CN102441290A - 基于透平膨胀机制冷的油气冷凝回收方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于透平膨胀机制冷的油气冷凝回收方法及装置，属于气体污染物排放技术领域。为提高油气回收工程中的制冷环境的获取效率，降低制冷系统的结构以及运行复杂度，本发明所提供的回收方法通过采用透平膨胀机膨胀制冷结合两级换热器来获取符合要求的低温环境，并设置油气纯化器以使油气干燥，该技术方案所涉及的工质气体可采用环境空气或氮气等环保工质，对环境没有二次污染，具有油气回收效率高，系统运行效率高、系统简单易操作，可靠性及安全性能高，运行维护方便、节省系统投资成本以及运行成本等优点。

Description

基于透平膨胀机制冷的油气冷凝回收方法及装置
技术领域
本发明属于气体污染物排放技术领域，具体涉及一种基于透平膨胀机制冷的油气冷凝回收方法及装置。
背景技术
汽油等轻质油品在生产、储存、装卸、运输、销售和使用过程中，由于呼吸作用及其它因素的影响，会有一部分轻烃组分挥发而逸入大气中，这一方面浪费了油品资源，造成经济损失，另一方面也污染了环境，会影响人及动植物的健康，也会加剧酸雨的形成。此外，挥发到大气中的油气和空气很易形成爆炸性混合物(爆炸下限一般为1-6％)，容易发生爆炸事故，给企业和消费者带来了极大的安全隐患。因此，我国制定了严格的国家标准(GB20950-2007)《储油库大气污染物排放标准》，在储油库(含炼油厂发油站台)强制推行安装油气回收装置，并确定了区域和时限以及排放限制值，要求对油气回收装置非甲烷总烃回收率≥95％，非甲烷总烃排放浓度≤25g/m3。
目前，常用的油气回收方法主要有吸收法、吸附法、膜分离法及冷凝法等。
其中，吸收法通过油气/空气混合物与吸收剂接触，根据不同组分在吸收剂中的溶解度不同来分离回收油气，吸收法方法简单，但分离效率低，很难达到回收排放标准；
吸附法采用固体吸附剂如活性炭吸附油气，然后解吸回收油气。吸附法适合于回收低浓度、小流量的油气，但其存在吸附热较大、解吸较难、达到吸附平衡时间较长、吸附剂寿命短等问题；
膜分离法是利用油气与空气在膜内的渗透速率不同来实现分离的，但也存在膜使用寿命短，成本高、投资及运行费用较大，对运行过程的现场监控不够及时等缺点；
冷凝法是利用各种烃类在不同温度和压力下具有不同的饱和蒸气压的原理来分离回收油气。只要制冷温度低于-90℃，就能达到油气排放浓度不超过25g/m3，油气回收效率不低于95％的国家标准；
前三种方法由于要频繁更换吸收剂、吸附剂或分离膜，都存在二次污染，而冷凝法除了制冷剂的泄露外不存在二次污染。
传统的冷凝法采用蒸发制冷循环来获得油气回收需要的低温环境，一方面，蒸发制冷循环采用的制冷工质如发生泄露会降低循环效率并造成二次污染，另一方面，为了达到所需的较低的制冷温度，往往需要采用多级压缩或复叠式制冷系统。因此，系统就比较复杂、部件多、体积大，运行效率低，使得运行、维护困难、可靠性降低，并造成回收装置的初投资大、运行费用高。
此外，传统的冷凝油气回收法往往忽略了油气混合气中的水分及CO2的去除，通常只是在3℃温度级左右去除水分，这样剩余的水分及CO2在后续的更低温度级的冷箱中很容易堵塞换热器通道，从而使系统失效。
最后，传统的冷凝油气回收法如不采用环保的制冷工质，往往会因泄露而引起新的环境污染。
基于上述问题，目前采用透平膨胀机来提供制冷环境的方式在逐步受到大家的关注，透平膨胀机制冷的原理是工质气体在透平膨胀机中进行膨胀做功，输出轴功，从而获得制冷量。透平膨胀机在空气分离领域以及天然气液化领域都已得到成功应用，因此从原理上讲也完全可以利用在油气回收领域。
采用透平膨胀机制冷循环来代替传统的蒸发制冷循环进行油气回收具有以下优点：(1)由于制冷工质在透平膨胀机中的膨胀过程比较接近等熵膨胀，因此用透平膨胀机代替传统的蒸发制冷循环中的节流或膨胀元件，可以提高膨胀效率；(2)由于膨胀效率高，利用透平膨胀机膨胀制冷可以得到较大的制冷量和获得较低温度，因此采用单级压缩膨胀制冷循环即可满足油气回收要求，从而大大简化了制冷流程；(3)制冷工质可采用环保的空气或氮气等，成本低，无二次污染。
尽管应用透平膨胀机技术会带来上述各项有益效果，但由于透平膨胀机技术相对于多级压缩或复叠式制冷技术而言目前尚具有研制难度大、入门难的问题，因此还处于油气回收技术的高端，在油气回收领域尚未广泛应用。
针对透平膨胀机技术，实用新型专利“一种涡轮膨胀制冷式油气回收装置”(ZL200620139301.3)中提出用膨胀机制冷来进行油气分离，但其分离原理是直接将油气混合气压缩，经过换热器预冷后进入膨胀机膨胀制冷，得到两相的油气混合物，分离出液体后的尾气返流经过换热器回收冷量。该技术方案存在如下缺点：(1)油气在膨胀机中进行两相膨胀，必须采用两相膨胀机。目前我国尚无两相膨胀机的成熟技术，需要依靠进口，大大提高了膨胀机的难度及成本；(2)由于是油气直接膨胀制冷，因此油气必须压缩至某一较高压力例如0.4Mpa，由于油气的易燃易爆性，必须采用防爆性能高的等温型压缩机，目前这类压缩机还依赖进口，购买成本高；(3)油气回收过程中只设置一个换热器，大大增加了换热温差，使得循环的温差损失增大，循环效率低，能耗大，运行成本高，经济性差。
如上所述，传统的蒸发制冷式冷凝回收油气系统存在结构复杂、投资大、运行费用高以及低温换热器易堵塞等问题；而现有的膨胀机制冷油气回收技术也存在循环效率低、能耗大、投资大以及经济性差等尚待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何降低制冷系统的结构复杂度及运行复杂度，如何提高油气回收工程中的制冷环境的获取效率，如何节省设备投资以及运行费用。同时设计一个合理、简单、高效的流程，并建立一套高效、可靠、经济性好的装置。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于透平膨胀机制冷的油气冷凝回收方法，所述方法包括：
步骤1：将制冷工质气体经循环压缩机压缩至高压，然后将高压工质气体导入一级换热器；
步骤2：所述高压工质气体在一级换热器中进行热交换后被冷却，然后将所述高压工质气体导入透平膨胀机；
步骤3：将所述高压工质气体在透平膨胀机中进行绝热膨胀制冷，变为低温、低压工质气体后导入二级换热器；
步骤4：将所述低温、低压工质气体依次在二级换热器、一级换热器中与待回收的干燥油气进行热交换，同时在一级换热器中与所述步骤2中的高压工质气体进行热交换，之后导入循环压缩机进入下一轮循环；同时对冷凝后的油气进行回收。
优选地，所述制冷工质气体为干燥空气或氮气。
优选地，在所述步骤4中将所述低温、低压工质气体依次在二级换热器、一级换热器中与待回收的干燥油气进行热交换之前，还包括如下步骤：
步骤4.1：将待回收油气在油气压缩泵中压缩，然后导入油气纯化器；
步骤4.2：将待回收油气在油气纯化器进行除水、除二氧化碳处理，变为干燥的油气后依次导入一级换热器及二级换热器。
优选地，在所述步骤4中将所述低温、低压工质气体依次在二级换热器、一级换热器中与待回收的干燥油气进行热交换，同时对冷凝后的油气进行回收的过程中，包括如下步骤：
步骤4.3：所述待回收的干燥油气中的烃类成分在所述一级换热器及二级换热器被冷凝后导入气液分离罐，冷凝后的液态油回收导入油库，未冷凝的尾气再依次返流经过二级换热器及一级换热器回收冷量后排入大气。
此外，本发明还提供一种基于透平膨胀机制冷的油气冷凝回收装置，所述回收装置包括工质气体回路以及对待回收油气进行冷凝回收操作的油气回路；
所述工质气体回路包括：
循环压缩机，用于将工质气体压缩至所需高压；
一级换热器，连接所述循环压缩机以及所述油气回路；
二级换热器，连接所述一级换热器；
透平膨胀机，连接所述二级换热器；
所述油气回路包括：
油气进气管路，将待回收的油气导入油气回收装置；
尾气排放管路，连接所述一级换热器，用于排放经所述二级换热器以及一级换热器冷凝分离后的达标尾气。
油气压缩泵，连接所述油气进气管路以及所述一级换热器，用于将待回收油气压缩至一定压力的气体；
油气气液分离罐，连接所述一级换热器以及所述二级换热器，用于将回收油气中被冷凝为液态的成分与未冷凝的气态成分分开。
优选地，所述一级换热器具有四个换热通道，所述四个换热通道分别为工质气体下行通道、一级工质气体上行通道、一级油气下行通道以及一级油气上行通道；
所述二级换热器具有三个换热通道，所述三个换热通道分别为二级工质气体上行通道、二级油气下行通道以及二级油气上行通道；
所述透平膨胀机以及所述循环压缩机内均设有进口及出口；
所述循环压缩机的出口通过所述工质气体下行通道连接所述透平膨胀机的进口；
所述透平膨胀机的出口依次通过所述二级工质气体上行通道及一级工质气体上行通道连接所述循环压缩机的进口。
优选地，所述油气气液分离罐包括一级油气气液分离罐以及二级油气气液分离罐；所述一级油气气液分离罐以及二级油气气液分离罐均设有一个油气进口、一个液态油出口及一个气态出口；
所述油气回路依次通过所述一级油气下行通道及所述二级油气下行通道连接所述一级油气气液分离罐的油气进口；
所述油气回路通过所述二级油气下行通道连接所述二级油气气液分离罐的油气进口；
所述二级油气上行通道通过所述一级油气上行通道连接所述尾气排放管路。
优选地，所述工质气体回路还包括：设置在所述循环压缩机与一级换热器之间的油分离器，用于对工质气体进行除油处理。
优选地，所述工质气体回路还包括：气体管理单元，所述气体管理单元与工质气体回路内的循环压缩机的进、排气管路相连；
所述气体管理单元包括缓冲罐及工质气体回路压力控制阀组，所述缓冲罐用于吸收所述工质气体回路中多余的气体或向所述工质气体回路补充气体，所述工质气体回路压力控制阀组用于调节回路压力。
优选地，所述油气回路还包括：设置在所述油气进气管路及所述一级换热器之间的油气纯化器，所述油气纯化器内填有分子筛吸附剂，用于去除待回收油气中的水分及二氧化碳。
(三)有益效果
本发明技术方案与现有技术相比较，可以带来如下几点有益效果：
(1)通过采用透平膨胀机制冷可获取符合要求的制冷低温环境，相对于现有技术中普遍采用的多级压缩制冷的方案，可大大降低系统的复杂程度，提高运行效率，降低了投资成本；
(2)通过采用空气或氮气等工质作为制冷工质气体，成本低、环保；
(3)通过设置油气纯化器，混合油气中含有的水分及少量CO2在油气纯化器中被有效去除，通过油气纯化器干燥后的露点≤-40℃的，避免了在低温换热器中的冻结危险；提高了系统可靠性；
(4)通过设置单独的制冷循环和油气冷凝循环，两循环之间没有物质交换，只有热量交换，避免了采用高成本两相透平膨胀机，同时油气冷凝循环可以在低压甚至负压下运行，避免了采用防爆性能高的高成本等温型压缩机；减少了投资成本并提高了可靠性；
(5)通过设置两级换热器，合理分配换热量，减小了换热温差，从而减小了循环温差损失，增大了循环效率，降低了运行，提高了经济性。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的油气冷凝回收方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的采用油气压缩泵的油气冷凝回收装置的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的采用油气抽气泵的油气冷凝回收装置的结构示意图；
其中，1-循环压缩机；2-油分离器；3-工质气体回路进气控制阀；4-一级换热器；5-透平膨胀机；6-二级换热器；7-工质气体回路回气隔断阀；8-缓冲罐；9、10、11-工质气体回路压力控制阀；21-吸气阻火器；22-油气进气隔断阀；23-油气进气单向阀；24-油气冷凝回收进气控制阀；25-1-冷凝回收油气压缩泵；25-2-冷凝回收油气抽气泵；26-油气纯化器；27-油气进冷箱隔断阀；28-一级油气气液分离器；29-二级油气气液分离器；30-一级油气气液分离器排液控制阀；31-二级油气气液分离器排液控制阀；32-达标尾气出冷箱隔断阀；33-排气阻火器。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明技术方案的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所述，本发明所涉及的回收方法应用于本发明所提供的回收装置上，如图2所示，该回收装置可按功能划分为用于提供冷凝回收所需低温环境的工质气体回路以及对待回收油气进行冷凝回收操作的油气回路。
首先，关于工质气体回路，结合图1及图2所示，本发明所涉及的回收方法的步骤1：由干燥空气或氮气组成的工质气体先经循环压缩机1压缩至高压，然后经循环压缩机1的出口进入油分离器2中去除油，然后高压工质气体经过工质气体回路进气控制阀3进入冷箱中的一级换热器4中的工质气体下行通道；其中，如果循环压缩机1是无油压缩机，则无须经过油分离器2。
步骤2：由于工质气体回路为循环回路，则在一级换热器4中还设有一级工质气体上行通道，该一级工质气体上行通道用于传送已经经过降压降温处理的低温气体，所以在一级换热器4中的上下行工质气体通道中的两路工质气体之间存在一定程度的换热温差，因此，此时下行的工质气体在经过一级换热器4的过程中会被上行的较低温度气体冷却而降温到一定程度；冷却至一定低温后的工质气体经一级换热器4中的工质气体下行通道继续下行，由透平膨胀机入口进入透平膨胀机5中。
步骤3：工质气体在透平膨胀机中被绝热膨胀后变为符合要求的低温、低压气体，然后由透平膨胀机出口进入二级换热器6中的二级工质气体上行通道；所述一级换热器4及二级换热器6可分别制造成两个分开的换热器，也可结合成一个整体。
步骤4：在二级换热器6中，低温、低压的工质气体与待回收的干燥混合油气进行热交换，工质气体温度回升，继续上行至一级换热器4中的一级工质气体上行通道；在一级换热器4中，上行的低温、低压工质气体再次与待回收的干燥混合油气进行热交换，同时结合前述内容，还会与后续通入下行的高压、较热的工质气体进行热交换；之后，回收冷量后的工质气体出一级换热器4，经过工质气体回路回气隔断阀7返回至循环压缩机1的进气口，进行下一轮循环；同时对冷凝后的油气进行回收。
此外，如图2所示，工质气体回路中还设有气体管理单元，所述气体管理单元与工质气体回路内的循环压缩机的进、排气管路相连；所述气体管理单元包括缓冲罐8及工质气体回路压力控制阀9、10、11，缓冲罐8用于吸收所述工质气体回路中多余的气体或向所述工质气体回路补充气体，工质气体回路压力控制阀9、10、11用于调节回路压力，起到循环系统气源的管理作用。
以上为工质气体回路的结构以及运行步骤的相关说明，下面对油气回路作下一步解释。
如图2所示，首先，混合的待回收油气经过吸气阻火器21、油气进气隔断阀22、油气进气单向阀23及油气冷凝回收进气控制阀24后在冷凝回收油气压缩泵25-1中被压缩至一定压力，然后在油气纯化器26中去除水和二氧化碳，再经过油气进冷箱隔断阀27后进入冷箱中的一级换热器4中的一级油气下行通道；如图3所示，油气在经过油气冷凝回收进气控制阀24后也可以在冷凝回收油气抽气泵25-2的抽吸作用下直接进入油气纯化器26；所述油气纯化器26内充填分子筛吸附剂，用于利用分子筛的选择吸附性来去除待回收油气中的水分及二氧化碳。经过吸附操作后的待回收油气变成干燥油气通入一级换热器4内的一级油气下行通道。
结合前述内容，由于此处的工质气体的温度已并非从透平膨胀机5出来的温度，油气在一级换热器4中通过热交换只能被冷却至一定的中间低温，则此时油气混合气中的重烃成分首先将被冷凝成液体，通过一级油气气液分离器28及一级油气气液分离器排液控制阀30回收到油罐中。
经过一级次冷却而尚未液化的油气混合气将继续经过二级换热器6中的二级油气下行通道被上行的低温、低压工质气体进一步冷却，由于在二级换热器6中的工质气体的温度将更低，则混合油气将被冷却到更低温度后，其中绝大多数烃类气体可被冷凝成液体，通过二级油气气液分离器29及二级油气气液分离器排液控制阀31回收到油罐中。
其中，上述油气混合气与工质气体在一级换热器4及二级换热器6中进行热交换的过程与被冷凝的过程是同时进行的，即在热交换的过程中，所述待回收的干燥油气中的烃类成分在一级换热器4及二级换热器6被冷凝，然后导入气液分离罐，冷凝后的液态油回收导入油库。
所述一级油气气液分离器28以及二级油气气液分离器29，利用重力作用，也可辅助滤网或纤维的凝聚作用，将回收油气中冷凝为液态的成分与未冷凝的气态成分分开；根据油气的实际组成成分，可以设置两级油气气液分离器，也可以只设置一级油气气液分离器，比如若在一级换热器处无液态油凝析出来，则可以不设置一级油气气液分离器28而仅设置二级油气气液分离器29。
剩下的达标空气将依次通过二级换热器6中的二级油气上行通道以及一级换热器4中的一级油气上行通道进一步回收冷量，被复温至常温，然后经达标尾气出冷箱隔断阀32以及排气阻火器33排放到大气中，此时排气中的烃类含量＜25g/m3，可以达到排放标。
其中，如图3所示，用冷凝回收油气抽气泵25-2代替冷凝回收油气压缩泵25-1，并放置于达标尾气出冷箱隔断阀32与排气阻火器33之间，也可达到回收油气的目的。
下面通过具体实施数据进一步说明本具体实施方式技术方案的效果。
在温度35℃，冷凝温度-98℃的条件下，应用本发明技术方案处理废气为21.4％(体积)的混合油气(其组成见表1)，之后，出口油气浓度为19.5g/m3，回收率为97％(质量)。
表1
  组成   摩尔分率   组成   摩尔分率   组成   摩尔分率
  Air   0.786   Nc4H10   0.053   C2H6   0.014
  C2H6   0.006   Ic5H12   0.03   CO2   0.002
  C3H8   0.033   Nc5H12   0.014
  Ic4H10   0.048   C6H14   0.014
因此，本发明油气回收方法实际可以达到以下技术效果：
回收率＞95％；
排气中的烃类含量＜25g/m3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于透平膨胀机制冷的油气冷凝回收方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：将制冷工质气体经循环压缩机压缩至高压，然后将高压工质气体导入一级换热器；
步骤2：所述高压工质气体在一级换热器中进行热交换后被冷却，然后将所述高压工质气体导入透平膨胀机；
步骤3：将所述高压工质气体在透平膨胀机中进行绝热膨胀制冷，变为低温、低压工质气体后导入二级换热器；
步骤4：将所述低温、低压工质气体依次在二级换热器、一级换热器中与待回收的干燥油气进行热交换，同时在一级换热器中与所述步骤2中的高压工质气体进行热交换，之后导入循环压缩机进入下一轮循环；同时对冷凝后的油气进行回收。
2.如权利要求1所述的油气冷凝回收方法，其特征在于，所述制冷工质气体为干燥空气或氮气。
3.如权利要求1所述的油气冷凝回收方法，其特征在于，在所述步骤4中将所述低温、低压工质气体依次在二级换热器、一级换热器中与待回收的干燥油气进行热交换之前，还包括如下步骤：
步骤4.1：将待回收油气在油气压缩泵中压缩，然后导入油气纯化器；
步骤4.2：将待回收油气在油气纯化器进行除水、除二氧化碳处理，变为干燥的油气后依次导入一级换热器及二级换热器。
4.如权利要求1所述的油气冷凝回收方法，其特征在于，在所述步骤4中将所述低温、低压工质气体依次在二级换热器、一级换热器中与待回收的干燥油气进行热交换，同时对冷凝后的油气进行回收的过程中，包括如下步骤：
步骤4.3：所述待回收的干燥油气中的烃类成分在所述一级换热器及二级换热器被冷凝后导入气液分离罐，冷凝后的液态油回收导入油库，未冷凝的尾气再依次返流经过二级换热器及一级换热器回收冷量后排入大气。
5.一种基于透平膨胀机制冷的油气冷凝回收装置，其特征在于，所述回收装置包括工质气体回路以及对待回收油气进行冷凝回收操作的油气回路；
所述工质气体回路包括：
循环压缩机，用于将工质气体压缩至所需高压；
一级换热器，连接所述循环压缩机以及所述油气回路；
二级换热器，连接所述一级换热器；
透平膨胀机，连接所述二级换热器；
所述油气回路包括：
油气进气管路，将待回收的油气导入油气回收装置；
尾气排放管路，连接所述一级换热器，用于排放经所述二级换热器以及一级换热器冷凝分离后的达标尾气。
油气压缩泵，连接所述油气进气管路以及所述一级换热器，用于将待回收油气压缩至一定压力的气体；
油气气液分离罐，连接所述一级换热器以及所述二级换热器，用于将回收油气中被冷凝为液态的成分与未冷凝的气态成分分开。
6.如权利要求5所述的油气冷凝回收装置，其特征在于，所述一级换热器具有四个换热通道，所述四个换热通道分别为工质气体下行通道、一级工质气体上行通道、一级油气下行通道以及一级油气上行通道；
所述二级换热器具有三个换热通道，所述三个换热通道分别为二级工质气体上行通道、二级油气下行通道以及二级油气上行通道；
所述透平膨胀机以及所述循环压缩机内均设有进口及出口；
所述循环压缩机的出口通过所述工质气体下行通道连接所述透平膨胀机的进口；
所述透平膨胀机的出口依次通过所述二级工质气体上行通道及一级工质气体上行通道连接所述循环压缩机的进口。
7.如权利要求6所述的油气冷凝回收装置，其特征在于，所述油气气液分离罐包括一级油气气液分离罐以及二级油气气液分离罐；所述一级油气气液分离罐以及二级油气气液分离罐均设有一个油气进口、一个液态油出口及一个气态出口；
所述油气回路依次通过所述一级油气下行通道及所述二级油气下行通道连接所述一级油气气液分离罐的油气进口；
所述油气回路通过所述二级油气下行通道连接所述二级油气气液分离罐的油气进口；
所述二级油气上行通道通过所述一级油气上行通道连接所述尾气排放管路。
8.如权利要求5所述的油气冷凝回收装置，其特征在于，所述工质气体回路还包括：设置在所述循环压缩机与一级换热器之间的油分离器，用于对工质气体进行除油处理。
9.如权利要求5所述的油气冷凝回收装置，其特征在于，所述工质气体回路还包括：气体管理单元，所述气体管理单元与工质气体回路内的循环压缩机的进、排气管路相连；
所述气体管理单元包括缓冲罐及工质气体回路压力控制阀组，所述缓冲罐用于吸收所述工质气体回路中多余的气体或向所述工质气体回路补充气体，所述工质气体回路压力控制阀组用于调节回路压力。
10.如权利要求5所述的油气冷凝回收装置，其特征在于，所述油气回路还包括：设置在所述油气进气管路及所述一级换热器之间的油气纯化器，所述油气纯化器内填有分子筛吸附剂，用于去除待回收油气中的水分及二氧化碳。
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