于大鵬

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101）

引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國每年的石油消耗量已躍居全球之首。隨著石油消耗量的不斷加大，我國石油的對(duì)外依存度也在不斷增加，為了有效解決石油的供需矛盾，我國于2003 年正式啟動(dòng)了規(guī)劃建設(shè)地下洞庫儲(chǔ)備體系。

地下洞庫區(qū)別于地面油庫，是指建設(shè)在穩(wěn)定地下水位之下的存儲(chǔ)“洞罐”，其主要是靠地下水壓來實(shí)現(xiàn)“洞罐”內(nèi)石油及油氣的密封及防泄漏。跟地面油庫儲(chǔ)油一樣，地下水封洞庫在進(jìn)油、出油的過程中也會(huì)揮發(fā)夾帶大量的油氣。由于地下洞庫儲(chǔ)備規(guī)模的不斷增加以及國家對(duì)環(huán)保要求的不斷嚴(yán)格，此過程產(chǎn)生的油氣損耗及其對(duì)環(huán)境造成的污染已不容忽視。此形式下，地下水封洞庫的油氣處理技術(shù)的研究探索就顯得尤為的迫切和具有戰(zhàn)略意義。

1 地下水封洞庫油氣的生成及特點(diǎn)

1.1 油氣的生成

當(dāng)洞庫進(jìn)油時(shí)，油品會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽到氣相空間，同時(shí)隨著進(jìn)油液面的不斷上升，液面上方氣相空間被逐漸壓縮，氣相壓力持續(xù)增大。當(dāng)洞罐內(nèi)氣相壓力增加到洞罐的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，為了不影響地下水的水封效果，需向大氣泄放氣體。對(duì)于原油水封洞庫，泄放大氣氣體的烴類濃度約為500 g/m3，不符合《儲(chǔ)油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]。所以，洞庫進(jìn)油時(shí)產(chǎn)生的油氣需處理回收后方可排大氣。

1.2 油氣的特點(diǎn)

與地面油庫相比，地下水封洞庫產(chǎn)生的油氣主要有以下特點(diǎn)：

1）地下水封洞庫油品存儲(chǔ)在穩(wěn)定地下水位以下，存儲(chǔ)條件穩(wěn)定，受地上環(huán)境溫度、風(fēng)速、大氣壓等影響不大。不收發(fā)油的情況下，油品液相液面靜止，氣相的飽和蒸氣壓基本穩(wěn)定，氣液兩相達(dá)到平衡，油品基本無揮發(fā)。

2）為了降低洞罐內(nèi)油品存儲(chǔ)的安全隱患，避免形成混合性爆炸氣體，需降低洞庫上方氣體中的氧含量，此時(shí)會(huì)在每次洞罐出油后向洞罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)狻Ａ硗?，為了保證進(jìn)油安全，每次進(jìn)油前也會(huì)向洞罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)膺M(jìn)行惰化。因此洞罐產(chǎn)生的油氣中含有大量的氮?dú)?，其烴類濃度較低。

3）地下水封洞庫洞罐與洞罐之間設(shè)有氣相連通線，洞罐之間氣相相互連通，有利于揮發(fā)油氣的集中處理。

4）地下水封洞庫不同于一般的商業(yè)儲(chǔ)備庫，常被政府作戰(zhàn)略儲(chǔ)備石油用。石油運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低、周期長，油氣揮發(fā)具有間斷性。

2 地下水封洞庫油氣處理量的影響因素

2.1 洞庫進(jìn)油量的影響

洞庫進(jìn)油的操作過程中，石油緩慢地進(jìn)入洞庫，同時(shí)油氣不斷的排出。由于進(jìn)油量相對(duì)洞庫容積較小，可近似認(rèn)為進(jìn)油量等于油氣處理量，進(jìn)油時(shí)間等于油氣處理時(shí)間。整個(gè)進(jìn)油過程，洞庫上方氣相的壓力基本維持穩(wěn)定。

2.2 洞庫設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)油氣處理量的影響

洞庫進(jìn)油時(shí)，洞庫上方的氣相空間不斷被壓縮，氣相的壓力超過洞庫的設(shè)計(jì)壓力時(shí)就必須向外排出油氣以維持洞庫內(nèi)操作參數(shù)的穩(wěn)定。

洞庫的設(shè)計(jì)壓力隨具體的項(xiàng)目情況而定，大多在0.1～0.3 MPa 左右[2]。一般而言，洞庫在地下越深，其設(shè)計(jì)壓力也就越大。由于進(jìn)油時(shí)氣相壓力達(dá)到洞庫的設(shè)計(jì)壓力后才會(huì)向外泄放氣體，因此洞庫設(shè)計(jì)壓力越大，能存儲(chǔ)的油氣也就越多，相應(yīng)的所需的油氣回收設(shè)施的規(guī)模就越小。雖然洞庫埋深深度增加，能一定程度上縮小油氣回收設(shè)施的規(guī)模，但是埋深增加意味著洞庫建造費(fèi)用、潛油泵等的設(shè)備投資費(fèi)、建造挖掘洞庫施工難度等都會(huì)相應(yīng)地增加，因此洞庫的埋深深度需要綜合考慮。

洞罐中的油氣主要存儲(chǔ)在洞罐上方的氣相空間內(nèi)，因此增加洞罐的最小設(shè)計(jì)氣相空間可以在一定程度上增加油氣的存儲(chǔ)量，從而適當(dāng)縮小油氣回收設(shè)施的規(guī)模。

3 常用油氣處理技術(shù)

按照油氣的處理方式分類，目前比較常用的油氣處理技術(shù)基本可以劃分為以下三類。

第一類是靠加大洞罐的設(shè)計(jì)壓力和最小設(shè)計(jì)空間來增加油氣的儲(chǔ)存量。洞罐進(jìn)油時(shí)，油氣揮發(fā)，氣相空間壓力不斷增加（不超過洞罐設(shè)計(jì)壓力），整個(gè)進(jìn)油的過程沒有油氣的泄放。此方法主要用在規(guī)模較小、周轉(zhuǎn)周期較短的商用洞庫，可以省掉后續(xù)油氣回收裝置的設(shè)備投資費(fèi)用。對(duì)于規(guī)模較大的政府洞庫，此法需要洞庫有較高的設(shè)計(jì)壓力和氣相存儲(chǔ)空間，建設(shè)投資直線增加[3]。

第二類是燃燒法處理油氣。將洞庫揮發(fā)出來的油氣收集，直接去火炬焚燒或者通過催化劑催化氧化破壞油氣中的烴類，以使焚燒后的尾氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。此技術(shù)比較成熟，處理后的尾氣中烴含量極低，但是不適用于含硫油氣的處理（燃燒后產(chǎn)生SO2）而且會(huì)產(chǎn)生大量的CO2。

第三類是用物理方法，如活性炭（活性半焦）吸附法、溶劑吸收法、冷凝法等回收油氣的手段來處理油氣。此方法普遍的優(yōu)勢(shì)是既能將油氣回收利用，避免能源的浪費(fèi)，又不會(huì)像燃燒法一樣增加CO2的排放產(chǎn)生二次污染。但是此類單一的油氣回收方法都有其各自的缺點(diǎn)，例如活性炭吸附法中活性炭床層容易形成高溫?zé)狳c(diǎn)，存在安全隱患；溶劑吸收法回收率比較低，一般不超過80%；冷凝法的能耗較高等。因此，工業(yè)上常采用吸附+吸收、冷凝+吸附、吸附吸收+氧化法等的組合來優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)進(jìn)行油氣的回收。

考慮到洞庫產(chǎn)生的油氣氣量大、烴類濃度低、且含有甲烷乙烷的特點(diǎn)，結(jié)合上述油氣處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，吸附+吸收的油氣回收工藝是最適合用來處理洞庫油氣的組合工藝。

4 吸附+吸收法油氣處理技術(shù)

4.1 技術(shù)原理

該技術(shù)主要是利用活性炭對(duì)油氣中的空氣和烴類大分子的吸附力不同，從而將油氣中的非甲烷烴類進(jìn)行吸附和解吸，以達(dá)到烴類允許排放值的要求。

4.2 工藝流程

油氣回收裝置內(nèi)主要設(shè)備為兩個(gè)固定床活性炭罐和一個(gè)吸附填料塔。為了保證油氣回收的連續(xù)穩(wěn)定性，兩個(gè)活性炭罐同時(shí)運(yùn)行，一個(gè)處于吸附階段，一個(gè)處于活性炭再生階段[4]。

地下水封洞罐進(jìn)油產(chǎn)生的油氣經(jīng)油氣集合管進(jìn)入吸附階段的活性炭罐進(jìn)行物理吸附，吸附后的達(dá)標(biāo)尾氣經(jīng)高空排氣筒排放。此時(shí)另一個(gè)活性炭罐通過真空泵將吸附在活性炭上的油氣抽出完成活性炭的再生，真空泵富集后的油氣經(jīng)氣液分離罐分離液體后氣體被送到填料塔，在塔內(nèi)與從塔頂噴淋下的貧液（一般用原油）逆流接觸進(jìn)行吸收操作。吸收后產(chǎn)生的富液返回洞罐回收二次利用，沒被吸收的余氣則返回吸附階段的活性炭罐進(jìn)行再次吸附。

當(dāng)上一個(gè)活性炭罐達(dá)到吸附飽和狀態(tài)后便轉(zhuǎn)為活性炭再生階段，另一個(gè)炭罐再生完成轉(zhuǎn)而進(jìn)入吸附油氣階段，兩個(gè)炭罐依此循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)操作，以滿足油氣的處理要求。具體吸附+吸收的工藝流程見圖1。

圖1 吸附+吸收工藝流程圖

活性炭纖維和活性半焦是近幾年新興的高性能炭基材料。與活性炭相比，活性碳纖維和活性半焦具有更大的孔容和比表面積，而且容易再生不易失活。用新型的炭基材料代替活性炭進(jìn)行油氣吸附能得到更理想的效果。

4.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

吸附+吸收法組合油氣處理技術(shù)有效綜合了吸附和吸收的優(yōu)點(diǎn)，并在一定程度上改善了單一處理技術(shù)的一些不足，實(shí)現(xiàn)了1+1＞2 的效果。該組合技術(shù)油氣回收率較高，投資成本和系統(tǒng)能耗較低，且回收設(shè)施日常維護(hù)方便。通過使用其它炭基材料（如活性炭纖維、活性半焦等）代替活性炭，或者采用動(dòng)態(tài)控制方法（如炭罐設(shè)置床層高溫聯(lián)鎖關(guān)斷進(jìn)氣閥門等）可以有效控制床層形成高溫?zé)狳c(diǎn)的問題，從而可以處理回收各種濃度的油氣。

5 結(jié)論

1）考慮到洞庫進(jìn)油產(chǎn)生的油氣流量大、烴類濃度低、且含有少量甲烷乙烷，以及洞庫周轉(zhuǎn)周期長等特點(diǎn)，選用吸附+吸收法油氣處理技術(shù)不僅能滿足《儲(chǔ)油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》非甲烷烴類濃度25 g/m3的排放要求，還減少了建設(shè)投資，并且能將能源合理地回收利用且沒有二次污染。綜合考慮，吸附+吸收法是大型地下水封洞庫油氣回收的一個(gè)很好的選擇。

2）定性地給出了洞庫的操作條件和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)油氣處理設(shè)施規(guī)模的影響，對(duì)油氣處理裝置處理規(guī)模的選擇有指導(dǎo)性意義。