CN107789956A - 一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置 - Google Patents

一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置，该装置包括压缩机、一级冷凝器、VOCs深度去除单元、氧气去除单元、储气罐和气体净化单元。该装置可对内浮顶罐夹层气进行处理，去除其中的VOCs和氧气，并使用氮气罐储存并回用去除了VOCs和氧气后的氮气，达到氮气密封的作用。同时，由于本装置可以和装车废气一起进气，极大的提升了它的应用范围和使用价值。本装置可适用于不同规模的罐区及装车区，具有装置简便、运行成本不高，并能在运行稳定后达到VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的优点。

Description

一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用 氮气的装置
技术领域
本发明专利涉及一种储存石油和化工类液体的内浮顶罐夹层气的处理装置，具体涉及一种内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置，该装置能在VOCs回收并去除氧气的同时产生可以回收利用的氮气，是一种将内浮顶罐夹层气由原来为空气逐渐变为氮气、且不需要额外增加氮气的装置。由于去除了氧气，该装置的使用将提高内浮顶罐的安全性。
背景技术
空气中的主要成分是氧气和氮气，其中氮气约占78％，氧气约占21％。绝大部分的火灾都是可燃物暴露在空气中与氧气发生了失控的剧烈反应。想要预防此类灾害，既可以通过减少或钝化暴露的可燃物，防止静电、火花点燃，也可以通过改变与可燃物接触气层的氧气含量来达到。在不同的氧气体积分数条件下进行燃烧实验，贫氧环境中燃烧更难发生，相同质量的可燃物，随着氧气体积分数减小，逐渐难燃甚至灭燃，且不易复燃。这是由于可燃物和氧气分子的碰撞概率减小了，自然难以维持剧烈的化学反应。因此，使用氮气或其他惰性气体可以很好地隔绝可燃物与助燃氧气的接触，达到防火于未燃的效果。可燃物的爆炸极限同样受到温度、压力和惰性气体浓度的影响，当惰性气体的浓度提高到某一数值，混合系统就不能再发生爆炸了。
目前国内已大面积推广能减少可燃气浓度的内浮顶罐形式和增大惰性气体浓度的氮气密封于石油化工行业，单纯改造为内浮顶罐形式，在大小呼吸时仍会带来一定的可燃气体与空气的混合气。而对内浮顶罐夹层气变为氮气密封之后，则可以进一步降低内浮顶罐夹层气达到爆炸极限和燃烧下限的可能性，从而进一步消除安全隐患。
然而采用氮气密封的内浮顶罐必须不停的补充大小呼吸过程中排出的氮气，消耗大量的氮气，且储罐呼出气体中含有超过国家排放标准的VOCs，需要进一步处理才能排放，因此目前仅在几种高危或具有毒性的易挥发化学品储罐上，如苯系物质，中使用，而储存其他一些液体的内浮顶罐未做氮气密封处理，如石脑油、煤焦油、汽油。故如果能有一种既能处理内浮顶罐夹层气中的VOCs，又能同时提供廉价、稳定的氮气从而改变为氮气密封的装置，则将进一步提高整个石油化工行业储罐区的安全性。
发明内容
本发明的目的在于一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置，该装置包括压缩机、一级冷凝器、VOCs深度去除单元、氧气去除单元、储气罐和气体净化单元，所述压缩机的进气口连接进气管，所述压缩机的出气口连通所述一级冷凝器的进气口，所述一级冷凝器的排液口连通储液罐的进液口，所述的储液罐设有排液口，所述一级冷凝器的出气口连通所述VOCs深度去除单元的进气口，所述VOCs深度去除单元的出气口连通所述氧气去除单元的进气口，所述氧气去除单元的出气口连通所述储气罐的进气口，所述储气罐的一个出气口连通所述气体净化单元的进气口，所述储气罐的第二个出气口连通氮气回用管线，所述的气体净化单元上设有排气口。该装置可对内浮顶罐夹层气进行处理，去除其中的VOCs和氧气，并使用氮气罐储存并回用去除了VOCs和氧气后的氮气，达到氮气密封的作用。
作为一种技术方案，所述的VOCs深度去除单元为有机气体分离膜，所述有机气体分离膜的进气口连通所述一级冷凝器的出气口，所述有机气体分离膜的有机气体富集侧的出气口连通所述压缩机的进气口，所述有机气体分离膜的透余侧的出气口连通所述氧气去除单元的进气口。
作为另一种技术方案，所述的VOCs深度去除单元为带除霜功能的二级冷凝器，所述带除霜功能的二级冷凝器的进气口连通所述一级冷凝器的出气口，所述带除霜功能的二级冷凝器的出气口连通所述氧气去除单元的进气口。所述一级冷凝器和二级冷凝器中排出的冷凝液可共用一个储液罐进行储液也可以使用两个储液罐单独储液。
所述的氧气去除单元为氧氮分离膜用于去除气体中的氧气。
作为一种优选技术方案，所述的气体净化单元为催化氧化单元或变压吸附单元，用于对储气罐中排出的气体进行处理进一步降低其中的VOCs含量使其达到排放标准，经过气体进化单元处理后的气体可以直接排放。所述的变压吸附单元为包括两组活性炭吸附罐的变压吸附单元，其中脱附过程采用真空脱附，脱附后的气体返回至所述压缩机的进气口。
所述的压缩机为螺杆式压缩机或活塞式压缩机，但不限于此，压缩后的排气压力为0.3MPaG～1.0MPaG。
所述的一级冷凝器为管壳式冷凝器或翅片式冷凝器，但不限于此，冷凝后的气体温度为0℃～10℃。
所述的一级冷凝器和压缩机之间安装有预冷器用于利用一级冷凝器中排出的不凝气预冷压缩机排出的待处理混合气体以提高能量用率降低能耗。
所述进气管中的进气来自未做氮气密封的石油、芳香族等可燃或易挥发的液态化学品的内浮顶罐的夹层，本发明装置中储气罐里收集的富集氮气在浓度检测合格后全部或部分打回液态化学品内浮顶罐的夹层，达到氮气密封的效果，既为未做氮气密封处理的液态化学品内浮顶罐提供氮气密封的效果，还减少了有机物排放，又回用氮气，节约了氮气。
所述装置采用高压，压力为0.3MPaG～1.0MPaG，当有机气体排放时，压缩机自动运转并将工作频率自适应到与相应进气量平衡，混合气净化后经压缩机提升压力，达到提升冷凝效果、提供分离膜的驱动力、并减小储气罐的体积和占地面积的效果。
所述混合气进入预冷器中被冷凝器排出的不凝气预冷后进入冷凝器冷却液化，其中大部分的有机组分在此被冷凝成液回收，余下的不凝气体作为冷源进入预冷器的冷端被进气加热升温后进入VOCs深度去除单元进一步分离。
所述VOCs分离膜和氧氮分离膜先后串联，混合气先进入VOCs分离膜，有机气富集侧重新回到压缩机进气口和进气混合后通过压缩机压缩后进入预冷器，有机气体浓度小于0.1％Vol的透余气则进入后续的氧氮分离膜，该分离膜的富集侧主要成分为氧气，有机物含量极少可直接排空，透余侧为除氧后的高浓度氮气，进入氮气储气罐，供后续的罐区使用。
当设备发生紧急情况，氧氮分离膜后的气体无法回到氮气储气罐时，或氮气储气罐中气量过多时，氧氮分离膜后的气体进入气体净化单元例如变压吸附单元，混合气体中低浓度的有机气体被活性炭吸附后，混合气体达到排放标准直接排放，当设备恢复正常运行后，通过真空泵将吸附的有机气体从变压吸附单元的活性炭中脱附，脱附下来的气体回到压缩机入口再次被压缩。
当进气总管压力低于设定值后，装置自动停止运转。其中一级冷凝器中的冷源为采用制冷压缩机制冷的冷媒水，而制冷压缩机由冷媒水的温度自动开停。
本发明的有益效果：
本装置提供了一种可以将内浮顶罐夹层气由空气变为氮气的方法，通过冷凝及两种膜分离提纯，逐步回收混合气中的VOCs，并转变空气为高纯度的氮气。由于平衡，大部分时间氮气储气罐不排放，仅设备出现故障时或氮气量过大时，才发生有限的排放，故做到了VOCs的近乎零排放。不仅节约了大量的氮气，还大幅度的降低了VOCs的排放，节省了排污费。同时，增加了氮气储气罐，可将排气的过程由间歇式变为连续式，做到每次排放都可以预先检测。
附图说明
图1为一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置结构图一。
图2为一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置结构图二。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置，该装置包括压缩机1、一级冷凝器2、VOCs深度去除单元3、氧气去除单元4、储气罐5和气体净化单元6，所述压缩机1的进气口连接进气管7，所述压缩机1的出气口连通所述一级冷凝器2的进气口，所述一级冷凝器2的排液口连通储液罐8的进液口，所述的储液罐8设有排液口，所述一级冷凝器2的出气口连通所述VOCs深度去除单元3的进气口，所述VOCs深度去除单元3的出气口连通所述氧气去除单元4的进气口，所述氧气去除单元4的出气口连通所述储气罐5的进气口，所述储气罐5的一个出气口连通所述气体净化单元6的进气口，所述储气罐5的第二个出气口连通氮气回用管线9，所述的气体净化单元6上设有排气口。该装置可对内浮顶罐夹层气进行处理，去除其中的VOCs和氧气，并使用氮气罐储存并回用去除了VOCs和氧气后的氮气，达到氮气密封的作用。
所述的氧气去除单元4为氧氮分离膜用于去除气体中的氧气。
作为一种技术方案，如图1所示，所述的VOCs深度去除单元3为有机气体分离膜，所述有机气体分离膜的进气口连通所述一级冷凝器2的出气口，所述有机气体分离膜的有机气体富集侧的出气口连通所述压缩机1的进气口，所述有机气体分离膜的透余侧的出气口连通所述氧气去除单元4的进气口。所述有机气体(VOCs)分离膜和氧氮分离膜先后串联，混合气先进入VOCs分离膜，有机气富集侧重新回到压缩机1进气口和进气混合后通过压缩机1压缩后进入预冷器(图中未标出)，有机气体浓度小于0.1％Vol的透余气则进入后续的氧氮分离膜，该分离膜的富集侧主要成分为氧气，有机物含量极少可直接排空，透余侧为除氧后的高浓度氮气，进入现场指定氮气储气罐，供后续的罐区使用。
作为另一种技术方案，所述的VOCs深度去除单元3为带除霜功能的二级冷凝器，所述带除霜功能的二级冷凝器的进气口连通所述一级冷凝器2的出气口，所述带除霜功能的二级冷凝器的出气口连通所述氧气去除单元4的进气口。所述一级冷凝器和二级冷凝器中排出的冷凝液可共用一个储液罐8进行储液也可以使用两个储液罐8单独储液，如图2所示。
作为一种优选技术方案，所述的气体净化单元6为催化氧化单元或变压吸附单元，用于对储气罐5中排出的气体进行处理进一步降低其中的VOCs含量使其达到排放标准，经过气体进化单元6处理后的气体可以直接排放。所述的变压吸附单元为两组活性炭吸附罐的变压吸附单元，其中脱附过程采用真空脱附，脱附后的气体返回至压缩机1的进气口。
所述的压缩机为螺杆式压缩机或活塞式压缩机，但不限于此，压缩后的排气压力为0.3MPaG～1.0MPaG。
所述的一级冷凝器为管壳式冷凝器或翅片式冷凝器，但不限于此，冷凝后的气体温度为0℃～10℃。
进一步优选的，所述的一级冷凝器2和压缩机1之间安装有预冷器用于利用一级冷凝器2中排出的不凝气预冷压缩机1排出的待处理混合气体以提高能量用率降低能耗。
本装置进气管7的待处理气体类型可以是罐区混合气(损耗的部分气量直接从空气中补充)、罐区混合气+一定比例的空气、罐区混合气+装车来气，在实际操作过程中各有优缺点，具体见实施例2～4的实验数据。
实施例2
内浮顶罐夹层中的混合气经压缩后进入冷凝+膜分离设备(VOCs分离膜和氧氮分离膜)，利用冷凝冷下大部分的VOCs，膜分离设备后的气体进入N2储气罐，损耗的气体直接从空气中补充返回至内浮顶罐的夹层。
优点：在处理内浮顶罐夹层中的混合气的同时，改变内浮顶罐夹层中的气体组分，由原来的空气变为氮气含量为91％Vol的气体，提高了安全性，同时内浮顶罐夹层中的混合气的VOCs零排放。
缺点：由于需要补充一定量的空气返回至内浮顶罐的夹层，最终内浮顶罐夹层中的混合气不能达到99％Vol的氮气
次数 膜后氮气的浓度 补空气量(占总气比) 储气罐中氮气浓度
1 94.2％ 50％ 87.0％
2 93.3％ 30％ 89.4％
3 93.8％ 25％ 90.3％
4 93.7％ 20％ 91.0％
5 93.4％ 15％ 91.4％
实施例3
内浮顶罐夹层中的混合气经压缩后进入冷凝+膜分离设备(VOCs分离膜和氧氮分离膜)，利用冷凝冷下大部分的VOCs，膜分离设备后的气体进入N2储气罐。损耗的气体在氧气去除单元的进口增加一个补充空气的进口，从外界补充一定量的压缩空气与VOCs深度去除单元出口的气体混合后进入氧气去除单元，去除氧气后再进入N2储气罐，当N2储气罐中的N2达到氮气纯度要求后可停止进压缩空气。
优点：在处理内浮顶罐夹层中的混合气的同时，改变内浮顶罐夹层中的气体组分，由原来的空气变为氮气含量为99％Vol的气体，提高了安全性，同时内浮顶罐夹层中的混合气的VOCs零排放。
缺点：由于需要在氧气去除单元的进口补充压缩空气，增加能耗，但当N2储气罐中的气体达到氮气纯度要求时，就不需要再补充压缩空气。
实施例4
内浮顶罐夹层中的混合气和装车来气经压缩后进入冷凝+膜分离设备(VOCs分离膜和氧氮分离膜)，利用冷凝冷下大部分的VOCs，膜分离设备后的气体进入N2储气罐。
优点：在处理内浮顶罐夹层中的混合气和装车来气的同时，改变内浮顶罐夹层中的气体组分，由原来的空气变为氮气含量为96％Vol的气体，提高了安全性，同时内浮顶罐夹层中的混合气和的VOCs零排放。
缺点：由于总进气量大于实际需求的N2，尾气需要排放处理。
以上所述，仅为本专利具体实施方式，任何在本专利披露的技术范围内，根据本专利技术方案以及发明构思同等替换或微小改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实现内浮顶罐夹层气VOCs零排放、去除氧气及回收利用氮气的装置，其特征在于：该装置包括压缩机、一级冷凝器、VOCs深度去除单元、氧气去除单元、储气罐和气体净化单元，所述压缩机的进气口连接进气管，所述压缩机的出气口连通所述一级冷凝器的进气口，所述一级冷凝器的排液口连通储液罐的进液口，所述的储液罐设有排液口，所述一级冷凝器的出气口连通所述VOCs深度去除单元的进气口，所述VOCs深度去除单元的出气口连通所述氧气去除单元的进气口，所述氧气去除单元的出气口连通所述储气罐的进气口，所述储气罐的一个出气口连通所述气体净化单元的进气口，所述储气罐的第二个出气口连通氮气回用管线，所述的气体净化单元上设有排气口。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的VOCs深度去除单元为有机气体分离膜，所述有机气体分离膜的进气口连通所述一级冷凝器的出气口，所述有机气体分离膜的有机气体富集侧的出气口连通所述压缩机的进气口，所述有机气体分离膜的透余侧的出气口连通所述氧气去除单元的进气口。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的VOCs深度去除单元为带除霜功能的二级冷凝器，所述带除霜功能的二级冷凝器的进气口连通所述一级冷凝器的出气口，所述带除霜功能的二级冷凝器的出气口连通所述氧气去除单元的进气口。
4.根据权利要求1～3中任一所述的装置，其特征在于：所述的氧气去除单元为氧氮分离膜。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的气体净化单元为催化氧化单元或变压吸附单元。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的变压吸附单元为包括两组活性炭吸附罐的变压吸附单元，其中脱附过程采用真空脱附，脱附后的气体返回至所述压缩机的进气口。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的压缩机为螺杆式压缩机或活塞式压缩机，压缩后的排气压力为0.3MPaG～1.0MPaG。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的一级冷凝器为管壳式冷凝器或翅片式冷凝器，冷凝后的气体温度为0℃～10℃。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的一级冷凝器和压缩机之间安装有预冷器用于利用一级冷凝器中排出的不凝气预冷压缩机排出的待处理混合气体以提高能量用率降低能耗。
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