北滩油库油气回收技术方案研究.pdf

第 4 3卷第 1 0期 2 0 1 4年 1 0月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 3 ， N o ． 1 0 O c t o b e r ，2 0 1 4 北滩油库油气回收技术方案研究 刘奎荣 ，李章青 1 ． 西南石油大学，四川 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ．中国石油西南管道局兰州输油气分公司， 甘肃 兰州 7 3 0 0 6 0 摘 要针对北滩油库油气回收技术进行了方案研究。对常压冷凝法油气回收方案进行了模拟分析，发现 油气中游离水脱除率较低 ，导致大量的水分以霜冻的形式附着于换热器表面，影响传热效果。为此，还提出了 油气加压回收方案 ， 并对加压后的操作压力进行了模拟计算分析。结果表明， 如果采用增压机将油气压力提高 到 4 0 0 ～ 6 0 0 k P a ，水在预冷器中的脱除率大幅提高到 7 5 ％ 8 5 ％，可以大大降低一级冷凝器的冷冻负荷、极大减 轻结霜问题所带来的困扰。 关键词油气回收技术 ；冷凝法；油气脱水率；加压回收 中图分类号T E 9 9 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 41 0 2 0 0 9 0 5 R e s e a r c h o n Oi l G a s R e c o v e r y P r o j e c t o f B e i t a n D e p o t LI U Ku i r o n g L ， LI Zh an g - qi n g z 1 ． S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y , S i c h u a n Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0，Ch i n a ； 2 ． P e tro Ch i n a P i p e l i n e L a n z h O H Oi l Gas Pr o d u c t T r a n s p o r t a t i o n S u b． c o mp a n y , Ga n s u La n z h o u 7 3 0 0 6 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Oi l g a s r e c o v e r y p r o j e c t o f B e i t a n d e p o t w a s s t u d i e d ． T h e o i l g a s c o n d e n s at i o n r e c o v e r y u n d e r a t mo s p h e r i c p r e s s u r e wa s s i mu l a t e d a n d a n a l y z e d ． Th e r e s u l s h o w t h a t d e h y d r a t i o n r a t e i s v e r y l o w,wh i c h wi l l c a u s e a l o t o f wa t e r i n t h e f o r m o f f r o s t a t t a c h o n t h e s u r f a c e o f h e a t e x c h a n g e r s t o a ff e c t h e a t n ．a n s f e r e ffi c i e n c y ．T h e r e f o r e ． p r e s s u r i z e d r e c o v e r y p r o j e c t wa s p r o p o s e d ， and i t w a s s i m u l a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w that ， i f the s u p e r c h a r g e r i n c r e a s e s the p r e s s u r e t o 4 0 0 - 6 0 0 k P a ， t h e d e h y d r a t i o n r a t e c an r e a c h to 7 5 ％～8 5 ％ wh i c h wi l l r e d u c e c o o l i n g l o a d o f the fi r s t s t a g e c o n d e n s e r , a n d s o l v e f r o s t i n g p r o b l e m． Ke y wo r d s Oi l g a s r e c o v e ry； Co n d e n s a t i o n me tho d ； De h y dra t i o n r a t e ； P r e s s u r i z e d r e c o v e ry 兰州输油站是链接西北、西南、东南地区的中 间站、枢纽站、缓冲站。目前担负着 “ 三进两出” 的输油任务三进即接收西部管道 、兰州石化公司 和西北销售公司西固油库来油；两出即通过兰成渝 管道向川渝地区输送油品，通过兰郑长管道向中原 地 区输送油品。 兰州输油站位于兰州市西固区环行东路 1 7 0 号，占地面积约 5 1 O亩， 单位绿地总面积 9 0 0 0 m 2 ， 海拔高程 l 4 9 0 m，目前总库容为 3 6 万 m ，有 2 4 座储油罐 ，自西向东划分为四个罐 区，其 中 1 、钟 罐区除G 0 1 2 0 1 和 G 0 1 2 0 2 借予西部管道存放批次切 换时产生的混油外， 其余储罐全部存放 柴油， 2 样 、 3 罐区存放9 3 、9 0 汽油。 经过计算分析得知，北滩油库的汽油蒸发损耗 为6 3 0 t／ a ，可见，该油库的呼吸气中油气蒸发损失 量的不可忽视的。通过对呼吸气油气回收技术路线 进行了研究后发现，冷凝法回收油气工艺是最适合 北滩油库的油气回收技术。 1 油气回收方案 由于北滩油库工艺 2 4座油罐，且有时会更换 油品，不可能针对每一座油罐建设独立的油气回收 系统。因此，首先必须建设一套油罐呼吸气的集输 管线将产生的呼吸气集中起来，送人油气回收装置 进行处理后放空。 图 1 为呼吸气集输管线的示意图。主要工程量 是油罐之间的连通管线及一台气体增压泵。对油罐 的主要改动是在呼吸阀与阻火器之间需顺序增加一 个三通和一个 只能从外界吸人空气的单向阀，三通 的另外一个出口接一个远程控制开关阀⋯ 。在正常 情况下， 打开贮存相同品质汽油的集输管线切换阀， 可实现油罐顶部气相空间的互连互通。这样，在进 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 9 1 0 作者简介 刘奎荣 1 9 7 1 一 ，男，辽宁黑山人，高级工程师，工程硕士，1 9 9 5 年毕业于华北工学院机械专业，现主要从事石油管道地面建设、 储运以及相关管理工作。E - m a i l 2 9 5 2 6 4 2 2 q q ． c o rn 。 化 工 2 0 1 4年 1 O月 行汽油的装卸作业或者油罐之间的倒库作业时，装 载油品和卸载油品的油罐浮顶盘面上方气体可实现 双向流动 ，可大大减少呼吸气 的产生。 图 1 油罐互通暨呼吸气集输管线流程 Fi g ． 1 Ga t h e r i n g p i p e l i n e s p r o c e s s o f o i l t a n k s 汽油在静态贮存的几天期间， 因昼夜温差等因 素的影响，必然会产生一定量的呼吸气。由于汽油 罐顶部气相空间连通，十多个油罐同步呼吸所需要 吸人和排出的气体量是较大的。 当晚间气温下降时， 气体压力下降，将通过呼吸阀吸人外界空气以平衡 压力，导致油罐顶部空间气体中油气分压下降。到 白天气温上升时，气温上升 ，罐内压力上升 。由于 罐顶单向阀的作用， 油气无法通过呼吸阀排人大气， 将导致整个罐区压力的上升。当压力上升到一定程 度后，启动集气系统螺杆增压泵，将集气去的油气 压缩排放至油气 回收装置。经过一定时间的排放 ， 罐区压力下降到接近常压时，则可停止增压机。因 此，图 1 的油罐气体互通流程可以大大减少油库运 行中所产生的呼吸气量，并使得呼出气体中油气的 浓度较高，非常有利于下一步采用冷凝法进行油气 回收 。 2 常压冷凝油气回收工艺模拟与分析 2 ． 1 工艺流程 常规的冷凝法油气回收装置为常压法操作。图 2 为冷凝法油气回收技术的典型工艺流程。 油气经过与净化后的尾气在预冷器中进行冷 量交换，一方面是减少能耗的需要；更重要的是使 排放尾气温度升高到接近常温以避免排气筒因温度 过低出现水汽凝结。油气与尾气换热后一般还需从 一 级冷凝器补充一些冷量使温度降至 4 c C 左右， 目 的是通过低温冷凝分离油气中的水分。由于温度较 低， 油气中的c s 以上烃类组分大部分发生冷凝。 但 在常压下冷凝时，大部分的水分仍将以气态的形式 进入一级冷凝器。预冷器中凝液排人油水分离器毋 。 图 2 三级复叠制冷 式油气 回收 工艺流程 图 Fi g ． 2 Oi l g a s r e c o v e r y p r o c e s s flo w d i a g r a m 从预冷器出来的油气流送人一级冷凝器 ，与低 温尾气和制冷剂进行冷量交换 ，温度降至～ 2 O 一4 O ℃。 此时， 约有 2 0 ％一 4 0 ％的烃类被冷凝为凝液， 烃 类凝液中主要成分是 c 和 c ， C 。 烃很少。 但一级冷 凝器的温度大大低于水的冰点温度，在预冷器中未 脱除的水分基本都以冰霜的形式粘附在冷凝器传热 面的表层 。由于固态的冰霜传热系数很低 ，严重影 响传热效果，必须及时停机以进行除霜作业。 一 级冷凝器出来的油气流送人二级冷凝器， 冷 却到一 7 0 ～9 0℃。大部分的 c 以上烃类和部分 c ， 烃 变 为 凝 液 ，二 级 冷 凝 器 回 收 的 液 态 烃 量 约 3 0 ％～ 5 0 ％，气体中的烃类主要时汽油中溶解的 c 以下的轻烃和少量 C 烃。 含油气体进人三级冷凝器冷却到⋯ 1 0 0 1 2 0 ℃， 大部分 C 烃和绝大部分 c 以上烃类被冷凝 ，液 态烃类总回收率可达 9 5 ％ ～ 9 8 ％。 气体中残余的烃类 主要时溶解的 C z 和甲烷 ，总量 已经很小 ，烃类总浓 度已低于 2 5 g ／ m 。 烃类回收率和排放浓度均可达到 G B 2 0 9 5 0 2 0 0 7所规定标准。 在整个回收过程中，油气压力基本为常压 ，温 度很低，安全性好。 2 ． 2 常压冷凝法油气回收冷凝过程的模拟分析 为了设计符合北滩油库特点的冷凝法油气回收 装置，本文应用 A s p e n T e c h公司的过程模拟软件 A s p e n H y s y s 作为回收流程模拟分析软件， 建立模拟 流程，并对各级冷凝器的出口温度等参数进行优化 分析。 一 进料条件 设定的进料条件如下 流量 2 0 0 N m ／ h ； 第4 3 卷第 1 0 期 刘奎荣，等北潍油库油气回收技术方案研究 2 0 1 1 温度 5 0 ℃； 压力 0 ． 1 2 MP a ； 组成 如表 1 所示。 表 1 油库呼吸气组成表 T a b l e 1 Th e c o mp o s i t i o n o f g a s 计算过程所需的气液平衡计算采用经过 H y s y s 软件的原创公司H y p r o t e c h 改进的P e n g R o b i n s o n 模 型 。 二 模拟计算流程 常压冷凝油气回收系统的 A s p e n H y s y s模拟 P F D图如图 3所示。 图 3 H y s y s模拟流 程图 F i g ． 3 S i mu l a t i o n p r o c e s s i n Hy s y s 正用 A s p e n H y s y s 软件模拟冷凝法油气回收流 程其实非常简单。以一个 H e a t E x c h a n g e r 单元操作 来模拟三级冷凝器出口的合格排放废气与常温原料 含油气体的能量回收过程。原料气经过能量回收后 温度有所降低 ， 但还不足以冷却到脱水所需的 4℃ 左 右 ，还需设置一 台预冷却器将原料气冷却至 4 oC，H s y s y软件可计算出预冷器所需的理论冷冻负 荷 ； 其它的冷凝器在模拟时均采用 C o o l e r 单元操作 ， 其自由变量指定为气体的出口温度 ，从而可计算出 每台冷凝器出口气体的组成及所需的冷凝负荷。预 冷器及各级冷凝器中的气液分离采用 2 相绝热闪蒸 单元操作模型，收集凝液的油水分离器采用绝热三 相闪蒸单元操作进行计算。 三 合格排放气体指标的确定 为了保证 排放 废气 中 的 VO C 排放 满足 G B 2 0 9 5 0 2 0 0 7 的标准， 计算中使用了 H y s y s 软件中的 逻辑单元 S p r e a d S h e e t 定义排放气体中的油气浓度， 然后应用逻辑单元 A d j u s t ，自主调节三级冷凝器的 出1 3温度 ，以保证废气中油气浓度小于 2 5 g ／ m。 四 冷凝负荷 的最优化 为了探讨各级冷凝器的冷冻温度对运行成本的 影响 ， 本文固定预冷器出口油气温度为 4 ℃，以一 级和二级冷凝器的气体出口温度为自 变量， 以一级、 二级和三级冷凝器的总冷冻负荷为 目标变量 ，运用 A s p e n H y s y s 软件的 C a s e S t u d y 功能进行冷冻温度与 总冷冻负荷的关系研究，计算结果如图4 所示。 图4 ～级冷凝温度、二级冷凝温度与总制冷负荷等值线图 Fi g ． 4 Co o l i n g l o a d a n d t e mpe r a t u r e i s o l i n e 从图4 可以清楚的看出，在通过调整第 3 级压 缩机制冷温度从而保证排放气体烃类物质含量符合 G B 2 0 9 5 0 2 0 0 7排放标准的前提下 ，一级冷凝器与 二级冷凝器的出口温度对于制冷压缩机的总负荷有 一 定影响，但总体上影响并不太大。但如果冷凝器 出口温度设定适当，也有可能使制冷压缩机的总负 荷增压 8 ％左右 。 总的说来，一级冷凝器和二级冷凝器的出口温 度对制冷总负荷的影响， 存在着一个最低能耗区域。 在本文计算条件下 ， 一级冷凝器的最优出口温度范 围非常宽， 在一 3 7 2 1 范围内操作时对制冷总负 荷 的影响不大 。但二级冷凝器的出口温度的影响 比 较敏感，其制冷温度在一 5 8 ～4 2℃左右。 为了确定最优点 ，本文运用 A s p e n H y s y s 软件 的优化计算模块 O p t i m i z e r ， 进行了制冷负荷的优化 计算，最终得到的一级和二级冷凝器油气出口温度 最优值分别为一 3 0 ．0 o C 和一 5 4 ． 9℃，同时为了保证 排放尾气 V O C浓度低于 2 5 g ／ m ，三级冷凝器出口 气体温度应低于一 1 1 3 ． 2 。 化 工 2 0 1 4年 1 O月 由于采用了回收三级冷凝器出口废气冷量的手 段，预冷器所需额外制冷负荷仅占总负荷的3 ．8 ％， 所回收轻烃占 1 3 ．7 ％。一级冷凝器的冷冻负荷占总 冷冻负荷的 4 0 ％、烃回收率占总烃收率的 3 4 ．8 ％以 上，在换热器设计时必须保证足够的传热面积。二 级冷凝器冷冻负荷比与轻烃回收率相当，出口 温度 为一 5 4 ． 9℃ ，相对较高些 ，有利于减少二级冷凝器 冷冻负荷。 三级冷凝器的出口温度为一 1 1 3 ．2℃， 需 要的冷冻负荷比为 2 4 ． 3 ％， 而所回收轻烃只占1 6 ．2 ％， 其主要功能为深度 回收轻烃 。由于温度较低 ，需要 的制冷负荷相对较大。 2 ． 3 模拟中发现的主要问题 在常规的冷凝法油气回收工艺中，设置预冷器 的本来目的是脱除油气中所含水分，但由于油气为 常压，脱水效果很低，脱除率仅有 1 6 ．6 ％。剩余的 水进入一级冷凝器后 ，由于出 口温度低至一 2 0 ． 0℃ 以下，大大低于水的冰点温度，必然会已霜冻的形 式附着于冷凝器表面。大量冰霜的附着必将影响换 热器的传热效率，必须定期进行除霜作业。这必然 会增加设备成本和操作人员的工作强度，也会影响 装置的长周期运行。在原料气中含水率较高时，某 些冷凝法回收装置大于 1 ～ 2 h就必须进行除霜作 业，导致一级冷凝器必须设置 2 套，交替进行油气 冷凝和停机除霜作业。这必然会增加投资成本和运 行成本，并提高操作人员的劳动强度。 如果要避免大量的结霜问题 ，必须适当提高油 气的压力 ， 利用高压、低温同步脱水。同时，由于 气体压力的提高，其冷凝温度也会相应增加，从而 有利于降低制冷负荷。为此 ，本文进行了油气加压 后制冷回收的模拟分析研究。 3 改进型加压冷凝工艺研究 3 ． 1 加压冷凝油气 回收流程 图5为本文提出的改进型冷凝法油气回收工艺 流程。相对常规的冷凝法油气回收流程，本文流程 增加了一套原料油气增压机和压缩油气空气冷却 器 。 含油气体经过压缩机增压以后温度将上升到 1 1 0 1 5 0℃，高温气体经过一台强制对流空气冷却 器冷却到 4 0 ～ 5 0℃， 然后进行预冷却器与三级冷凝 器出来的温度为⋯ 1 0 0 1 2 0℃的排放尾气进行能 量回收，原料气大约可冷却至 1 O℃左右，进入预 冷器， 在外界制冷剂的作用下冷却至 4℃。由于气 体压力升高，导致水的饱和蒸汽压下降， 水蒸气的 饱和浓度大约只有原先的 1 ／ P倍 尸为含油气体的 增压后压力 ，将有更多水分凝结为液态而得 以分 离。结果一方面一级冷凝器的结霜现象大大减轻、 装置可以连续工作更长时间。另一方面可以大幅降 低制冷系统的功率消耗t 。 3 ． 2 油气压力对脱水率的影响分析 为了分析油气的增压程度对脱水率的影响， 本 文设定含油气体出空冷器温度为 4 O℃、出预冷器 温度为4℃， 改变压缩机出口压力， 考察操作压力 对预冷器脱水率的影响，计算结果如图6 所示。 图 5 改进型冷凝法油气回收工艺流程 Fi g ． 5 Co n de n s a t i o n r e c o v e r y p r o c e s s 图 6 4℃下油气压力对脱水率的影响 Fi g ． 6 Th e i n flu e n c e o f De h y d r a t i o n r a t e 从图6 可以看出，在油气压力较低时，脱水率 对压力非常敏感。当油气压力为 1 2 0 k P a 时，预冷 器脱水率仅有 1 5 ％；油气压力为 2 0 0 k P a 时 ，脱水 率则达 5 1 ％； 但油气压力超过4 0 0 k P a 以后，脱水 率随压力的变化率则快速下降；压力超过 6 0 0 k P a 以后 ，脱水率仅能缓慢增加 。此时继续增加油气压 力将导致油气增压功耗和油气降温负荷急剧上升。 因此，推荐的油气增压脱水压力范围为 4 0 0 6 0 0 k P a ，相应的预冷器脱水率可达 7 5 ％～ 8 5 ％。 3 ． 3 最优温度分布区域的操作结果分析 一 级和二级冷凝温度分布在总负荷最低 区域 内 的典型操作参数对比。增压幅度越高，预冷器脱除 液态水的效率越高、回收的轻烃也越多，但所需的 增压机功率越大、空冷器冷却负荷也越大。随着压 ∞ 帅 踟 阳 ∞ 册 鲫 m 0 第4 3卷第 1 0 期 刘奎荣，等北滩油库油气回收技术方案研究 2 0 1 3 力的增压，增压机、空冷器和各级冷凝器的总负荷 如果采用增压机将油气压力提高到 4 0 0 ～ 6 0 0 k P a ， 会有所上升。但总负荷的构成中，成本较高的制冷 总负荷随着压力的上升出现下降 。再考虑到压力 上升所带来的预冷器中液态水脱除率的提高，推荐 采用较高的油气压力。但由于增压机出口气体的温 度会急剧上升，过高的温升对设备材质有更高的要 求，且空冷器的冷却负荷也将快速上升。 考虑到实际过程油气中残余的水分在一级冷凝 器中的结霜效应的负面影响，适当提高压力以提高 水的脱除率对实际操作是有利的。经过综合考虑， 本文推荐的操作压力范围是 4 0 0 ～ 6 0 0 k P a 。 4 结 语 本文针对北滩油库油气 回收技术进行 了方案研 究，对常压冷凝法油气回收方案进行了模拟分析， 发现由于油气压力太低，受到热力学气液平衡理论 的限制， 预冷却器出口温度为4 时， 气体中水的 脱除率仅有 1 0 ％ 2 0 ％， 导致大量的水分在温度更低 的一级冷凝器中以霜冻的形式附着于换热器表面， 这必将导致传热效率的大幅下降，影响传热效果。 为此，本文提出了油气加压回收方案，并对加压后 的操作压力进行了模拟计算分析 。分析结果表明， 同样将含油气体冷却到 4 ， 水在预冷器中的脱除 率大幅提高到 7 5 ％ 8 5 ％， 而且是以可流动的液态水 的形式与凝结的烃类一起流入回收汽油罐，这将大 大降低一级冷凝器的冷冻负荷 、 极大减轻结霜问题 所带来的困扰。同时，可在保持总冷冻负荷与压缩 机功率之和增加幅度小于 2 ％的条件下，使得各级 冷凝器的制冷温度和总冷冻负荷有大幅下降，运行 成本也将有过降低。 参考文献 [ 1 ] 黄维秋，蔡智，赵书华 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