潘太星 吳秋華 戚作秋 李蓉華

【摘要】揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的釋放對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，引起了全球范圍內(nèi)的高度關(guān)注，從而使得VOCs的管理成為一個(gè)備受關(guān)注的問題。本文旨在探討VOCs治理常用的工藝技術(shù)，并對(duì)油氣回收工藝組合的應(yīng)用實(shí)際和安全性進(jìn)行探討分析。首先，本文介紹了VOCs治理工藝技術(shù)和常見工藝組合；其次，以國內(nèi)某煉油廠為實(shí)例，對(duì)冷凝+吸附工藝流程進(jìn)行介紹；最后，通過綜合分析，突顯了VOCs治理和冷凝+吸附油氣回收技術(shù)在提高空氣質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境資源以及確保安全生產(chǎn)等方面的重要意義。

【關(guān)鍵詞】VOCs；油氣回收；冷凝；吸附；安全

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.02.049

Application and Safety Research of Condensation+Adsorption Oiland Gas Recovery Technology

PAN Taixing1， WU Qiuhua2， QI Zuoqiu1， LI Ronghua1

（1.Liaoning Inspection， Examination&Certification Centre〔LiaoningAcademy of Safe Science〕， Shenyang 110004， China； 2.Shenyang Petrochemical Design Institute Co.， Ltd.， Shenyang 110043， China）

Abstract： The release of volatile organic compounds（VOCs）has a serious impact on natural ecosystems and human health， which has aroused great concern worldwide， making the management of VOCs a concern. This article aims to discuss the commonly used process technologies for VOCs treatment， and to discuss and analyze the application practice and safety of oil and gas recovery process combinations. First of all， this article introduces the VOCs treatment process technology and common process combinations. Then， taking a domestic oil refinery as an example， the condensation+adsorption process is introduced. Finally， through comprehensive analysis， it highlights the significance of VOCs treatment and condensation+adsorption oil and gas recovery technology in improving air quality， protecting environmental resources and ensuring safe production.

Keywords： VOCs； oil vapor recovery； condensation； adsorption； safety

隨著工業(yè)化快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，大量釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物（以下簡(jiǎn)稱“VOCs”）會(huì)引發(fā)光化學(xué)過程，生成臭氧和細(xì)顆粒物等污染物，造成環(huán)境污染和空氣質(zhì)量不斷下降，VOCs治理成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。

油氣回收技術(shù)在環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用，通過控制VOCs排放，達(dá)到減少空氣污染和溫室氣體排放的目的，從而提高空氣質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)。此外，油氣回收技術(shù)還助于保護(hù)有限的石油和天然氣資源[3]。

1VOCs治理工藝技術(shù)

現(xiàn)階段，廣泛用于VOCs治理的技術(shù)主要分為回收技術(shù)和消除技術(shù)兩類?；厥占夹g(shù)包括吸收法、吸附法、冷凝法和膜分離法等方法，旨在從有機(jī)廢氣中回收有價(jià)值的化合物，減少其對(duì)環(huán)境的影響。消除技術(shù)主要有燃燒法、等離子體法、生物法和光催化氧化法等方法，通過不同的物理、化學(xué)或生物過程，將VOCs徹底分解或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)廢氣的有效清除。

1.1回收技術(shù)

1.1.1吸收技術(shù)

吸收技術(shù)利用低揮發(fā)性或不揮發(fā)性液體作為吸收劑，根據(jù)廢氣中各成分在吸收劑中的溶解度或化學(xué)反應(yīng)特性的差異，將廢氣中的有害成分吸附到吸收劑中，從而實(shí)現(xiàn)凈化效果[4]。對(duì)于VOCs的處理，常常采用物理吸收的方式，基于有機(jī)物的相容性原則，使有機(jī)物從氣態(tài)階段吸附到液態(tài)階段，從而將廢氣中的有害成分分離出來。經(jīng)過處理后的吸收液經(jīng)解吸處理，使有機(jī)化合物被回收，使吸收劑得以再生利用。

吸收技術(shù)在處理VOCs時(shí)具有廣泛應(yīng)用，例如在天然氣中凈化VOCs、回收焦油副產(chǎn)物、油氣回收等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。這種方法能夠有效地將有機(jī)廢氣中的有害成分轉(zhuǎn)移到液相中，從而實(shí)現(xiàn)廢氣的凈化和資源的回收。

1.1.2吸附技術(shù)

吸附技術(shù)是一種利用固體吸附劑對(duì)氣體混合物內(nèi)部各種成分具有不同選擇性吸附特性的原理，用以分離該氣體混合物的方法[5]。在吸附過程中，氣態(tài)污染物被吸附劑表面的固體材料捕獲，實(shí)現(xiàn)氣體的分離和濃縮。吸附劑的再生通常采用以下方法：

1）低壓水蒸氣替代再生。通過注入高溫水蒸氣，將吸附劑中的被吸附物質(zhì)替換出來。再生后的高濃度混合物經(jīng)過冷凝分離，從中回收溶劑。

2）熱氣流吹掃再生。運(yùn)用高溫氣流對(duì)吸附劑表面進(jìn)行吹掃，使被吸附的物質(zhì)從吸附劑中解吸出來。再生后產(chǎn)生的高濃度廢氣經(jīng)過冷凝分離，以回收溶劑，或者可以經(jīng)過催化燃燒或高溫焚燒處理。

3）降壓解吸再生。利用負(fù)壓將吸附劑中的被吸附物質(zhì)解吸出來。再生后產(chǎn)生的高濃度有機(jī)物可以通過低溫冷凝和液體吸收等方式進(jìn)行溶劑回收。在工業(yè)領(lǐng)域中，吸附技術(shù)是一種經(jīng)典且常用的氣體凈化方法，被廣泛應(yīng)用于VOCs的處理。

1.1.3冷凝技術(shù)

冷凝技術(shù)采用物質(zhì)在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓的性質(zhì)，通過調(diào)整系統(tǒng)溫度或增加系統(tǒng)壓力，將氣態(tài)污染物冷卻至飽和狀態(tài)的方式，從而使得這些污染物從廢氣中冷凝并分離出來[6]。當(dāng)廢氣中的有機(jī)物濃度達(dá)到一定水平時(shí)，隨著溫度的降低，其蒸氣壓會(huì)急劇上升。冷凝技術(shù)通過降低廢氣系統(tǒng)的溫度，使得有機(jī)物蒸氣逐漸轉(zhuǎn)化為液體，有效地將其從氣態(tài)中分離出來。冷凝技術(shù)盡管對(duì)高濃度有機(jī)溶劑蒸氣的處理效果較好，但通常需要與其他技術(shù)相結(jié)合，以達(dá)到更高的凈化效率和經(jīng)濟(jì)性。

1.1.4膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)利用氣體在膜材料中的滲透和擴(kuò)散行為，基于不同氣體分子的大小、極性和親和力等特性，通過施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使氣體分子在膜中的穿透速率有所不同，從而實(shí)現(xiàn)氣體分子的分離[7]。膜分離技術(shù)選擇合適的膜材料至關(guān)重要，因?yàn)槟げ牧喜粌H需要具有高透氣性，還需要具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性，以及適合成膜加工的特性，可以根據(jù)不同的氣體組分和分離目標(biāo)來定制，以實(shí)現(xiàn)高效、選擇性的氣體分離。

1.2消除技術(shù)

1.2.1生物技術(shù)

生物技術(shù)是近年來嶄新的有機(jī)廢氣凈化方法，通過培養(yǎng)經(jīng)過適應(yīng)的微生物，利用其新陳代謝過程將廢氣中的污染物作為碳源和氮源進(jìn)行分解，將有機(jī)物和無機(jī)物轉(zhuǎn)化為環(huán)保的H2O和CO2，從而有效地凈化工業(yè)廢氣。盡管生物方法在有機(jī)污染物降解速率中相對(duì)較慢，主要適用于低濃度廢氣，且微生物對(duì)有機(jī)物消化具特異性，限制了其處理多種有機(jī)氣態(tài)物質(zhì)的能力，但在有機(jī)廢氣凈化領(lǐng)域，尤其處理低濃度有機(jī)廢氣，生物技術(shù)仍有巨大潛力。

1.2.2燃燒技術(shù)

燃燒技術(shù)利用VOCs的可燃性，在適當(dāng)?shù)臏囟群脱鯕鈼l件下，將VOCs氧化為H2O和CO2的過程，從而實(shí)現(xiàn)廢氣的凈化[8]。燃燒技術(shù)可以分為催化氧化和直接燃燒兩種主要形式。催化氧化方式是在催化劑的作用下，VOCs在相對(duì)較低的溫度下發(fā)生氧化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)VOCs的高效氧化，減少能量消耗和NOx等氮氧化物的生成。催化氧化通常適用于VOCs濃度較低、連續(xù)穩(wěn)定的工況。直接燃燒方式是將VOCs在高溫下直接氧化成H2O和CO2的方法，通常在750～850℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

1.2.3催化氧化技術(shù)

催化氧化技術(shù)利用輔助熱源和氧化過程中產(chǎn)生的熱量，將有機(jī)廢氣加熱至300～450℃的溫度范圍。在催化劑的催化作用下，有機(jī)廢氣中的可燃有機(jī)污染物在氧化過程中被轉(zhuǎn)化為無害的CO2和H2O，隨后通過排氣管道排放到大氣中。該技術(shù)利用熱源和催化劑的協(xié)同作用，將有機(jī)廢氣中的有害成分高效氧化轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)并釋放熱能，去除率通常高于97%，不僅在操作中不會(huì)引起二次污染，還可以實(shí)現(xiàn)能量自給[9]。

2工藝技術(shù)組合分析

2.1吸收+吸附

吸附操作會(huì)釋放熱量，從而導(dǎo)致吸附床層可能升溫，易影響吸附劑使用壽命。吸收過程是一個(gè)氣液傳質(zhì)過程，整個(gè)過程需要吸收液通過循環(huán)泵不停地循環(huán)，以達(dá)到充分吸收尾氣的作用，因此能耗較大。設(shè)備使用壽命一般可達(dá)10年以上，吸附劑使用壽命一般為6～8年[10]。

2.2冷凝+吸附

該技術(shù)前段工藝采用深冷，溫度可達(dá)-75℃，進(jìn)入吸附工段時(shí)的油氣溫度較低，避免了吸附床層溫升造成的吸附劑失活風(fēng)險(xiǎn)，冷凝溫度很低，對(duì)于熔點(diǎn)低的物系，尤其是汽油（熔點(diǎn)<-60℃），容易出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象，因此需要設(shè)置雙管路進(jìn)行切換。在操作過程中，設(shè)備所產(chǎn)生的全部制冷能被有效回收利用，用于克服油氣的汽化熱，將油氣轉(zhuǎn)化為可回收的油，不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)，還帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。整套設(shè)備使用壽命一般可達(dá)10年以上，吸附劑使用壽命一般為

6～8年[10]。

2.3冷凝+催化氧化

該技術(shù)前段工藝采用淺冷，進(jìn)入吸附工段的油氣濃度仍較高，高濃度油氣可能脈沖引發(fā)催化劑“飛溫”和稀釋閃爆，將高濃度的油氣經(jīng)過低溫冷凝處理后，通過油泵輸送至根據(jù)用戶需求指定的儲(chǔ)油罐中，不凝氣進(jìn)入催化氧化系統(tǒng)完全銷毀。當(dāng)有油氣時(shí)可以停止電加熱器，但由于是間歇操作，需要電加熱器不斷啟停，因此能耗較高。整套裝置使用壽命可達(dá)20年以上，催化劑使用壽命一般為5～8年[10]。

3冷凝+吸附油氣回收技術(shù)應(yīng)用

國內(nèi)某煉油廠新建1套處理規(guī)模1600 Nm3/h的油氣回收處理裝置，擬采用冷凝+吸附油氣回收工藝技術(shù)。

廢氣通過氣相支管進(jìn)入阻火器，然后匯總至總管，并通過汽液分離器分開液體和氣體。氣體經(jīng)由防爆風(fēng)機(jī)送入油氣處理裝置的冷凝單元。風(fēng)機(jī)和壓力傳感器聯(lián)鎖，通過自動(dòng)變頻運(yùn)行來調(diào)整排氣量。

在冷凝單元，廢氣在被冷卻的同時(shí)與已經(jīng)冷凝處理的氣體進(jìn)行回?zé)峤粨Q，接著進(jìn)入多級(jí)冷凝過程。首先，通過前置換熱器進(jìn)行預(yù)冷，然后進(jìn)入一級(jí)冷凝器進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻。其次，廢氣進(jìn)入二級(jí)和三級(jí)冷凝器后進(jìn)一步冷卻，使大部分的有機(jī)化合物液化析出。最后，經(jīng)過回?zé)峤粨Q回到接近常溫。

未凝結(jié)的氣體進(jìn)入吸附系統(tǒng)，通過兩個(gè)交替工作的吸附罐進(jìn)行吸附和解析過程。在常壓下，一個(gè)吸附罐進(jìn)行吸附，當(dāng)其飽和后，系統(tǒng)切換至另一個(gè)吸附罐，同時(shí)進(jìn)行解析。吸附過程使有機(jī)物被捕獲，解析過程釋放這些有機(jī)物。交替使用確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

未凝結(jié)的氣體經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮，并在冷凝過程中進(jìn)一步降溫，然后進(jìn)入膜分離器進(jìn)行分離。膜將氣體分為富集流（滲透氣）和貧化流（尾氣）。貧化流進(jìn)入后續(xù)的活性炭吸附單元進(jìn)一步處理，而滲透氣被循環(huán)回膜系統(tǒng)再次分離。

整個(gè)處理過程使廢氣去除率超過97%，達(dá)到了GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，尾氣則從排氣筒排放到大氣中。

4冷凝+吸附油氣回收工藝技術(shù)安全性分析

冷凝+吸附油氣回收工藝技術(shù)在廢氣處理領(lǐng)域備受關(guān)注，然而其安全性也是一個(gè)不容忽視的議題。工藝中存在高濃度油氣的處理，可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，確保設(shè)備的密封性以及采用防爆設(shè)計(jì)是不可或缺的步驟，以減少可燃?xì)怏w的泄漏和積聚，進(jìn)而降低火災(zāi)和爆炸的潛在危險(xiǎn)。吸附過程涉及廢氣中的油氣被吸附劑捕獲，可能導(dǎo)致吸附床層產(chǎn)生高溫，必須采用有效的溫控措施，確保床層溫度穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，防止過熱引發(fā)操作風(fēng)險(xiǎn)。催化劑的選擇也是關(guān)鍵一環(huán)，合適的催化劑需要同時(shí)具備穩(wěn)定性和反應(yīng)性，且不會(huì)引發(fā)異常反應(yīng)，以保障工藝的安全運(yùn)行。此外，冷凝+吸附技術(shù)較為成熟，在國內(nèi)石油化工領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，已有上百套應(yīng)用業(yè)績(jī)，如汽油裝車廢氣、苯儲(chǔ)罐廢氣、原油儲(chǔ)罐廢氣等處理，均可以達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠的要求。

5結(jié)論

本文通過三種組合油氣回收技術(shù)工藝對(duì)比分析，并以某煉油廠為實(shí)例，對(duì)冷凝+吸附油氣回收技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對(duì)該技術(shù)路線的安全性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1）高效排放控制：冷凝+吸附技術(shù)結(jié)合了冷凝和吸附過程，能夠同時(shí)去除有機(jī)氣體中的揮發(fā)性VOCs和油氣成分，具有高效性，減少了有害物質(zhì)的釋放。

2）全面廢氣處理：該技術(shù)可以應(yīng)對(duì)多種類型的有機(jī)廢氣，包括不同成分和濃度的VOCs。冷凝過程能夠?qū)U氣中的有機(jī)成分冷凝為液體，吸附過程則能去除冷凝后殘留的微量有機(jī)物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)全面的廢氣處理。

3）資源回收與節(jié)能：通過冷凝，有機(jī)廢氣中的石油和天然氣成分可以被回收利用，從而最大限度地減少資源浪費(fèi)。此外，冷凝過程中釋放的熱量可以用于預(yù)熱廢氣，達(dá)到節(jié)能效果。

4）減少氣體逸失：通過冷凝，有機(jī)廢氣中的氣體可以被冷卻成液體，從而減少氣體的逸失，這不僅有利于廢氣處理效率，還減少了有機(jī)氣體在排放過程中的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

5）安全可靠性：冷凝+吸附技術(shù)較為成熟，在國內(nèi)石油化工領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，充分考慮了泄漏、火災(zāi)、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，并通過合理的工藝流程、設(shè)備選擇、操作措施，確保了廢氣處理過程的安全性和穩(wěn)定性。

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【作者簡(jiǎn)介】

潘太星，男，1989年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榛ぴO(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)、安全技術(shù)服務(wù)。

吳秋華，女，1990年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榛ぴO(shè)計(jì)、安全管理。

戚作秋，男，1979年出生，正高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)榘踩夹g(shù)服務(wù)、安全評(píng)價(jià)、特種設(shè)備安全等。

李蓉華，女，1979年出生，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)榘踩夹g(shù)服務(wù)、安全評(píng)價(jià)、特種設(shè)備安全等。

（編輯：李鈺雙）