地下水封岩洞原油库油气处理方案的探讨

地下水封岩洞原油库油气处理方案的探讨第32卷第4期石油工程建设

杜华章,毕加宾2张庆征2,姜志兵2

(1.中石化管道储运分公司南京输油处,江苏南京210046;2.中石化管道储运分公司,江苏徐州221008)

摘要:地下水封岩洞储备技术,是建设国家石油储备库的优选方案,然而,原油进库产生的油

气会对洞库正常安全运行产生一定的影响,直排到大气中不仅浪费石油资源,还会对环境造成污

染.文章针对地下水封岩洞原油库油气产生的特点,通过对3种油气处理方案进行分析对比,确

定了一个较好的方案.认为采用活性炭吸附回收油气方案,与提高洞库的设计压力,加大洞库容

积方案以及设置火炬燃烧油气2种方案相比,在经济性,可行性,适用性,安全环保性等方面具

有综合优势.文章还着重介绍了活性炭吸附油气的工艺流程.

关键词:岩洞原油库;油气处理;方案;活性炭吸附

中图分类号:TE972.02文献标识码:A文章编号:1001—2206(2006)04—0023—03

O引言

地下水封岩洞储备技术的开发已有50多年的

历史,国外建成的地下水封岩洞库,已成功地应

用于储存原油,石油产品,LPG以及重质燃料油

等.我国于20世纪70年代开始研究和建造地下

水封岩洞油库,曾先后在浙江象山和山东黄岛成

功建成1座4万m成品油库和1座15万m原油

库.受当时环境和技术条件的限制,所建油库单

洞室容积小,单位库容建设成本较高,同时这两

座油库均用作中转油库,进出油作业频繁,呼吸

损耗较大,没能充分显示出地下水封岩洞储备技

术的优越性,因此该技术在我国没有得到进一步

的应用与发展.

随着地下水封岩洞储备技术在国外的开发和

应用,建设技术日益成熟,采用地下水封岩洞储

备原油,具有投资和运营成本低,维护简单,使

用寿命长,安全环保,节省占地,不破坏自然景

观等优点,因此该技术近年来得到国内相关行业

的重视,并将其作为建设国家石油储备库的优选

方案之一.

1水封岩洞原油库中油气特点及油气处理的重要性

(1)组成水封岩洞原油库的洞罐受自身结构

的限制,其容积基本不可调整.且由于洞罐容积

一

般较大,所储存原油多为低凝轻质原油,因此

在洞罐进出油作业过程中将产生大量油气,尤其

是在进油作业时,油气挥发量更大,如果不及时

疏导油气,会导致洞罐的储存压力增加,当压力

大于设计压力时,就会影响洞库水封效果.

(2)地下水封岩洞原油库的洞罐都设计在地

下水位以下,距地表较深,在无进出油作业时,

库内温度场基本稳定.当油气与原油一起封存在

洞罐内时,油气达到饱和状态后,油气量维持不

变,油气压力基本不变,所以在洞罐中静止储存

原油损耗较小.

(3)地下水封岩洞原油库一般适于用作储备

库,原油周转频率较低,因此油气外排的频率相

应较低,具有间断性.

基于以上特点,可知地下水封岩洞原油库的

油气一般为间断性集中大量产生,间断周期长,

若将这些油气直排到大气中,会损耗大量的原油

资源,同时由于这些油气中含有氢烃,芳香烃和

硫化物等有害物质,污染大气,危害人体健康,

甚至会产生安全事故.因此对地下水封岩洞原油

库油气的处理和回收十分重要.

2地下水封岩洞原油库油气处理方案

目前,地下水封岩洞原油库油气的处理有3

种方案:一种是提高储存压力,加大气体空间容

积,使得在操作过程中油气不外排,这种方式在

欧洲国家的地下原油库中比较常见,各个洞罐相

互连通,总有一定量的空库容用于储存油气,这

石油工程建设2006年8月

种储备库通常兼作商业中转库.另一种是将油气

引导到安全位置,并设置火炬烧掉,韩国的地下

原油洞库均采用这种方式.此外还可以采用油气

回收设施,将油气大部分回收,在满足安全环保

的情况下将只有少量的轻烃排至大气中.

2.1方案一:提高洞罐设计压力,加大洞罐容积

地下水封岩洞是借助地下水向洞中渗透来实

现密封的,因此地下水封岩洞必须建在稳定的地

下水位线以下,只有洞库周围地下水的压力大于

洞内介质的压力时,才能实现水封效果.洞罐中

油气的挥发量与温度,压力,油品的物性有关,

当油品确定,温度变化不大时,油气的压力与洞

罐的净容量成反比关系.因此,可以通过提高地

下洞罐的设计压力或加大洞罐容积的方式来封存

油气.

提高地下洞库的设计压力,为满足水封条件

的要求,就必须加深洞罐设置的深度,相应的施

工巷道也要加长.当地下水封岩洞原油库的选址

确定后,库址的自然条件,地质条件决定了每个

洞室的宽度和高度,为了封存油气而扩大油库的

容积时,需要增加洞室的长度,因此,无论是提

高洞罐设计压力还是增加其容积,都会增加工程

量,施工难度,工程投资和建设风险.

以建设一座300万m的原油库(进油流量

4200m3/h,储存设计压力为O.1MPa)为例,为

了使洞罐进油产生的油气不外排,须将洞库的设

计压力由O.1MPa提高到O.2MPa,容积提高约

42.5%,共需增加投资约2.7亿元.此外油气要占

用洞库的大量空间,从而减少了洞库容积的有效

利用率,严重影响地下水封岩洞储存原油的经济

效益.但是该方案能够较好地解决地下水封岩洞

油库进油作业时油气处理问题,而且能耗小,工

艺可靠,安全环保,节约原油资源.

2.2方案二:设置火炬燃烧油气

设置火炬,使原油进洞罐产生的油气混合气

体经集气管进入火炬排放燃烧,从而减少油气带

来的污染和危害.该方案的优点是投资少,简单

易行,维护费用较低,但是会浪费大量原油资源,

以1座30o万m3的原油洞库(进油流量4200m3/h,

储存设计压力为O.1MPa)为例,每当洞库的原油周

转一次,因油气损耗导致的原油损失约为2087t【l_,

按照国际原油参考价格6O美元/桶计算,折合人

民币约710万元.此外油气燃烧后含有硫化物的

气体直接排放到大气中,仍会污染环境.

2.3方案三:设置油气回收装置

设置一套油气回收装置,回收地下洞罐进油

时产生的油气.目前油气回收有活性炭吸附法,

溶剂吸收法,膜分离法和冷凝法等几种方法[2],这

几种方法在国内外一些炼油厂和成品油的装车设

施中都有采用.下面分别介绍.

2.3.1溶剂吸收法

溶剂吸收油气工艺,通过油气与液体吸收剂

接触,气体中的烃类物质溶解于吸收剂中,不能

溶解的组分则保留在气相中,从而实现油气分离.

该工艺回收率较低,目前最高回收率为90%,存

在二次污染问题,而且该工艺不适合于间歇作业,

目前没有处理大流量油气能力的成熟装置,因此

不宜应用于处理地下水封岩洞原油库的油气.

2.3.2冷凝法

冷凝法回收油气工艺,通过低温冷凝将油气

分离出来,但单纯的制冷剂冷却,只能使排放的

尾气浓度降到35mg/L,按照环保要求需对尾气作

进一步处理,常采用液氨冷却工艺作深度处理[2].

该工艺对制冷设备的选材要求比较严格,操作要

求,运行及维修费用,能耗及投资都比较高翻,同

时冷凝法回收油气装置运行时,会产生一定量的

含油污水需要另行处理.

2.3.3膜分离法

膜分离工艺,将洞库中的油气经加压后送至

膜分离器,在有机物选择性薄膜上,油气比空气

具有更高的穿透性,含烃气体被分离成富油气穿

透物流和贫油气滞留物流.富油气物流中的油气

再被油品吸收下来,贫油气滞留物流作为净化气

体排放.膜分离法能够满足油气回收处理要求,

回收率可达95%以上,对环境不存在二次污染问

题,但是设备造价昂贵,回收油气的能力受限制,

适用于加油站,成品油装卸等场合.

2.3.4活性炭吸附法

活性炭吸附法利用活性炭的物理吸附特性吸

附油气,该方案的工艺相对简单,油气回收尾气

含烃量不超过10g/m,回收率可达98%,而且能

较好地满足环保要求.7O年代在美国开始应用,

现已在世界范围内广泛应用,吸附法是油气回收

主要工艺方案之一.

第32卷第4期杜华章等:地下水封岩洞原油库油气处理方案的探讨

以处理1座300万m的原油洞库(进油流量

4200m3/h,储存设计压力为0.1MPa)的油气为

例,设置一套活性炭吸附法油气处理装置的一次

性投资约2000万元.

通过对方案三的4种油气回收方法的比较可

以看出,活性炭吸附法在经济性,可行性,适用

性,安全环保性等方面具有综合优势.

3活性炭吸附法的工艺流程

下面着重介绍活性炭吸附工艺,该工艺流程

见图1.

气体外排进库原油

罐

图1活性炭吸附法油气回收工艺习iE程

原油进洞罐产生的油气混合气体经集气管进

入油气回收装置.该装置设置两个活性炭吸附罐,

一

个通过阀门连接在油气进入管上,处于”吸附”

状态,另一个则通过真空泵进行炭床的”再生”.

两个活性炭吸附罐同时工作,保证对油气的及时

处理,当一个活性炭吸附罐在吸附油气中烃的同

时,另一个活性炭吸附罐在把上阶段所吸附的烃

通过真空泵排出;当第一个活性炭吸附罐达到饱

和后,转入”再生”阶段,而之前已排空的活性

炭吸附罐进入下一个吸附阶段,从而实现连续运

行.真空泵排出的油气经过气/液分离罐分离液体

后,油气进入吸收塔,大部分油气被从塔顶喷淋

的原油吸收,而含有少量油气的尾气经吸收塔顶

部排出,重新进入吸附炭床.吸收了烃气的富油

和从油气分离罐中分离的液体一起经过吸收油泵

送回原油洞罐.

在这一过程中,油气进入活性炭吸附罐后,

油气中的烃类组分被活性炭吸附在孔隙中,其他

尾气透过炭层,由吸附罐顶部排放口通过阻火器

或排放筒排至大气.当吸附罐的炭床达到饱和后

就转入解吸再生阶段,由解吸真空泵对其抽真空,

使吸附在活性炭中的烃类脱离出来进入真空泵.

在解吸最后阶段,即深度真空再生阶段,从炭床

顶部引入氮气反向吹扫床层,可以脱出更多的烃

类,提高炭床的再生率.

近年来活性炭纤维(activatedcarbonfiber,简

称ACF)作为一种新型高效吸附材料迅速发展并

得以广泛应用.ACF微孔含量在90%以上,孔径

在1～2nm,孔径分布窄,比表面积可达到1000～

3000mVg.ACF用作吸附剂时与普通活性炭相比,

具有吸附容量大,吸附速度快,解吸快,再生率

高,便于使用等优点[2].将ACF应用到油气回收领

域中,为油气吸附回收技术的推广提供了一种工

艺性能优异的材料,可以得到更理想的油气回收

效果.

4结论

经过对以上3种油气处理方案的分析,可知

这3个方案都能够在不同程度上满足地下水封岩

洞原油库的油气处理要求,而且各具特点:方案

一

投资最大,但能可靠地处理油库中的油气问题,

能耗最小,安全环保,比较适合于商业周转库或

者进出油作业频繁的油库;方案二简单易行,工

艺可靠,投资最少,但资源浪费严重,不利于环

保,较适用于所储油品长期不周转的油库;方案

三中采用活性炭吸附回收油气的方法,工艺合理,

在投资上比方案一具有十分明显的优势,在节约

资源,安全环保方面比方案二有优势,设旌运行

维护的费用与其使用频率有关,如果储存原油周

转频率小,则这部分费用很少.

综上所述,对于大型地下水封岩洞原油库的

油气处理,为了减少工程投资,节约原油资源,

采用活性炭吸附工艺是一个比较好的选择.

参考文献:

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