CN103394267B - 一种结合冷凝和吸附的油气回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结合冷凝和吸附的油气回收装置，包括通过管道相互连接的冷凝机组和吸附机组，所述冷凝机组由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀构成制冷回路，所述吸附机组由内置吸附剂的吸附罐构成，所述冷凝机组在压缩机和冷凝器之间还设置有热回收换热器，所述吸附罐内部设置有使吸附剂再生的加热装置，热回收换热器和加热装置形成循环回路。本发明在冷凝阶段将油气混合物降温至-30--40℃，回收大部分油气，而吸附过程采用变温吸附，吸附剂的再生过程采用热水加热再生，再生加热采用冷凝机组的冷凝热，达到能源的综合利用，有效的回收了制冷机组的冷凝热，降低了能耗。

Description

一种结合冷凝和吸附的油气回收装置

技术领域

本发明属于油气回收处理领域，特别是涉及一种结合冷凝和吸附的油气回收装置。

背景技术

由于加油站、炼油厂等场所在油品转运过程中会产生大量的含油废气，如果直接排放到大气中，不仅造成油气的损耗，而且严重污染大气环境，从而危害人体健康，在一定程度上留下了重大的火灾隐患，因此国家制定了严格的标准强制推行油气回收装置，并确定了区域和时限以及排放限值。

目前，多种油气回收技术方案，如吸收法、冷凝法、吸附法、膜分离法等已经大量的应用。

其中冷凝法是利用制冷剂通过热交换器对油气进行冷凝，可直接回收油品。油气经过预冷器温度降到4℃左右，油气中的大部分水汽凝结为水排出，油气进入一级冷却器冷却到约-40℃左右，再进入二级冷却器冷却到约-70℃以下，经过一、二级冷却可以使大部分挥发性有机化合物冷凝成为液体。但由于为间接传热，制冷剂温度要很低 (-80～-70℃)才可保证有较高的回收率。如果要求排放的油气浓度更低，则需要对油气更高级的冷却（达到-110℃）。冷凝法是最成熟、最安全的油气处理工艺，被台湾环保署列为指定油气回收工艺。冷凝法要求冷凝温度比较低，需要多级制冷系统，比较复杂，能耗也较高。

膜分离法利用油气和空气在膜内扩散性能的不同实现分离的，即让油气/空气混合物在一定压差的推动下经过膜，利用膜的过滤作用，使混合气体中的油气优先通过膜得以分离。因为油气有易凝析和易爆炸的特性，为操作安全和防止气体在膜组件中凝析腐蚀膜组件，故常在透过侧减压的方式来形成膜两侧的压力差，即膜处于常压/真空运行状态。膜分离法是一种新技术，核心在于高性能膜材料的研发，膜技术比较适合预处理过程。

吸收法油气回收通过油气和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的不同，即油气组分溶解于吸收剂，而不能溶解的空气则保留在气象中，从而实现油气与空气的分离。一般用柴油等贫油做吸收剂。一般采用油气与从吸收塔顶喷淋的吸收剂进行逆流接触，吸收剂对烃类组分进行选择性吸收，未被吸收的气体经阻火器排放，吸收剂进入真空解吸罐解吸，富集油气再用油品吸收。吸收法回收率一般不超过70%，现多用于吸附法和膜法的辅助工艺。吸收法对于处理高浓度、大流量的油气有明显的优势，回收效果的好坏很大程度上取决于吸收剂以及处理过程。如果要求回收后尾气的浓度很低，吸收塔的高度可能很高，从而增加了投资和运行费用，另外吸收法的再生过程也比较复杂，不适用于规模较小和移动的场合。

吸附法根据油气和空气在吸附剂上的吸附量的不同，当混合物与吸附剂接触时，大部分的油气会被吸附在吸附剂的表面，而剩余的空气和极少量的油气可以直接排放到大气中。吸附了油气的吸附剂通过真空再生，再生获得的油气通过低标号汽油吸收。但是由于吸附热的存在，吸附量小，解吸困难，需要的吸附罐的体积比较大，故特别适合回收低浓度、小流量的油气，并宜作为某些组合工艺的后续处理。

由于几种处理工艺各有优势，故采用组合工艺可以取得优势互补，降低排气中油气的浓度，提高回收效率，并可以降低能耗。如：冷凝+吸附法、吸附+冷凝法、吸附+吸收法、膜分离+吸收法等等，其中冷凝与吸附组合工艺既可以利用冷凝法在高浓度区的高效和油气直接回收，避免了过低的冷凝温度，又可以利用吸附法在低浓度区的高效，降低排气中油气的浓度，提高吸附周期，降低吸附装置的体积和投资，是非常常见的一种组合。先将油气冷凝到-40℃（或-75℃）左右，使大部分油气液化，剩余油气经过吸附罐进行吸附，结合吸附可以达到很高的回收率，排放浓度也低，可以达到国家标准。此组合工艺是把油气浓度和温度降低到适当的水平，然后进入吸附阶段达标排放。

现有技术也主要针对结合冷凝和吸附的技术进行研究，如中国专利申请号为200810050544.3的发明专利申请公开了“一种低温冷凝油气回收装置”、申请号为200810025361.6公开了“加油站用油气回收装置及其冷凝吸附的集成方法”、申请号为200810234988.2公开了一种“油气回收装置及其冷凝吸附方法”以及申请号为200910145750.7公开了一种“冷凝加吸附组合工艺油气回收装置及方法”等，均采用了冷凝与吸附组合的工艺。

但是现有采用冷能与吸附结合的处理技术，其吸附段的再生均采用真空再生方式，采用真空泵导致能耗比较高，而且处理的过程中，吸附前油气经过降温，导致吸附罐的温度比较低，对再生极度不利，再者再生获得油气需要经过油洗工艺回收，增加了系统的复杂性，导致吸附工艺吸附时间长，处理量小，单冷凝工艺能耗大，制冷系统复杂，油气排放不达标等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单，设备紧凑，能耗小，运行成本低，操作费用低，投资周期短，占地面积小，油气排放浓度低于国家标准的冷凝和吸附组合油气回收装置。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种结合冷凝和吸附的油气回收装置，包括通过管道相互连接的冷凝机组和吸附机组，所述冷凝机组由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀构成制冷回路，所述吸附机组由内置吸附剂的吸附罐构成，所述冷凝机组在压缩机和冷凝器之间还设置有热回收换热器，所述吸附罐内部设置有使吸附剂再生的加热装置，热回收换热器和加热装置形成循环回路。本发明通过冷凝机组和吸附机组实现油气的冷凝和吸附相结合的回收处理，而本发明与现有技术最大的区别点在于通过在冷凝机组设置热回收换热器，储存利用冷凝机组运作所产生的热量，并通过与吸附机组的加热装置连通，将冷凝机组所产生的热量作为吸附机组的吸附再生热量。

进一步地，所述热回收换热器包括蓄热装置和热回收装置，所述蓄热装置采用装水的蓄热水箱，所述热回收装置采用安装在蓄热水箱内部的管壳式冷凝器、板式换热器或沉浸式盘管，热回收装置的两端分别连接冷凝机组的压缩机和冷凝器，所述热回收换热器通过冷凝机组产生的冷凝热对蓄热水箱里的水进行加热。

所述加热装置采用加热盘管，该加热盘管的一端通过管道和阀门与蓄热水箱的出水口连接，另一端通过管道与蓄热水箱的入水口连接，通过蓄热水箱的热水使加热盘管升温，进而对吸附罐内部的吸附剂进行加热再生。通过加热盘管不但结构简单，而且也使得吸附再生过程中的换热更加充分。

为了增强冷凝效果，所述冷凝机组采用并列的结构相同的初级冷凝机组和一级冷凝机组，通过初级冷凝机组和一级冷凝机组轮流给吸附机组提供吸附再生的热量。

所述初级冷凝机组和一级冷凝机组的蒸发器共同放置在一个壳体里，作为冷凝机组的油气冷却器，该油气冷却器通过接口一侧连接气源入口的集气管，另一侧通过排气管与吸附机组接通，上端分别接通冷凝机组的其它部件，而下端则设有集液槽，该集液槽外接油水分离器，所述油气冷却器在壳体内部靠近集气管和排气管均设有使气体均匀的均气板。该结构使得冷凝机组的蒸发器在对所要处理的油气进行两级降温时，通过均气板是气体分散均匀，提高了气体的热交换效率，而且也避免了气体进入时由于速度较快所导致的气体短路等问题，从总体上增强了气体的冷却效果，大大提升了冷凝阶段的冷却油回收效率。

所述吸附机组也可以采用并列的结构相同的第一吸附机组和第二吸附机组，所述第一吸附机组和第二吸附机组错开实现吸附阶段和再生阶段的轮流交替。

进一步地，所述第一吸附机组和第二吸附机组的吸附罐上端均通过排气阀与放空管连接，而吸附罐底端则分成两个支路，其中一个支路通过进气阀及管道连接冷凝机组，另一个支路通过回收阀连接吸附再生油气冷却器，吸附罐的侧壁则设有上下两个使加热盘管和蓄热水箱连接的接口。

所述吸附再生油气冷却器的上端接通集气管，下端则接通油水分离器。

本发明的油气回收过程如下：

油气和空气的混合物首先经过冷凝机组，被冷却至-30--40℃，回收大部分油气，然后低温的混合物进入吸附机组，未被吸附的少量油气和空气通过排空管排入大气中，而被吸附的油气通过加热脱附，形成高温油蒸汽，再经过空气冷却器冷却成液体，剩余的部分被引到集气管，通过再循环回收其中的油气。

冷凝机组采用两级冷凝制冷系统，即初级冷凝机组和一级冷凝机组，初级和一级制冷系统均采用氟利昂蒸汽压缩制冷，可以采用涡旋，螺杆，活塞等多种压缩机形式。两级制冷系统均由压缩机、热回收换热器、空冷器（空气冷凝器）、蒸发器以及膨胀阀构成。初级冷凝段制冷机组的蒸发温度0-3℃，冷凝温度为50℃；一级制冷系统的蒸发温度-35--40℃，冷凝温度也是50℃。由于制冷机组排气存在过热度，通过蓄热介质循环等方式可以获得50℃以上的热水。热回收换热器的主要目的是收集制冷机组的冷凝热作为吸附机组加热再生的热源。由于吸附再生过程是间断的，而制冷机组需要根据工况来调节，这在实际运作中可能会导致冷凝热不稳定，所以可以根据实际需要增加一个蓄热系统以平抑不稳定性的影响，提高废热回收率，提高再生效果。分别设置两个蓄热水箱，蓄热介质可以是水也可以是添加了抗冻剂的水，而热回收装置（废热回收）采用串联在压缩机和空冷器之间的蓄热液体循环的管壳式冷凝器或者板式换热器，也可采用自然对流的沉浸式盘管。初级制冷机组和一级制冷机组对应水箱的蓄热温度均为50℃。汽油油气通过初级制冷至3-5℃左右，将油气中大部分水份及少量大分子烃凝析出来后汇集在集液槽。脱掉大部分水份的油气经过一级制冷达到-30--40℃，大部分油气可以液化后汇集到集液槽。集液槽中的液体被输送到油水分离器，获得的液态油气被泵送到指定的储罐。经过两级冷凝后排出的油气/空气混合气体干燥，但还含有少量的油气，为了提高回收率并达到排放标准，混合气体通过吸附机组进一步分离回收。

经过冷凝机组处理的低温油气通过鼓风机进入吸附机组进行吸附处理。

为了增强吸附效果，本发明采用两套结构相同的吸附机组交替处理，吸附机组由两个交替吸附和脱附的吸附罐构成。当一个吸附罐处于吸附状态时，另一个吸附罐处于脱附再生状态。当吸附罐内吸附油气的量达到一定值（接近饱和）时，进行吸附和脱附过程切换。脱附过程采用冷凝机组存储的热水通过内置于吸附罐内的盘管加热，随着吸附剂温度的升高，饱和吸附量降低，从而将油气脱出，脱出的高浓度油气经过空冷器冷却，获得液态油品，返回到油水分离器。吸附机组具体由两个交替吸附和脱附的吸附罐、相关的管路、阀门以及加热盘管构成。吸附罐为圆筒形钢制容器，内部装有再生加热用盘管，其间充满吸附介质。采用活性炭、硅胶、沸石、炭分子筛等吸附剂，可以采用多种吸附剂的组合。加热盘管分为几层，呈圆盘形，再生时蓄热水箱中的热水通过水泵被打到盘管，通过自然对流加热吸附介质，实现吸附剂的再生，再生获得的油气混合物经过空冷器冷却，冷凝下来的液体进入油分离器，未冷凝的气体通过管路引回到冷凝机组，进入再循环。吸附机组的加热盘管与冷凝机组的热回收换热器构成循环管路作为吸附阶段的加热再生装置，其采用开放模式，当吸附罐处于吸附阶段时，循环管路被切断，盘管内的水会自动流回蓄热水箱，避免冻裂。冷凝机组和吸附机组之间可通过罗茨风机加压，以抵抗吸附段的阻力。再生过程先使用一级制冷系统蓄热水箱内的水，当吸附罐内温度与水箱温度相差5℃时切换至初级制冷系统蓄热水箱，从而实现蓄热的梯度利用，提高再生温度。

由于油气经过冷凝之后温度低，水蒸气含量也低，吸附罐的饱和吸附量比常温状态大很多，所以整个吸附和脱附的时间为1个小时，系统更加稳定，阀门的变换次数低，吸附剂的寿命更长。采用冷凝与变温吸附组合方式，可以利用冷凝机组的冷凝热作为吸附机组加热再生的能源，其能耗仅为常规低温冷凝机组能耗的一半；而吸附机组采用常规氟利昂蒸汽压缩制冷技术，其能效比高，技术成熟，安装和维护简单，避免了低温冷凝需要采用复叠制冷系统和烃制冷剂的使用，安全性能更高。由于先经过冷凝，出去了大部分水分，降低了水分对吸附过程的干扰，油气的吸附量增大，吸附产热减小，吸附的温度效应影响减少，同时混合气体更加纯净，有利于延长吸附剂的寿命

本发明采用冷凝和吸附两种工艺的组合，其冷凝阶段将油气混合物降温至-30--40℃，回收大部分油气。吸附过程采用变温吸附工艺，吸附剂的再生过程采用热水加热再生，获得油气经过冷却冷凝出大部分油气，剩余的气体通过再循环来回收，避免了有机溶剂吸收过程。再生加热采用冷凝机组的冷凝热，达到能源的综合利用，有效的回收了制冷机组的冷凝热，降低了能耗。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

1、结合了冷凝法和吸附法的优点，满足排放标准，有降低了能耗；

2、采用变温吸附工艺，不同于常规的变压吸附工艺；

3、采用制冷机组的排热作为变温再生的热源，使制冷机组的冷和热均得到利用，提高了能源的利用率，从而降低了总能耗；

4、冷凝终了温度的选择兼顾制冷和吸附的需要，不需要额外热源，使得整个回收装置的结构更加简单紧凑；

5、排气无需再热，回收的油气直接回收，无需经过再处理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中1为集气管，2为第一均气板，3为初级蒸发器，4为初级膨胀阀，5为初级热回收换热器，6为初级空冷器，7为初级压缩机，8为一级蒸发器，9为一级压缩机，10为一级热回收换热器，11为一级空冷器，12为一级水泵，13 为初级水泵，14为罗茨鼓风机，15为第二吸附罐，16为第二吸附罐回收阀门，17为第二吸附罐，18为第二吸附罐排气阀，19为第一吸附罐排气阀，20为放空管，21为第一吸附罐，22为第一吸附罐再生加热盘管，23为第二吸附罐再生加热盘管，24为吸附再生油气空冷器，25为吸附再生油气空冷器风机，26为吸附再生回收油接管，27为吸附再生废气循环接管，28为油水分离器，29为回收油管，30为集液槽，31为第二均气板，32为第一吸附罐回收阀门，33为第一吸附罐进气阀，34为第一吸附罐热水管阀门，35为第二吸附罐热水管阀门，36为一级膨胀阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的结构如附图1所示，包括集气管1、由初级蒸发器3、初级压缩机7、初级热回收换热器5、初级空冷器6构成的初级制冷机组，由一级蒸发器8、一级压缩机9、一级热回收换热器10、一级空冷器11构成的一级制冷系统、集液槽30、油水分离器28以及制冷系统控制系统构成冷凝段。其中初级蒸发器3、一级蒸发器8、集油槽30等部件安装在一个不锈钢的箱体内，箱体采用内充发泡材料的双层不锈钢板制作，整个箱体气密性好，避免油气污染环境。集气管1、油气连接管以及排液管分别安装在箱体的左侧，右侧和下部，箱体内部对应集气管1和油气连接管附近分别安装有第一均气板2和第二均气板31。

冷凝段各部分的连接描述如下：油气源通过集气管1进入箱体，通过第一均布板2分布到初级蒸发器3和一级蒸发器8的截面上，油气的流速比较低，液体氟利昂制冷剂在管内蒸发吸热，从而对油气进行冷却，经过初级和一级蒸发器之后温度分别为3-5℃和-30--40℃，其中大部分的油气会冷凝成液体，而其中的水蒸汽在初级蒸发器3上凝结为液体，而在一级蒸发器8上凝结成冰而附在换热表面上。经过冷冻处理的混合气通过油气连接管进入吸附段，为了增强混合气进入吸附段的动力，在油气连接管上还设置有罗茨鼓风机14。

初级和一级冷凝机组均为添加了热回收的直接蒸发式机组，并采用空气冷却。其连接为压缩机-热回收换热器-空冷器-膨胀阀-蒸发器，采用常规的氟利昂制冷剂R22、R134a和R404a等常规制冷剂，也可以采用R32等替代制冷剂。热回收换热器可以采用管壳式换热器，板式换热器，也可以采用置于蓄热水箱底部的沉浸式盘管。热回收换热器的蓄热水箱和吸附段的加热装置之间设置热水循环管路，采用一级水泵12和初级水泵13来实现热水的循环加热。

吸附段由两个内装再生加热盘管22和23的吸附罐17和21、阀门和连接管、加热盘管22，23以及热水循环加热系统构成。两个吸附罐至少有一个处于吸附阶段而另外一个处于再生阶段或者闲置状态。经过冷凝段处理的油气经过阀门和接管进入吸附罐，其中的大部分油气和水汽被吸附在吸附剂的表面，吸附过程中会有吸附热放出，所以吸附剂和气体的温度会缓慢的升高，但是随着吸附过程的推进，靠近入口测的吸附剂首先饱和，吸附产热降低，同时受到低温混合气体的冷却，其饱和吸附量增加，将会有部分油气和水被吸附下来，这就大幅的增加了吸附罐的吸附能力，而排气的温度也比较高，不需要进行回热。当吸附罐排气的浓度达到预定值时，切换阀门，此吸附罐进入再生阶段。此时吸附罐的排气阀关闭，而回收阀与空气冷却器连接管上的阀门打开，一级冷凝机组的蓄热水箱中的热水在一级水泵的带动下进入加热盘管，吸附剂温度升高，其表面吸附的油气和水分会重新挥发成气态，在压差作用下进入空气冷却器24，其中大部分的油气成为液态，然后进入油水分离器28，剩余的气体进入冷凝段参与再循环。当一级冷凝机组的蓄热水箱中的热水温度与再生阶段的吸附罐内的温度相差仅5℃左右时，切换至初级冷凝机组的蓄热水箱，至初级冷凝机组的蓄热水箱内热水温度与吸附罐内的温度仅相差5℃时，停止水泵，排空加热盘管内的水，等待进入吸附阶段。

整个装置采用自动控制系统，调节压缩机的负荷以满足保证冷凝温度在预设的范围内，制冷机组的冷凝器也通过旁通方式控制冷凝压力，以避免压差过低，影响回油和稳定。吸附段采用自动控制系统控制阀门的切换，水泵的启闭，减少人工维护的时间。

Claims (8)

1.一种结合冷凝和吸附的油气回收装置，包括通过管道相互连接的冷凝机组和吸附机组，所述冷凝机组由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀构成制冷回路，所述吸附机组由内置吸附剂的吸附罐构成，其特征在于所述冷凝机组在压缩机和冷凝器之间还设置有热回收换热器，所述吸附罐内部设置有使吸附剂再生的加热装置，热回收换热器和加热装置形成循环回路；

所述热回收换热器包括蓄热装置和热回收装置，所述蓄热装置采用装水的蓄热水箱，所述热回收装置采用安装在蓄热水箱内部的管壳式冷凝器、板式换热器或沉浸式盘管，热回收装置的两端分别连接冷凝机组的压缩机和冷凝器，所述热回收换热器通过冷凝机组产生的冷凝热对蓄热水箱里的水进行加热；所述加热装置采用加热盘管，该加热盘管的一端通过管道和阀门与蓄热水箱的出水口连接，另一端通过管道与蓄热水箱的入水口连接，通过蓄热水箱的热水使加热盘管升温，进而对吸附罐内部的吸附剂进行加热再生。

2.根据权利要求1所述的结合冷凝和吸附的油气回收装置，其特征在于所述蓄热水箱的出水口与加热盘管的入口连接处还设有水泵和/或阀门。

3.根据权利要求1或2所述的结合冷凝和吸附的油气回收装置，其特征在于所述冷凝机组采用并列的结构相同的初级冷凝机组和一级冷凝机组，通过初级冷凝机组和一级冷凝机组轮流给吸附机组提供吸附再生的热量。

4.根据权利要求3所述的结合冷凝和吸附的油气回收装置，其特征在于所述初级冷凝机组和一级冷凝机组的蒸发器共同放置在一个壳体里，作为冷凝机组的油气冷却器，该油气冷却器通过接口一侧连接集气管，另一侧通过排气管与吸附机组接通，上端分别通过接口接通冷凝机组的其它部件，而下端则设有集液槽，该集液槽外接油水分离器，所述油气冷却器在壳体内部靠近集气管和排气管均设有使气体均匀的均气板。

5.根据权利要求1所述的结合冷凝和吸附的油气回收装置，其特征在于所述吸附机组采用并列的结构相同的第一吸附机组和第二吸附机组，所述第一吸附机组和第二吸附机组错开实现吸附阶段和再生阶段的轮流交替。

6.根据权利要求5所述的结合冷凝和吸附的油气回收装置，其特征在于所述第一吸附机组和第二吸附机组的吸附罐上端均通过排气阀与放空管连接，而吸附罐底端则分成两个支路，其中一个支路通过进气阀及管道连接冷凝机组，另一个支路通过回收阀连接吸附再生油气冷却器，吸附罐的侧壁则设有上下两个使加热盘管和蓄热水箱连接的接口。

7.根据权利要求6所述的结合冷凝和吸附的油气回收装置，其特征在于所述吸附再生油气冷却器的上端接通集气管，下端则接通油水分离器。

8.根据权利要求3所述的结合冷凝和吸附的油气回收装置，其特征在于所述初级冷凝机组的处理温度为2-5℃，所述一级冷凝机组的处理温度为-30--40℃，所述初级冷凝机组和一级冷凝机组的冷凝温度设置为50℃。