CN111644015A - 一种实现氮气复用的油气回收系统 - Google Patents

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Abstract

一种实现氮气复用的油气回收系统，来自罐区或装船产生的油气依次经过油气加压模块、高浓度油气回收模块、低浓度油气回收模块实现VOCs的回收，经VOCs回收后的氮气通过氮气回用模块将脱除油气的氮气重新返回至氮气系统实现氮气的二次回用；在氮气回用的过程中，当出现O2含量超标后，VOCs达标的气体直接排放至大气。

Description

一种实现氮气复用的油气回收系统
技术领域
本发明涉及有机废气处理领域，特别是一种实现氮气复用的油气回收系统。
背景技术
在有机化学品的生产、储运、装卸环节，有机组分会挥发进入大气，有机组分进入大气后，参与大气化学反应，导致雾霾频发。典型的应用场景如：码头、汽车、火车的油品装卸；生产过程的中间产品及产成品油品罐区储存。典型的组分如：原油、汽油、柴油、航煤、三苯、及其他挥发性组分。上述典型使用环境产生的有机废气具有浓度高、波动大等特点。针对这种高浓度的有机废气，目前主流采用油气回收工艺，如吸附+吸收工艺、冷凝+吸附工艺、膜+吸附工艺进行回收处理。上述工艺在过去的实践中为降低VOCs排放做出了很大的贡献，国内存在大量的采用上述技术及工艺的油气回收系统。
对于罐区类项目，大型石化企业规定当采用罐区连通并增设油气回收装置时，储罐系统会增加氮气密封，以保证系统的安全运行。类似的，由于安全因素的考虑，基于“MSC／Circ 585 国际海事组织通函：关于蒸气排放控制系统标准”，“中国船级社：货物蒸汽回收及处理系统检验指南”，“JTS 196-12-2017：码头油气回收设施建设技术规范（试行）”等规范的要求，部分大型的码头油气处理项目也会采用补充氮气控制氧含量的方式进行油气回收。因此，针对类似项目的油气治理技术，虽然实现了VOCs的控制，但大量的氮气在运行过程中被消耗掉。
如何实现油气的高效回收，同时实现氮气的再利用，是一个值得探索的课题。如专利201711104709 .6提供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，该方案提供了一种氮气复用的思路，但该设计方案必须采用一种分离膜以实现废气中的脱氧。本发明人认为这种氧含量的控制在本发明所述的领域是低效的和无意义的。当氧含量过高，直接对排放气进行排放的成本远低于氧分离精制的成本。
基于上述说明，本发明开发一种基于常规油气回收工艺改造的油气回收装置和氮气复用系统，以较小的代价实现废气的回收和达标排放，同时实现氮气的再利用。
发明内容
本发明提供一种实现氮气复用的油气回收系统，其目的在于实现有机组分的回收、尾气达标排放和氮气的复用，同时实现节能的目的。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，由油气产生单元、油气加压模块、高浓度油气回收模块、低浓度油气回收模块、氮气供给及回用模块、控制模块依次连接而成；
所述的油气产生单元为配置氮气密封的罐区，其中，罐区配置压力监控系统，氮气补气装置，尾气收集装置，罐区尾气缓冲装置；
所述的油气加压模块由油气输送压缩机/风机、分液罐连接构成；
所述的高浓度油气回收模块为冷凝装置或采用低挥发性油品作为吸收剂的吸收装置；
所述的低浓度油气回收模块为活性炭吸附装置，活性炭通过定期真空泵再生实现活性炭的再生利用；
所述的氮气供给及回用模块由新鲜氮气缓冲装置、氮气回用缓冲装置、尾气直排装置、氧含量分析仪、自动控制阀门组、压力监控装置连接构成；
所述的控制模块为可编辑控制系统或分布式控制系统。
作为一种可选方案，油气产生单元可以同时接收来自码头装卸装卸产生的油气，油气中的含氧量在进入系统前监控含氧量不大于6%。
作为一种可选方案，油气加压模块加压后的油气压力介于0.01MPa至1.0MPa。
作为一种可选方案，高浓度油气回收模块满足：
（1）冷凝装置，冷凝温度介于-100℃至-5℃之间，所述的冷凝为一级或多级冷凝；其中，第一级为气气换热器，利用冷凝后的气体为废气预冷，以回收部分冷量。冷凝后的有机液体收集至储罐，并外送至其他工序进行处理；作为一种可选方案，所述的冷凝装置根据冷凝温度需求不同可选为液氮制冷、机械制冷、冷冻水制冷，冷凝后的液态组分进入储液罐，冷凝后的气态不凝气进入后续的低浓度油气回收模块；
（2）吸收装置，选用的吸收剂25℃时饱和蒸汽压不大于20KPa，吸收剂循环量0.01t/m3废气至1t/m3废气之间，吸收剂温度介于-10℃至45℃之间，所述的吸收剂来自储运环节或专用吸收剂罐，当吸收剂循环使用时，监控吸收剂的饱和蒸汽压不大于20KPa；作为一种可选方案，所述的吸收装置通过吸收剂与废气逆向接触，由吸收塔、输送泵、吸收剂储罐、吸收剂冷却器等设备实现对VOCs组分的吸收。来自吸收剂储罐的吸收剂通过输送泵输送至吸收塔，自塔顶部进入吸收塔，与来自塔底部的有机废气逆向接触实现VOCs组分的有效吸收；吸收剂进入吸收塔前经吸收剂冷却器冷却以降低其挥发性。
高浓废气经过高浓度油气回收模块处理后，回收模块出口的有机组分浓度介于0.1%vol至20%vol之间，高浓度油气回收模块的出口气体的温度介于0℃至45℃之间。
作为一种可选方案，所述的低浓度油气回收模块为活性炭吸附装置，活性炭吸附装置为一级活性炭吸附装置或多级活性炭吸附装置，活性炭吸附罐为两台或多台。
作为一种可选方案，可以按照本发明的路线对原有满足25g/m3标准“吸附+吸收”、“冷凝+吸附”工艺的油气回收装置进行改进，以实现对氮气的回收；油气加压模块、高浓度油气回收模块、低浓度油气回收模块中的一个或多个模块可选改造既有油气回收装置。
所述的氮气回用模块通过氧含量分析仪控制低浓度油气回收模块出口的排放气在尾气直排装置和氮气回用缓冲装置之间实现切换，通过压力监控装置控制新鲜氮气缓冲装置和氮气回用缓冲装置实现氮气供给的切换。
一般的，当氧含量高于6%时，尾气直接进入尾气直排装置排放；当氧含量低于6%时，尾气进入氮气回用装置。
特殊的，可选将氧含量控制在更高的水平。
作为一种可选方案，氮气供给及回用模块包含：
新鲜氮气缓冲装置，由氮气缓冲罐、压力及温度监控仪表、阀门、止回阀等部件连接构成；
氮气回用缓冲装置，由混合气中间缓冲罐、压力及温度监控仪表、阀门等部件构成；
尾气直排装置，由尾气直排控制阀门、阻火器等部件连接构成；
氧含量分析仪，由一台或多台氧含量分析仪构成；
自动控制阀门组，由尾气直排控制阀门、氮气回用控制阀门、新鲜氮气供给控制阀门构成；
压力监控装置，由压力监控仪表构成。
作为一种可选方案，氮气回用按照如下方式进行操作：
当氧含量高于设定值时，低浓度油气回收模块出口的排放气切换至尾气直排装置，当氧含量低于设定值时，低浓度油气回收模块出口的排放气切换至氮气回用缓冲装置；
新鲜氮气缓冲装置的工作压力、低浓度油气回收模块出口压力高于氮气回用缓冲装置的压力，氮气回用缓冲装置的工作压力高于氮封储罐的操作压力；
氮气回用缓冲装置的压力低于其设定压力时，通过低浓度油气回收模块排气为氮气回用缓冲装置补充氮气；当低浓度油气回收模块排气补充氮气量不足以满足氮封需求时，通过新鲜氮气缓冲装置为氮气回用缓冲装置补充氮气；
各氮气储罐的氮封压力低于设定压力时，通过氮气回用缓冲装置为各储罐补充氮气；
所述的补充氮气的控制均基于各装置、储罐配置的压力监控仪表和控制阀门的开关来实现。
本发明具有如下优点：
(1) 氮气回收效益高，通过氮气的回用可以极大的减少氮气的消耗，降低了石化工厂的整体能耗；
(2) 综合能耗小，本系统的设计基于原有油气回收装置进行改造或新建油气回收装置的复合设计，在油气回收达标的同时实现了对高浓度氮气的回用。
附图说明
图1、实施例1中的实现氮气复用的油气回收系统示意图，其中，高浓度油气回收模块为冷凝装置，低浓度油气回收模块为二级活性炭吸附装置，油气产生单元的尾气来源于罐区。
图2、实施例2中的实现氮气复用的油气回收系统示意图，其中，高浓度油气回收模块为吸收装置，低浓度油气回收模块为二级活性炭吸附装置，油气产生单元的尾气来源于罐区。
图3、实施例3中的中的实现氮气复用的油气回收系统示意图，其中，高浓度油气回收模块为冷凝装置，低浓度油气回收模块为一级活性炭吸附装置，油气产生单元的尾气来源于罐区和装船产生的废气。
图4、实施例1至实施例3的中的实现氮气复用的油气回收系统原则示意图。A为油气产生单元，B为油气加压模块，C为高浓度油气回收模块，D为低浓度油气回收模块，E为氮气供给及回用模块。
附图中的序号分别代表：101、102为氮封储罐、103为油气缓冲罐、104为油轮、201为风机或压缩机、202为气液分离罐、301为预冷器、301为冷凝器、303为制冷机组、304为油品储罐、305为吸收塔、306/307为油泵、401、402、403为活性炭吸附罐、404为真空泵、501为新鲜氮气缓冲罐、502为混合气中间缓冲罐、503为新鲜氮气供给控制阀、504为氮气回用控制阀、505为尾气直排控制阀、506为氧含量分析仪、601为控制系统。
P所示的仪表为压力监控仪表，O2所示的仪表代表氧含量分析仪。
本实施例中的附图仅作为一种典型应用的展示。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明，附图及实施例不作为本发明的限制性说明。
实施例1 结合图1，实施例1给出一种实现氮气复用的油气回收系统，该系统由A油气产生单元，B油气加压模块，C高浓度油气回收模块，D低浓度油气回收模块，E氮气供给及回用模块构成。
油气产生单元A的油气来源于成品油罐区的内浮顶储罐101/102的排放气，内浮顶储罐通过设置于罐顶的压力监控仪表控制氮气补充阀门的开关控制氮气的补充，尾气排放阀门的开关控制尾气的排出。所述的储罐及氮封压力控制参照《石油化工企业储运罐区罐顶油气连通安全技术要求（试行）》、《石油化工储运罐区VOCs治理项目油气连通工艺实施方案及安全措施指导意见》给定的意见实施。罐区产生的高浓度油气进入油气缓冲罐103汇总收集后，进入油气加压模块B。各储罐的控制压力介于200Pa至500Pa之间。
油气加压模块B由高压风机201、气液分离罐202构成。加压后的油气操作压力为0.08MPa。高浓度油气经压缩后，产生的液态烃类通过气液分离罐底部外输至冷凝系统的油品储罐；高浓度油气经压缩后的不凝气，输送至高浓度油气回收模块C进一步处理。
高浓度油气回收模块C为冷凝回收设备，由预冷器301、冷凝器302、三级制冷机组303、油品储罐304连接构成；多级制冷机组提供的冷凝温度为-70℃。通过加压状态的冷凝系统，大量的VOCs类油气均在此环节冷凝为液态。冷凝后的不凝气与冷凝前的高浓度油气通过预冷器的能量置换回复至常温，低浓度常温油气输送至低浓度油气回收模块D进一步对油气进行达标处理。
低浓度油气回收模块D为活性炭吸附、真空解析装置，有一级活性炭吸附罐401/402，二级活性炭吸附罐403，真空泵404连接构成。其中，一级活性炭吸附罐为间歇切换使用，当401在吸附状态时，402在真空泵404提供的高真空状态下进行真空解析。经一级活性炭罐401/402吸附后的油气进入二级活性炭罐403进一步对残存的VOCs组分进一步吸附以实现达标排放。吸附完成的达标排放油气进入尾气排放环节。
经油气回收处理后的VOCs达标尾气进入氮气供给及回用模块E。
氮气供给及回用模块由新鲜氮气缓冲罐501、氮气回用缓冲罐502、尾气直排控制阀505、新鲜氮气供给控制阀503、氮气回用控制阀504、氧含量分析/506、压力监控仪表P连接构成。新鲜氮气缓冲罐同时为活性炭吸附罐401/402再生提供氮气保护。
通过氧含量分析仪506控制低浓度油气回收模块出口的排放气在尾气直排控制阀505和氮气回用控制阀504之间实现切换。
通过压力监控仪表P维持氮气回用缓冲罐的压力维持在1000Pa以上，0.06MPa以下。当氮气回用缓冲罐的压力降低至1000Pa以下时，按照以下进行操作：
（1）当氧含量高于6%时，阀门505开启，阀门504关闭，尾气直接进入尾气直排排放，阀门503开启，氮气回用缓冲罐通过新鲜氮气缓冲罐补充压力；
（2）当氧含量低于6%时，阀门504开启，阀门505关闭，尾气进入氮气回用装置，对氮气进行回用；阀门503关闭，不通过新鲜氮气缓冲罐补充压力。当氮气回用补充至氮气回用缓冲罐压力高至0.06Mpa以上时，阀门504关闭，阀门505开启，多余的达标排放气通过尾气直排系统直接排放至大气。
上述的各项操作均通过可编程控制逻辑系统601实现自动化控制，整个过程不需要人工进行干预，系统运行稳定可靠。
通过上述操作，在实际工况中，N2回用量大于50%，富裕的含氮气混合气体直接排放至大气。VOCs排放指标低于120mg/m3。
实施例2 结合图2，实施例2给出一种实现氮气复用的油气回收系统，该系统由A油气产生单元，B油气加压模块，C高浓度油气回收模块，D低浓度油气回收模块，E氮气供给及回用模块构成。
油气产生单元为苯乙烯储罐、三苯类混合储罐，或其他类似挥发性油品的储罐。
实施例2与实施例1不同点在于，实施例2中的油气加压模块B采用油气压缩机，操作压力为0.7MPa。高浓度油气回收模块C为柴油吸收装置，305为柴油吸收塔，操作压力为0.65Mpa，306/307分别为回油泵和供油泵。吸收剂循环量0.1t柴油/m3废气，吸收剂温度为30℃。吸收剂来源于中间柴油储罐。
氮气回用缓冲罐的操作压力维持在1000Pa以上，0.4MPa以下。
其他环节的操作参数相同。
通过上述操作，在实际工况中，N2回用量大于70%，富裕的含氮气混合气体直接排放至大气。VOCs排放指标中的特定污染物排放指标低于排放限值要求。
实施例3 结合图3，实施例3给出一种实现氮气复用的油气回收系统，该系统由A油气产生单元，B油气加压模块，C高浓度油气回收模块，D低浓度油气回收模块，E氮气供给及回用模块构成。
实施例3与实施例1不同点在于：
所述的高浓度油气回收模块C、低浓度油气回收模块D为利旧既有冷凝吸附装置；其他装置和管路进行重新设计和配置。
油气产生单元为油品储罐和大型油轮，处理的油气来源于部分中挥发性和低挥发性油品，如溶剂油、柴油等。上述油气产生单元的油气均为惰性气体保护，控制含氧量不大于6%；油轮的尾气接收满足相应的安全要求。
油气加压模块B的操作压力为0.35MPa；既有冷凝装置为三级制冷系统，冷凝温度控制在-70℃左右。既有吸附装置为一级活性炭吸附装置，活性炭储罐401/402切换使用。
氮气回用缓冲罐的压力维持在800Pa以上，0.3MPa以下。
其他环节的操作参数相同。
通过上述操作，在实际工况中，N2回用量大于50%，富裕的含氮气混合气体直接排放至大气。VOCs排放指标低于120mg/m3，特定污染物排放指标低于排放限值要求。
本发明未涉及的部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
本发明提供一种较优的实施方式，但并不作为本发明的限制性说明。本发明所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式的描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，由油气产生单元、油气加压模块、高浓度油气回收模块、低浓度油气回收模块、氮气供给及回用模块、控制模块依次连接而成；
所述的油气产生单元为配置氮气密封的罐区，其中，罐区配置压力监控系统，氮气补气装置，尾气收集装置，罐区尾气缓冲装置；
所述的油气加压模块由油气输送压缩机/风机、分液罐连接构成；
所述的高浓度油气回收模块为冷凝装置或采用低挥发性油品作为吸收剂的吸收装置；
所述的低浓度油气回收模块为活性炭吸附装置，活性炭通过定期真空泵再生实现活性炭的再生利用；
所述的氮气供给及回用模块由新鲜氮气缓冲装置、氮气回用缓冲装置、尾气直排装置、氧含量分析仪、自动控制阀门组、压力监控装置连接构成；
所述的控制模块为可编辑控制系统或分布式控制系统。
2.根据权利要求1所述的实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，所述的油气产生单元可以同时接收来自船舶装卸产生的油气，油气中的含氧量在进入系统前监控含氧量不大于6%。
3.根据权利要求1所述的实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，所述的高浓度油气回收模块满足：
（1）冷凝装置，冷凝温度介于-100℃至-5℃之间，所述的冷凝装置根据冷凝温度需求不同可选为液氮制冷、机械制冷、冷冻水制冷；所述的冷凝为一级或多级冷凝；
（2）吸收装置，选用的吸收剂25℃时饱和蒸汽压不大于20KPa，吸收剂循环量0.01t/m3废气至1t/m3废气之间，吸收剂温度介于-10℃至45℃之间，所述的吸收剂来自储运环节或专用吸收剂罐，当吸收剂循环使用时，监控吸收剂的饱和蒸汽压不大于20KPa。
4.根据权利要求1所述的实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，所述的油气加压模块加压后的油气压力介于0.01MPa至1.0MPa。
5.根据权利要求1所述的实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，所述的氮气回用模块通过氧含量分析仪控制低浓度油气回收模块出口的排放气在尾气直排装置和氮气回用缓冲装置之间实现切换，通过压力监控装置控制新鲜氮气缓冲装置和氮气回用缓冲装置实现氮气供给的切换。
6.根据权利要求1所述的实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，所述的氮气供给及回用模块包含：
新鲜氮气缓冲装置，由氮气缓冲罐、压力及温度监控仪表、阀门、止回阀等部件连接构成；
氮气回用缓冲装置，由混合气中间缓冲罐、压力及温度监控仪表、阀门等部件构成；
尾气直排装置，由尾气直排控制阀门、阻火器等部件连接构成；
氧含量分析仪，由一台或多台氧含量分析仪构成；
自动控制阀门组，由尾气直排控制阀门、氮气回用控制阀门、新鲜氮气供给控制阀门构成；
压力监控装置，由压力监控仪表构成。
7.根据权利要求5所述的实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，
当氧含量高于设定值时，低浓度油气回收模块出口的排放气切换至尾气直排装置，当氧含量低于设定值时，低浓度油气回收模块出口的排放气切换至氮气回用缓冲装置；
新鲜氮气缓冲装置的工作压力、低浓度油气回收模块出口压力高于氮气回用缓冲装置的压力，氮气回用缓冲装置的工作压力高于氮封储罐的操作压力；
氮气回用缓冲装置的压力低于其设定压力时，通过低浓度油气回收模块排气为氮气回用缓冲装置补充氮气；当低浓度油气回收模块排气补充氮气量不足以满足氮封需求时，通过新鲜氮气缓冲装置为氮气回用缓冲装置补充氮气；
各氮气储罐的氮封压力低于设定压力时，通过氮气回用缓冲装置为各储罐补充氮气；
所述的补充氮气的控制均基于各装置、储罐配置的压力监控仪表和控制阀门的开关来实现。
8.根据权利要求1所述的实现氮气复用的油气回收系统，其特征在于，所述的油气加压模块、高浓度油气回收模块、低浓度油气回收模块中的一个或多个模块为改造既有油气回收装置。
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