VOCs油气回收工艺探讨与分析

丁 锋 李丛妮

1.中石化中原石油工程设计有限公司石油化工规划设计所,河南 濮阳 457001;2.陕西省石油化工研究设计院,陕西 西安 710065



VOCs油气回收工艺探讨与分析

丁 锋1李丛妮2

1.中石化中原石油工程设计有限公司石油化工规划设计所,河南 濮阳 457001;2.陕西省石油化工研究设计院,陕西 西安 710065

轻烃产品;VOCs;油气回收

0 前言

石油及其产品是多种碳氢化合物的混合物,其中轻组分在常温下蒸汽压较高,极易挥发,故在油品从油库到加油站再到用户的储运过程中,油罐或汽车油箱会因温度、压力波动而产生大量高浓度挥发性有机化合物VOCs(Volatile Organic Compounds)，从而造成油品损耗问题。这些VOCs主要成分为丁烷、戊烷、苯、二甲苯、乙基苯等,它们大多属致癌物质,同时油品挥发损耗会降低油品质量、污染环境、浪费资源、造成火灾隐患以及危害人身安全,给企业和社会带来诸多严重危害。因此,VOCs油气回收装置[1-10]是油品储运过程中不可或缺的配套工程设施。

1 现有油气回收工艺

目前常用的油气回收工艺有冷凝法油气回收工艺[11-12]、吸收法油气回收工艺[13]、膜分离法油气回收工艺[14-15]、吸附法油气回收工艺等[16-17]。上述工艺各有优缺点,需要根据回收气(VOCs)的特性、气量及作业区的公用工程条件选择最适合的回收方案。

1.1 冷凝法油气回收工艺

冷凝法油气回收工艺的基本原理是当冷凝气的温度低于其露点温度时将发生冷凝,由于易挥发性有机化合物的露点温度高于空气的露点温度,故当对油气蒸汽和空气的混合物进行冷凝时,大部分油气蒸汽会被冷凝成液态，而空气则可通过通风口被排出,从而达到分离的目的。这种工艺的优点是工艺原理简单,操作安全可靠,回收的烃类液体不含杂质,经济效益可观,安全性高;缺点是通过此工艺要达到国家排放标准,能耗较高且投资较大。图1为冷凝法油气回收工艺典型流程示意图。

图1 冷凝法油气回收工艺典型流程示意图

1.2 吸收法油气回收工艺

图2 吸收法油气回收工艺典型流程示意图

1.3 膜分离法油气回收工艺

膜分离法油气回收工艺的基本原理是利用高分子膜对油气的优先透过性的特点,让油气/空气混合气在一定的压差推动下经膜的“过滤作用”使混合气中的油气优先透过膜得以“脱除”回收,而空气则被选择性截留。该工艺优点是操作相对简单,但目前关键设备全部采用进口设备,投资过高。图3为膜分离法油气回收工艺典型流程示意图。

图3 膜分离法油气回收工艺典型流程示意图

1.4 吸附法油气回收工艺

吸附法油气回收工艺的基本原理是利用活性炭、硅胶或活性纤维等吸附剂对油气/空气混合气的吸附力大小的不同,实现油气和空气的分离。油气通过活性炭等吸附剂,油气组分吸附在吸附剂表面,然后再经过减压脱附或蒸汽脱附,富集的油气用真空泵抽吸到油罐或用其他方法液化;而活性炭等吸附剂对空气的吸附力非常小,未被吸附的尾气经排气管排放。

吸附法油气回收装置一般包括变压吸附单元、分离罐和吸收塔三个单元。吸附法一般以活性炭作为吸附材料,活性炭的特性是单位体积的表面积极大,可有效吸附油气中的烃。其油气回收装置采用的是一种变压吸附流程,由两个交替工作的活性炭床组成,活性炭的再生则通过一个真空泵提供的抽真空操作来完成,并在再生循环的最后,通过空气吹扫阀对炭床进行吹扫。吸附剂达到一定饱和度后,进行抽真空减压再生,再生过程中脱附出的油气再用油品进行吸收,吸收后的贫气再返回到吸附过程进行吸附。图4为吸附法油气回收工艺典型流程示意图。

图4 吸附法油气回收工艺典型流程示意图

由于天然气处理厂内产品VOCs主要以溶剂油、苯及稳定轻烃挥发气混合物为主,且苯在常压下5.5 ℃即可结晶,而该工艺单独使用时,要达到设计要求,投资费用将大大增加。因此,我们提出了“冷凝+吸附”的油气回收工艺[17],结合两者技术优点,组合使用。

2 “冷凝+吸附”油气回收工艺

2.1 工艺流程参数设置

模拟时,以120#溶剂油、苯及稳定轻烃的挥发气混合物为主要介质,根据各种产品的日产量计算装车时油气的挥发量(采用35 ℃时的饱和油气),其中溶剂油挥发气占17 m3/h、苯挥发气占23 m3/h,稳定轻烃挥发气占40 m3/h,即本项目油气回收处理规模为80 m3/h。

2.2 工艺流程模拟

采用HYSYS软件对该工艺进行模拟,模拟流程见图5，模拟过程中的主要参数见表1。3种油气汇集后,挥发蒸汽通过油气回收总管进入油气回收装置的引风机吸入到冷凝系统前的预冷器,将油气温度由引风后的42 ℃降到33 ℃。进入冷凝系统后,冷凝系统分为三级冷凝,通过空冷器将温度逐级降低到设置的冷凝温度。

三级冷凝的温度等级依次为6、-30和-45 ℃。待冷凝、分离结束后,混合气中残余油气浓度为458 g/m3。然后通过预冷器将低温不凝气复热至10 ℃后送入活性炭吸附系统,吸附后达到排放标准的气体排放至放空系统。吸附的油气经过脱附换热器冷凝至-30 ℃,冷凝液经分离后通过缓冲罐进行存储,然后进入到天然气处理厂的进料缓冲罐中混合,作为原料重新进入处理装置;分离后的不凝气循环至引风机入口。

图5 “冷凝+吸附”油气回收工艺模拟流程图

表1 模拟参数汇总

主要工艺节点温度/℃冷量/kW残余油气浓度/(g·m-3)剩余油气量/(m3·h-1)剩余油气空气摩尔分数/(%)一级冷凝68.1103168.561二级冷凝-306.158955.473.5三级冷凝-451.545151.879脱附冷凝器-301.6---

2.3 技术难点及解决方案

此工艺流程在设计过程中的主要技术难点与解决方案为:

1)由于介质中存在苯介质(常压下5.5 ℃即可结晶),常规的抽真空脱附无法解析苯,因此需采用微热抽真空再生方法才能彻底解决苯结晶影响活性炭吸附效果的问题。

2)在夏季相对湿度较高时,油气中会有相当数量的水分,很可能造成局部冻堵,为此,需要严格控制一级冷凝温度(使其温度务必达到6 ℃),使油气中的水分过饱和后,在三相分离器中去除,剩余的水汽含量将大大减少。

3)吸附剂宜采用经特殊钝化处理的活性炭,可有效降低活性炭中的含氧官能团,从而降低活性炭吸附温升,使活性炭在安全温度区间工作。

4)活性炭与油气的接触时间需经过严格计算,使油气有足够的时间与活性炭充分接触,以达到吸附目的。

5)活性炭的吸附量是通过设计气量和设计负荷计算出来的,平时实际运行时不一定都能达到此负荷,因此引风机宜选用变频控制式,以满足高、低负荷时的需要。

2.4 经济效益分析

122.4/h×5 h/d=612 kg/d

年回收量为:

612 kg/d×330=201.96 t/a

回收油品按4 000元/t计算,则年产值为:

201.96×4 000元/t=80.8万元/a

电负荷按照1元/度计算,设备实际耗电约20 kW,则:

20 kW×5 h/d×330 d/a×1元/度=3.3万元/a

年效益分析见表2。

表2 年效益分析

年回收量/(t·a-1)年产值/(万元·a-1)年耗电量/(kW·h)年电费/(万元·a-1)年效益/(万元·a-1)201.9680.8330003.377.5

3 结论

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2016-04-18

丁 锋(1984-)，男，陕西咸阳人，工程师，硕士，主要从事天然气处理、地面集输和化工仪控等方面的研究与设计工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.006