體積濃度，%

拱頂罐有溫差變化時(shí)，參考SH/T 3002《石油庫節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》。以10 000 m3油罐計(jì)算可得，年損耗量在61 m3/a，排放速率1.34 mg/h。

擴(kuò)散濃度的計(jì)算：實(shí)際油罐作業(yè)時(shí)，內(nèi)外壓差(G)最大為2 000 Pa，遠(yuǎn)小于大氣壓力。可假設(shè)罐內(nèi)外氣壓相等，罐體與外部環(huán)境之間通過通氣管連通，環(huán)境油氣分壓近似為零，油氣做等分子穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。油氣在大氣中的擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算可根據(jù)麥克斯韋-吉利蘭擴(kuò)散系數(shù)公式估算。

式中：

D——擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

T——溫度，K；

P——總壓力，kPa；

M——摩爾質(zhì)量，g/mol；

V——物質(zhì)分子體積，cm3/mol；

分子體積按照克普(Koop)加和法則計(jì)算，以洛陽煉廠油氣(純油氣)為例:

油氣分子體積：VY=14.8×4.25+3.7×4.25×2=94.35cm3/mol

空氣分子體積：VQ=31.2×0.79+25.6×0.21=30.024cm3/mol

則傳質(zhì)速率為:

式中：

NA——擴(kuò)散速率，kmol/(m2s)；

D——擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

PA2、PA1——油氣內(nèi)外分壓，Pa；

R——?dú)怏w常數(shù)，取8.314；

T——溫度，K；

Z——通氣管高度，m。

則在15 ℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，擴(kuò)散系數(shù)為：1.65×10-5m2/s，通氣管長度5 m，擴(kuò)散速率為：5.57×10-8kmol/(m2s)。擴(kuò)散口處油氣質(zhì)量濃度為2.34 mg/m3。

根據(jù)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，非甲烷最高排放濃度為120 mg/m3，二級(jí)地區(qū)排放速率≤10 kg/h。根據(jù)儲(chǔ)油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求，油氣排放質(zhì)量濃度≤25 g/m3。

由于油品溫差變化是長期存在的，覆土庫儲(chǔ)存期間溫差大多<5 ℃，引起的氣體揮發(fā)量少，不易回收，直接排放應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。通過上述計(jì)算結(jié)果表明，覆土油庫儲(chǔ)存油品由溫差引起的油氣揮發(fā)濃度及排放量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。滿足國家給定的排放要求。

3 油氣收集方案

3.1 全置換式油氣收集系統(tǒng)

全置換式油氣收集系統(tǒng)即在收發(fā)油過程中，罐體、罐車、槽車、油氣管道互通連接，通過油氣密閉流通實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)汽液面壓力平衡。該系統(tǒng)要求罐體密閉，適用于常壓拱頂油罐油氣回收。理論上，1m3油置換1m3汽，過程全密閉。但設(shè)計(jì)過程中需處理好以下問題：

(1)對(duì)于罐體比較分散的覆土油庫，最遠(yuǎn)罐與最近罐體距離大，油氣輸送壓力不夠，需增設(shè)增壓系統(tǒng)，考慮到操作壓力不能大于罐體設(shè)計(jì)壓力，所以增壓壓力(G)不宜大于2kPa。

(2)罐內(nèi)油氣溫度與罐車油氣溫度(罐車、槽車)有溫差，達(dá)到平衡狀態(tài)下總氣量與卸油量有偏差。由溫差引起的膨脹氣體需進(jìn)行有效估算。

由于罐體與管道互通，管道設(shè)計(jì)壓力取罐體設(shè)計(jì)壓力(G)，為2kPa，油氣在低壓、常溫狀態(tài)可按理想氣體處理。氣體流動(dòng)狀態(tài)可考慮為等溫狀態(tài)。

因升溫膨脹油氣流量計(jì)算：

式中：

V——汽油作業(yè)流量，m3/h；

T——卸油環(huán)境最低溫度，K；

T0——覆土罐罐室溫度，取273+15,K；

φ——液氣比，取1.0～1.1。

注意事項(xiàng)：全置換式收集系統(tǒng)對(duì)管道、罐車的密閉性要求很高。作業(yè)時(shí)全程密閉，需要依靠液位儀表來監(jiān)測油槽車液位，實(shí)現(xiàn)高低液位連鎖關(guān)閥控制，對(duì)自動(dòng)化要求較高。但在掃槽與卸油作業(yè)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，油槽車人孔蓋必須打開進(jìn)行作業(yè)觀察，密封性遭破壞，罐內(nèi)油氣不能回流至槽車中。

3.2 半置換式油氣收集系統(tǒng)

對(duì)于掃槽收油同時(shí)進(jìn)行的工況，需要將罐體液位上升排出的油氣直接輸送油氣回收裝置；發(fā)油密閉置換，收油不置換，這種系統(tǒng)屬于半置換式油氣收集系統(tǒng)。油氣流量計(jì)算如下：

式中：

V ——汽油最大作業(yè)流量，m3/h；

T——卸油環(huán)境最高溫度，K；

T0——覆土罐罐室溫度，取273+15，K；

K——液氣比，取1.0～1.1

該系統(tǒng)按上述公式計(jì)算，舉例某地最高氣溫35℃，最低氣溫-15℃時(shí)，按汽油作業(yè)流量500m3/h，采用全密閉式可回收油氣49.5m3/h。采用置換式可回收油氣535m3/h。

通過計(jì)算可以看出，兩種系統(tǒng)可回收的氣量相差很大。

主要原因在于全置換式油氣回收是全密閉過程，以控制氣體不泄漏為主，收發(fā)油的同時(shí)，氣相、液相均進(jìn)行了平衡置換?；厥盏挠蜌馐怯捎跍夭?、輸送壓力引起的氣體膨脹部分的體積。回收量小，回收能耗小，適宜用于周轉(zhuǎn)次數(shù)較低的覆土油庫中。

半置換式油氣回收系統(tǒng)，對(duì)于拱頂罐，發(fā)油時(shí)直接對(duì)槽車內(nèi)油氣進(jìn)行置換收集；收油時(shí)對(duì)罐體內(nèi)排出的油氣直接進(jìn)行回收；對(duì)于內(nèi)浮頂罐體收油時(shí)不產(chǎn)生油氣，不需要回收。最大回收氣量約等同于進(jìn)出油品的體積。回收量大，回收能耗高，但油槽車掃槽、收油可以同時(shí)進(jìn)行，以方便人工觀測。對(duì)收發(fā)油自動(dòng)化程度要求不高。

4 油氣處理能耗分析

4.1 油氣處理工藝

目前設(shè)計(jì)多采用三種油氣回收方法，吸附吸收式、冷凝式、組合式。

吸附吸收式油氣回收為連續(xù)操作，吸附罐為2個(gè)，循環(huán)使用。吸附飽和后進(jìn)行解附吸收，解附吸收為間歇操作。缺點(diǎn)是單程回收效率較低，約為70 %，設(shè)備體積大。優(yōu)點(diǎn):操作負(fù)荷彈性大。

冷凝式為低溫制冷，分中溫冷凝和純冷凝。中溫冷凝溫度為-75 ℃，采用冷凝、吸附、富集高濃度油氣，中溫冷凝回收。純冷凝法冷凝溫度為-110 ℃，采用復(fù)疊制冷，連續(xù)操作可冷量交換，降低能耗，但發(fā)油不均勻時(shí)冷量交換效率低，能量損耗大。受制冷量影響，操作負(fù)荷彈性小。

組合式油氣回收有膜冷凝吸附組合，采用分離膜與活性炭循環(huán)富集高濃度油氣實(shí)現(xiàn)低溫冷凝，冷凝溫度為0～5 ℃，避免了結(jié)霜、低溫，但流程復(fù)雜，穩(wěn)定性差。

目前市場多用冷凝法加吸附或膜法組合回收，冷凝加吸附法分離能耗較小，主要因素集中在冷凝上。因制冷溫度越低，能耗越大，產(chǎn)生的結(jié)霜問題不易解決。

綜上所述，選用合理的回收方法要求首先能耗低。油氣回收是節(jié)能減排的環(huán)保措施。能耗太高使回收得不償失。其次要求效率高?；厥盏膶?duì)象是油氣，該部分僅占40 %，其中的空氣和水汽屬于流程中的惰性氣體，對(duì)回收不利，回收過程中先行分離空氣和水汽可最大程度地減少制冷量、避免結(jié)霜、提高回收效率。最后氣相負(fù)荷操作彈性要大，油庫收發(fā)油作業(yè)存在不均勻性，油氣回收流量波動(dòng)較大。綜合考慮，采用先吸附后冷凝的方案是比較合理的。

4.2 吸附加冷凝回收工藝的能耗計(jì)算

第一階段吸附凈化。首先對(duì)油氣進(jìn)行吸附凈化，活性炭對(duì)油氣有吸附作用，對(duì)空氣和水汽沒有吸附作用，該階段操作壓力(G)≤5 000 Pa，利用罐體密封壓力實(shí)現(xiàn)，無能耗損失。

第二階段解附。利用真空泵抽真空解附，解附壓力約為(A)1 500 Pa，解附主要成分為高濃度油氣，幾乎不含空氣及水汽?？刹捎糜头鈾C(jī)械真空泵，理論能耗：

式中：W——功率，J；

P1、P2——吸氣、排氣壓力，Pa；

Q——吸氣量(吸入狀態(tài))，m3/s；

K——效率因數(shù)0.045～0.186。

出口壓力取常壓，計(jì)算可得解附能耗為:34kW/Nm3，

第三階段冷凝回收。油氣首先降溫至3～5℃，冷凝出碳?xì)浠衔镏亟M分和攜帶的少量水，降低在以后階段的結(jié)霜可能性。在第二級(jí)制冷，油氣進(jìn)一步冷卻到-50～-75℃，可回收90 %的油氣，剩余油氣重新吸附。能耗計(jì)算如下：

理論功：

式中：W——功率，J；

T1——進(jìn)氣溫度，K；

T2——排氣溫度，K；

ΔH——制冷量，J/kg。

如果是回收C3及以上的氣體，常壓下沸點(diǎn)為-47.4℃，冷凝溫度需達(dá)到-50℃。

取石油餾分基準(zhǔn)溫度-17.8℃，特性因數(shù)K=11.8時(shí)，石油餾分基準(zhǔn)條件下的液相焓值數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式：

式中：HL——液相焓值，kj/kg；

T——溫度，K；T≤393K；

Ai——3.3165487157、-17.666590816、23.073903359、-29.937175505、66.201122462。

石油餾分在基準(zhǔn)條件下氣相焓值數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式：

HV=4.184A1T1.8eU+(A3T0.3+A4T0.5)7V

HV——?dú)庀囔手?，kj/kg；

T——溫度，K；

Ai——0.002 139、0.028 222、1.480 359、

-0.270 972。

取汽油相對(duì)密度0.72，平均解附溫度15℃，冷凝溫度0～5℃，1kg油氣焓變?yōu)?23.61kJ，經(jīng)換算(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))1m3油氣焓變982kJ，需理論功(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))330kJ/m3，合0.092khW/m3。由于吸附解附后幾乎不含空氣，因此對(duì)于進(jìn)入裝置的每立方油氣含空氣60 %，每處理1m3解附油氣相當(dāng)于處理2.5m3混合氣，實(shí)際混合氣處理功耗(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為0.046 2khW/m3。

5 結(jié)論

由此可見覆土油庫儲(chǔ)存汽油采用拱頂罐時(shí)，其排放速率及排放濃度可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。大呼吸時(shí)，由于無內(nèi)浮盤，油氣損耗排放量巨大，必須采用有效的回收措施。

覆土油庫中，運(yùn)用全置換式油氣回收系統(tǒng)更為合理。因?yàn)楣绊敼奕菀讓?shí)現(xiàn)低壓時(shí)全密封，需要回收的油氣量很小，尤其對(duì)于低周轉(zhuǎn)次數(shù)的儲(chǔ)備庫更為適宜。

目前采用純冷凝法功耗(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為0.2～0.3 khW/m3，采用吸附吸收法能耗(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為0.15～0.3 khW/m3，而吸附冷凝法實(shí)際混合氣處理功耗(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為0.046 2 khW/m3，僅為其他工藝的30 %。綜合比較采用先吸附后冷凝的回收工藝優(yōu)勢明顯，值得進(jìn)一步開發(fā)此類產(chǎn)品，并進(jìn)行推廣使用。