覆土油库油气回收技术的探讨

逯 旭

〔华商国际工程有限公司 北京 100069〕

1 油库油气回收现状

目前油气回收系统在我国油库设计中的大范围应用，在益于安全环保的同时，还减少了油品损耗。

常见的油气回收系统多用于公路发油、铁路发油的油气回收系统中，油库为地面库，采用内浮顶油罐。发油时密闭集气，发油过程中槽车液面上升将油气压至密闭管道，通入油气回收装置；收油时由于内浮顶油罐罐体与大气相通，收油过程不能进行全密闭回气，通过油槽车呼吸阀自动补气，实现压力平衡，待再次装油时进行回收。

在覆土油库中，油罐在半地下或地下，罐外设置罐壳，罐壳外还有覆土，容易聚集油气形成爆炸空间。在这种情况下如何更好地回收油气，在此进行探讨，以供参考。

2 覆土油库油气回收存在的问题

2.1 拱顶罐与内浮顶罐油气回收区别

根据GB 50074《石油库设计规范》要求，地上罐储存汽油必须采用内浮顶油罐。覆土油库必须采用固定顶油罐，对于覆土油库储存汽油是否采用内浮盘未说明。实际设计中对此问题也难于处理，若采用内浮顶，罐壁需设置多个通气孔，若通气孔通向罐室，则罐室油气浓度高，易爆炸且容易造成人员窒息。若通气孔通向罐室外，需要高出地面1.5 m，加上罐室覆土高度，总计会高出罐顶约5 m，罐顶需设计多个大口径通气管。通气管道太高，罐顶钢板较薄，开口处应力集中，易发生强度破坏，实际上也没有这样的设计实例。

也有方案提出在拱顶罐内加设浮盘，不设置环向通气孔，仅设置呼吸阀的罐体设计方案，按这种方案，内浮盘的抗浮在理论计算上可以通过，但在实际调查中，发现曾出现卡盘事故。原因就是内浮盘抗浮性能对压力负荷非常敏感，没有较大的通气面积，其上下浮动能力较差，易产生卡盘现象，在此不推荐使用。

按照GJB 5758《后方油料仓库设计规范》条款规定覆土钢质油罐可采用拱顶油罐，安装呼吸阀。通过多年的设计实践证明，得益于恒定的地温影响，覆土油库罐室气温常年在15～18℃，因小呼吸引起的油品挥发损耗很小，有利于油品的储存，可不设置内浮盘。覆土油库储存汽油可采用拱顶罐，其储存方式类同柴油。但用油单位有独立的管理、评价体系。储存方案适合不适合商用储存，还需要看该储存条件下的油气排放量能否满足环保要求。

2.2 覆土油库拱顶罐油气排放量计算

覆土油库拱顶罐设有呼吸阀，油气排放主要由通气管、呼吸阀排出。储存汽油条件下因温差变化造成的油气排放量可做如下预测：

基本数据：汽油油气密度1.9 kg/m3，油气体积浓度约40 %，可得出油气质量浓度为760 g/m3。油气主要成分为C1～C6的碳烃及环烷烃(表1)，总分子量约为42 g/mol。以10 000 m3覆 土 油 罐 为例，储存温度15～18℃，通气孔高5 m。

表1 油气组成(洛阳炼厂) 体积浓度，%

拱顶罐有温差变化时，参考SH/T 3002《石油库节能设计导则》。以10 000 m3油罐计算可得，年损耗量在61 m3/a，排放速率1.34 mg/h。

扩散浓度的计算：实际油罐作业时，内外压差(G)最大为2 000 Pa，远小于大气压力。可假设罐内外气压相等，罐体与外部环境之间通过通气管连通，环境油气分压近似为零，油气做等分子稳态扩散。油气在大气中的扩散系数计算可根据麦克斯韦-吉利兰扩散系数公式估算。

式中：

D——扩散系数，m2/s；

T——温度，K；

P——总压力，kPa；

M——摩尔质量，g/mol；

V——物质分子体积，cm3/mol；

分子体积按照克普(Koop)加和法则计算，以洛阳炼厂油气(纯油气)为例:

油气分子体积：VY=14.8×4.25+3.7×4.25×2=94.35cm3/mol

空气分子体积：VQ=31.2×0.79+25.6×0.21=30.024cm3/mol

则传质速率为:

式中：

NA——扩散速率，kmol/(m2s)；

D——扩散系数，m2/s；

PA2、PA1——油气内外分压，Pa；

R——气体常数，取8.314；

T——温度，K；

Z——通气管高度，m。

则在15 ℃时，标准大气压下，扩散系数为：1.65×10-5m2/s，通气管长度5 m，扩散速率为：5.57×10-8kmol/(m2s)。扩散口处油气质量浓度为2.34 mg/m3。

根据大气污染物排放标准，非甲烷最高排放浓度为120 mg/m3，二级地区排放速率≤10 kg/h。根据储油库大气污染物排放标准要求，油气排放质量浓度≤25 g/m3。

由于油品温差变化是长期存在的，覆土库储存期间温差大多<5 ℃，引起的气体挥发量少，不易回收，直接排放应符合国家标准要求。通过上述计算结果表明，覆土油库储存油品由温差引起的油气挥发浓度及排放量均低于国家标准要求。满足国家给定的排放要求。

3 油气收集方案

3.1 全置换式油气收集系统

全置换式油气收集系统即在收发油过程中，罐体、罐车、槽车、油气管道互通连接，通过油气密闭流通实现罐内汽液面压力平衡。该系统要求罐体密闭，适用于常压拱顶油罐油气回收。理论上，1m3油置换1m3汽，过程全密闭。但设计过程中需处理好以下问题：

(1)对于罐体比较分散的覆土油库，最远罐与最近罐体距离大，油气输送压力不够，需增设增压系统，考虑到操作压力不能大于罐体设计压力，所以增压压力(G)不宜大于2kPa。

(2)罐内油气温度与罐车油气温度(罐车、槽车)有温差，达到平衡状态下总气量与卸油量有偏差。由温差引起的膨胀气体需进行有效估算。

由于罐体与管道互通，管道设计压力取罐体设计压力(G)，为2kPa，油气在低压、常温状态可按理想气体处理。气体流动状态可考虑为等温状态。

因升温膨胀油气流量计算：

式中：

V——汽油作业流量，m3/h；

T——卸油环境最低温度，K；

T0——覆土罐罐室温度，取273+15,K；

φ——液气比，取1.0～1.1。

注意事项：全置换式收集系统对管道、罐车的密闭性要求很高。作业时全程密闭，需要依靠液位仪表来监测油槽车液位，实现高低液位连锁关阀控制，对自动化要求较高。但在扫槽与卸油作业同时进行时，油槽车人孔盖必须打开进行作业观察，密封性遭破坏，罐内油气不能回流至槽车中。

3.2 半置换式油气收集系统

对于扫槽收油同时进行的工况，需要将罐体液位上升排出的油气直接输送油气回收装置；发油密闭置换，收油不置换，这种系统属于半置换式油气收集系统。油气流量计算如下：

式中：

V ——汽油最大作业流量，m3/h；

T——卸油环境最高温度，K；

T0——覆土罐罐室温度，取273+15，K；

K——液气比，取1.0～1.1

该系统按上述公式计算，举例某地最高气温35℃，最低气温-15℃时，按汽油作业流量500m3/h，采用全密闭式可回收油气49.5m3/h。采用置换式可回收油气535m3/h。

通过计算可以看出，两种系统可回收的气量相差很大。

主要原因在于全置换式油气回收是全密闭过程，以控制气体不泄漏为主，收发油的同时，气相、液相均进行了平衡置换。回收的油气是由于温差、输送压力引起的气体膨胀部分的体积。回收量小，回收能耗小，适宜用于周转次数较低的覆土油库中。

半置换式油气回收系统，对于拱顶罐，发油时直接对槽车内油气进行置换收集；收油时对罐体内排出的油气直接进行回收；对于内浮顶罐体收油时不产生油气，不需要回收。最大回收气量约等同于进出油品的体积。回收量大，回收能耗高，但油槽车扫槽、收油可以同时进行，以方便人工观测。对收发油自动化程度要求不高。

4 油气处理能耗分析

4.1 油气处理工艺

目前设计多采用三种油气回收方法，吸附吸收式、冷凝式、组合式。

吸附吸收式油气回收为连续操作，吸附罐为2个，循环使用。吸附饱和后进行解附吸收，解附吸收为间歇操作。缺点是单程回收效率较低，约为70 %，设备体积大。优点:操作负荷弹性大。

冷凝式为低温制冷，分中温冷凝和纯冷凝。中温冷凝温度为-75 ℃，采用冷凝、吸附、富集高浓度油气，中温冷凝回收。纯冷凝法冷凝温度为-110 ℃，采用复叠制冷，连续操作可冷量交换，降低能耗，但发油不均匀时冷量交换效率低，能量损耗大。受制冷量影响，操作负荷弹性小。

组合式油气回收有膜冷凝吸附组合，采用分离膜与活性炭循环富集高浓度油气实现低温冷凝，冷凝温度为0～5 ℃，避免了结霜、低温，但流程复杂，稳定性差。

目前市场多用冷凝法加吸附或膜法组合回收，冷凝加吸附法分离能耗较小，主要因素集中在冷凝上。因制冷温度越低，能耗越大，产生的结霜问题不易解决。

综上所述，选用合理的回收方法要求首先能耗低。油气回收是节能减排的环保措施。能耗太高使回收得不偿失。其次要求效率高。回收的对象是油气，该部分仅占40 %，其中的空气和水汽属于流程中的惰性气体，对回收不利，回收过程中先行分离空气和水汽可最大程度地减少制冷量、避免结霜、提高回收效率。最后气相负荷操作弹性要大，油库收发油作业存在不均匀性，油气回收流量波动较大。综合考虑，采用先吸附后冷凝的方案是比较合理的。

4.2 吸附加冷凝回收工艺的能耗计算

第一阶段吸附净化。首先对油气进行吸附净化，活性炭对油气有吸附作用，对空气和水汽没有吸附作用，该阶段操作压力(G)≤5 000 Pa，利用罐体密封压力实现，无能耗损失。

第二阶段解附。利用真空泵抽真空解附，解附压力约为(A)1 500 Pa，解附主要成分为高浓度油气，几乎不含空气及水汽。可采用油封机械真空泵，理论能耗：

式中：W——功率，J；

P1、P2——吸气、排气压力，Pa；

Q——吸气量(吸入状态)，m3/s；

K——效率因数0.045～0.186。

出口压力取常压，计算可得解附能耗为:34kW/Nm3，

第三阶段冷凝回收。油气首先降温至3～5℃，冷凝出碳氢化合物重组分和携带的少量水，降低在以后阶段的结霜可能性。在第二级制冷，油气进一步冷却到-50～-75℃，可回收90 %的油气，剩余油气重新吸附。能耗计算如下：

理论功：

式中：W——功率，J；

T1——进气温度，K；

T2——排气温度，K；

ΔH——制冷量，J/kg。

如果是回收C3及以上的气体，常压下沸点为-47.4℃，冷凝温度需达到-50℃。

取石油馏分基准温度-17.8℃，特性因数K=11.8时，石油馏分基准条件下的液相焓值数学关联式：

式中：HL——液相焓值，kj/kg；

T——温度，K；T≤393K；

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

石油馏分在基准条件下气相焓值数学关联式：

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

HV——气相焓值，kj/kg；

T——温度，K；

Ai——0.002 139、0.028 222、1.480 359、

-0.270 972。

取汽油相对密度0.72，平均解附温度15℃，冷凝温度0～5℃，1kg油气焓变为523.61kJ，经换算(标准状态)1m3油气焓变982kJ，需理论功(标准状态)330kJ/m3，合0.092khW/m3。由于吸附解附后几乎不含空气，因此对于进入装置的每立方油气含空气60 %，每处理1m3解附油气相当于处理2.5m3混合气，实际混合气处理功耗(标准状态)为0.046 2khW/m3。

5 结论

由此可见覆土油库储存汽油采用拱顶罐时，其排放速率及排放浓度可以满足标准要求。大呼吸时，由于无内浮盘，油气损耗排放量巨大，必须采用有效的回收措施。

覆土油库中，运用全置换式油气回收系统更为合理。因为拱顶罐容易实现低压时全密封，需要回收的油气量很小，尤其对于低周转次数的储备库更为适宜。

目前采用纯冷凝法功耗(标准状态)为0.2～0.3 khW/m3，采用吸附吸收法能耗(标准状态)为0.15～0.3 khW/m3，而吸附冷凝法实际混合气处理功耗(标准状态)为0.046 2 khW/m3，仅为其他工艺的30 %。综合比较采用先吸附后冷凝的回收工艺优势明显，值得进一步开发此类产品，并进行推广使用。