加油站分散式油气回收工艺的研究.pdf

加油站分散式油气回收工艺的研究 * 周昊黄维秋饶原刚 常州大学江苏省油气储运技术重点实验室， 江苏 常州 213016 摘要 针对加油站油品蒸发损耗及降耗工艺应用问题， 提出新的油库与加油站“分散式油气回收工艺” ， 建立了其经济 模型， 推导出系统的计算公式， 并就某城市加油站分散式油气回收系统进行了具体的经济评价计算。并将计算结果同 传统的加油站油气回收系统的经济计算结果进行了比较， 比较结果表明 分散式油气回收工艺较传统的加油站油气回 收系统具有更好的经济效益。该工艺既实现了加油站油气蒸发损耗控制， 减轻了加油站油气回收投资压力， 又达到了 油库油气回收规模效益， 体现出明显的经济效益和社会、 环境效益， 为油库与加油站整体降耗工艺提出一个新思路。 关键词 加油站; 油库; 油气回收; 数学模型;经济评价 RESEARCH ON DECENTRALIZED VAPOR RECOVERY PROCESS FOR GASOLINE DEPOT AND FUEL STATION Zhou HaoHuang WeiqiuRao Yuangang Jiangsu Key Laboratory of Oil － Gas Storage and Transportation Technology， Changzhou University，Changzhou 213016，China AbstractAiming at the problems on evaporation losses and vapor recovery technology in a fuel station，a new decentralized vapor recovery process for gasoline depot and fuel station was put forward．In the same time its economic models were established，some systemic ula were deduced and the economic uation calculation to a certain citys decentralized vapor recovery process for gasoline depot and fuel station was carried out． The computed results were compared with those of the economic calculation of a traditional fuel station vapor recovery system． It was indicated by comparison that the decentralized vapor recovery process for gasoline depot and fuel station had more remarkable economic efficiency than the traditional fuel station vapor recovery system． The new process not only achieved the purpose of evaporation loss control at fuel station but also reduced the pressure of investment for vapor recovery equipments． What’ s more it achieved economies of scale in the gasoline depot vapor recovery． The new process had remarkable economic，social and environmental benefits． It was also proposed a new idea of vapor loss reduction for gasoline depot and fuel station． Keywordsfuel station;gasoline depot;vapor recovery process;mathematical model;economic uation * 江苏省科技攻关计划资助项目 BE2007070 。 0引言 伴随着油气回收技术的发展及环保意识的增强， 越来越多的加油站开始使用油气回收系统处理加卸 油过程中挥发出来的油气 ［1- 4］。加油站油气回收实施 方案可分为三个阶段， 即一阶段油罐车卸油油气回 收、 二阶段加油机加油油气回收和三阶段加油站油气 回收装置油气回收 ［5］。该类油气回收实施方案中第 三阶段加油站油气回收装置又被称为加油站油气回 收后端处理装置， 现有的加油站后端处理装置主要为 就地式的油气回收处理装置。本文探讨另一类油气 收集回收方法， 可称为“分散式油气回收工艺” ， 即将 加油站排放出来的油气经第一、 第二阶段的平衡回收 后多余的油气通过设置简单的收集模块进行收集， 再 将各加油站收集到的油气送到油库油气回收处理中 心进行集中回收。 “分散式油气回收工艺” 是由油库端油气回收装 置和加油站端油气收集模块两大部分组成， 其设计思 路为 在油库已添置油气回收装置的基础上， 在加油站 分别添置油气收集模块 而不是回收装置 ， 再将从加 油站收集到的油气输送至油库油气回收装置进行统一 回收以实现油气回收规模效益， 其流程见图 1。 48 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 图 1加油站分散式油气回收工艺示意 1加油站分散式油气回收工艺技术分析 1. 1加油站端油气收集模块 油气收集模块示意如图 1 中所示。地下储油罐 与油气收集模块连通， 不间断进行收集。吸附饱和的 油气收集模块可送至油气回收中心集中进行解吸和 油气回收。解吸后的油气收集模块将再次被运送回 加油站以重复使用。考虑到在油气收集模块的运输 过程中的安全等问题， 油气收集模块宜采用类似活性 炭、 硅胶等吸附材料或其混合吸附剂填充。 油气收集模块使用灵活、 方便， 具有以下特点 1 配置灵活 加油站可根据其油气排放量灵活 配置适当数目的油气收集模块。 2 操作方便 单个油气收集模块可由进气阀控 制其开关。当油气挥发量较小时， 可只开启一个收集 模块进行吸附， 当其收集饱和后再开启另一个模块; 当油气挥发量较大时 例如 油罐 车 向 地下油 罐卸 油 ， 可同时开启多个收集模块进行吸附。 3 自动报警 当油气收集模块吸附接近饱和时 可根据尾气烃浓度检测仪或设定的累积吸附时间 判定 ， 将会提示工作人员及时更换。 4 高压保护 经吸附净化后的尾气可在达到预 定压力和排放指标后于高空排放， 以防止油气收集模 块内部压力过高。 5 便于更换吸附材料 当模块中吸附材料达到 使用寿命， 可方便更换新材料。 6 装卸便捷， 便于运输。 1. 2油库端油气回收工艺 “分散式油气回收工艺” 中油库端回收工艺可采 用“吸收 吸附” 或“冷凝 吸附” 集成工艺的油气回 收装 置， 其 技 术、 经 济 可 行 性 已 在 应 用 中 得 到 论 证 ［6- 7］。该油气回收装置处理的油气来自两部分 一 部分是来自油库油罐区和装油区的油气; 另一部分是 通过油气收集模块从加油站输送过来的油气。 考虑到来自加油站的油气收集模块数量较多， 为 了提高油库油气回收装置的处理效率， 可以在其解吸 罐处增加一个油气入口线路。该线路上设置多个快 速接口， 以便根据需要连接多个油气收集模块进行解 吸。油气收集模块中的油气需先通过一个缓冲罐进 行缓冲， 之后进入油气回收装置的解吸环节， 该流程 如图 2 所示。同时， 油库需添置带有油气收集模块装 卸工具的运输车， 以满足油气收集模块的运输需要。 图 2分散式油气回收工艺油气回收 系统解吸环节流程示意 2加油站分散式油气回收工艺经济可行性分析 “分散式油气回收工艺” 的经济可行性问题可归 纳为 在一个城市， 如何确定一个油气回收中心的处 理量 投资大小 以满足其服务范围内的所有加油站 的油气回收需求， 并实现油气回收中心与加油站的整 体效益最大化。 2. 1加油站分散式油气回收系统总投资 加油站分散式油气回收系统总投资包括加油站 端的投资和油库端的投资。 加油站端投资主要包括两部分 油气收集模块投 资和加油站改造费用。油气收集模块投资大小主要 取决于加油站年均油气损耗质量。 油库端投资主要由以下几部分组成 油气回收装 置的升级费用、 添置输气管线和缓冲罐的费用、 油库 工程改造费用、 添置带有油气收集模块装卸工具的运 输车辆费用等。 当在油气回收处理中心服务范围内的加油站数 量超过其原有油气回收装置处理能力时， 需对原有回 收装置进行处理量升级。否则， 则没有油气回收装置 的升级费用。原有油气回收装置可通过延长工作时 间来处理来自加油站的油气。 2. 1. 1油气收集模块年均油气收集量 G 经推导， 对于恒温恒压油罐体系， 从油罐口排放 58 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 油气和空气的混合气总体积与进油总体积比 λ 可近 似由式 1 估算 λ 100 － C0 100 －珔C 1 式中C0 油罐进油前的初始油气体积分数， ; 珔 C 油罐收油期间， 从油罐口以平均油气 摩尔分率排放的油气体积分数平均 值， 。 由于油罐装油前初始油气饱和度较低， 因此对于 恒温恒压油罐体系， 该体积比 λ 将大于 1。文献［ 8］ 对汽油装油过程该体积比 λ 进行了系统的测试。结 合加油站的实际情况， 本文在计算第一阶段油气回收 时， 取 λ1 1. 2; 第二阶段油气回收时， 取 λ2 1. 3。 由于油罐车和地下储油罐均是常压油罐， 加油站两阶 段油气回收只能将与卸油量或加油量等体积的油气 收集至油罐车或地下储油罐， 因此油气回收两阶段分 别有体积比为 0. 2 和 0. 3 的油气空气混合气由地 下储油罐排放至大气中。 加油 站 第 一 阶 段 油 气 回 收 系 统 回 收 率 可 达 95 ， 第二阶段油气回收系统回收率约为 90 ［2］。 综上， 油气收集模块所收集到的油气占加油站总油气 损耗体积的 46 。 油气收集模块年均油气收集量可由式 2 计算 G Q珔C ρ 100 －珔C MP ZRT v1 η1 v2η2 2 式中G 加油站油气收集模块年均油气收集量， kg; Q 加油站年汽油经营量， kg; ρ 汽油密度， kg/m3; M 平均油气摩尔质量， kg/mol; P 标准大气压， Pa; Z 平均油气压缩因子; R 气体常数， R 8. 31 J/ molK ; T 气体空间温度， K; v1 加油站第一阶段油气回收系统回收油 气气液体积比; η1 加油 站 第 一 阶 段 油 气 回 收 系 统 回 收 率， ; v2 加油站第二阶段油气回收系统回收油 气气液体积比; η2 加油 站 第 二 阶 段 油 气 回 收 系 统 回 收 率， 。 2. 1. 2油气收集模块理论体积 V 油气收集模块理论体积可由式 3 计算 V Q珔C ρ 100 －珔C MP ZRT v1η1 v2η2 qρ吸附剂N 3 式中V 油气收集模块理论体积， m 3; q 吸附剂吸附量， kg/kg; ρ吸附剂 吸附剂密度， kg/m 3; N 油气收集模块年周转次数， 次。 2. 1. 3加油站分散式油气回收系统总投资 加油站分散式油气回收系统总投资可由式 4 计算 Y Y加油站端投资 Y油库端投资 a n ρ吸附剂ws1 ls2ρ钢材 V x kGx b c d 4 式中Y 加油站分散式油气回收系统总投资， 万 元; a 加油站工程改造费用， 万元 /座; n 平均每个加油站配置常用油气收集模块 数量 包括备用油气收集模块 ， 个; V 油气收集模块实际体积，V 的优化值， m3; w 油气收集模块吸附剂填充系数; l 油气收集模块制作成本系数; s1 油气收集模块所填充吸附剂价格， 万元 / kg; s2 油气收集模块钢材价格， 万元 /kg; ρ钢材 油气收集模块钢材密度， kg/m 3; k 随着油气回收装置处理量增加， 回收装置 投资增长系数; x 单个油库油气回收中心对应加油站的数 目， 座; b 添置输气管线和缓冲罐费用， 万元; c 油库工程改造费用， 万元; d 油气收集模块运输车费用， 万元。 2. 2加油站分散式油气回收系统运行成本 加油 站 分 散 式 油 气 回 收 系 统 运 行 成 本 可 按 式 5 计算 Y1 xc0 c1 c2 c3 5 式中Y1 系统运行成本， 万元 /a; c0 单个加油站吸附剂的更换费用， 万元 / 座a ; c1 系统年耗水、 电成本， 万元 /a; 68 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 c2 操作人员年工资成本， 万元 /a; c3 油气收集模块的运输费用， 万元 /a。 2. 3加油站分散式油气回收系统整体经济评价 2. 3. 1分散式油气回收工艺年收益 本文中“分散式油气回收工艺” 年回收收益只考 虑集中处理来自加油站的油气而得到的收益。在一 个城市中， 不同加油站的年经营量不同， 油气蒸发损 耗量也不尽相同， 因此其回收收益也不同。为简化模 型， 加油站年均油气收集量 G 可取其平均值进行计 算。因此， “分散式油气回收工艺” 年回收收益可由 式 6 计算 Y2 ηGxs 6 式中 Y2 加油站分散式油气回收系统年回收收 益， 万元 /a; η 油气回收装置总回收率， ; s 汽油价格， 万元 /kg。 2. 3. 2计算系统静态投资回收期 t 系统静态投资回收期可由式 7 计算 不考虑税 及占地费用等因素 t 1 － i Y 1 － h y2－ y1－ jY t1 7 式中 t 系统静态投资回收期， a; t1 工程建设期， a; h 企业管理成本、 销售成本占销售额的百分 数， ; i 净残值率， ; j 年修理费率， 。 3加油站分散式油气回收工艺经济评价算例 3. 1某市加油站分散式油气回收系统经济评价结果 以某城市为例， 进行该城市加油站分散式油气回 收系统整体经济评价。 计算所需基本参数及其取值为Q 8 106kg， 珔 C 25 ， P 取101 300 Pa， M 取0. 065 51 kg/mol， Z 取 0. 951， R 取 8. 31 J/ molK ， T 取 293 K， ρ 取 730 kg/m3， v1取 0. 2， v2取 0. 3， η1取 95 ， η2取 90 ， q 取 0. 3 kg/kg，ρ吸附剂取650 kg/m 3 改性硅胶与活性炭混 合吸附剂 ， N 取 52 次 每周更换一次收集模块 。 计算所需经济参数及其取值为w 取 0. 85，s1取 1 10 －3 万元 /kg， ρ钢材取 7. 85 10 3 kg/m3 钢材材质 Q235 － B ，s2取 4. 5 10 －4 万元 /kg， l 取 1. 1， a 取 5 万元 /座，n 取 5 个 3 个常用和 2 个备用 ， 假设油库 原有油气回收装置不需要升级， 取 k 为 0，x 取 200 座，b 取 20 万元，c 取 25 万元，d 取 21 万元。c0取 0. 11 万元 / 座a ， c1取 15 万元 /a， c2取 18 万元 /a， c3取 10 万元 /a， η 取 95 ， s 取 8. 92 10 －4 万元 /kg， h 取 1 ， i 取 5 ， j 取 3 ， t1取0. 25 a。计算采用的 经济参数为工程现场统计数据。 将上述参数代入式 2～ 式 7 可得经济评价计 算结果见表 1。 表 1加油站分散式油气回收系统经济评价结果 经济评 价参数 油气收集模块年均 油气收集量 G /kg 油气收集模块 实际体积 V /m3 单个加油站 端投资 y /万元 系统总投 资 Y /万元 系统运行成本 Y1/万元 年回收收益 Y2/万元 系统静态投资 回收期 t /a 计算结果4 8160. 29. 41 954658162. 96 3. 2加油站后端油气处理工艺比较 加油站后端油气处理工艺主要分为两类 一类是 添置油气回收装置就地进行油气回收; 另一类是在加 油站只负责油气收集， 即本文采用的分散式油气回收 工艺。 据市场数据显示， 现在加油站就地油气回收方法 主要有冷凝法和膜分离法。其回收装置价格平均在 15 万元左右， 加油站改造费用为 5 万元， 因此总投资 为 20 万元。单一的回收方法在油气回收率、 尾气排 放浓度和能耗上均不如集成回收工艺， 这里为了简化 计算假设其回收率 η 也为 95 。同样， 年均经营汽 油 8 106kg的加油站的年均油气回收收益 Y2 约为 3. 8 万元， 加油站就地油气回收装置年运行费用 Y1约 为 1 万元， h、 i、 j 和 t1取值如上所述。将上述参数代入 式 7 可得当加油站采用就地油气回收装置时其系 统静态投资回收期约为 9 年， 而当加油站采用“分散 式油气回收工艺” 时其系统静态投 资回收期约为 2. 96 年， 具有显著的经济效益。 4结论 综上， 分散式油气回收工艺既减轻了加油站油气 回收投资压力， 又达到了油库油气回收规模效益， 并 且经济效益显著。此外， 分散式油气回收工艺降低了 油库与加油站的整体油气排放量， 减少了发生火灾的 危险性， 有利于安全生产， 保护环境， 防止污染， 有利 于人体健康。因此， 分散式油气回收工艺作为油库与 下转第 91 页 78 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 图 3表面过滤与催化过滤原理 与传统技术相比， 二恶英去除率高达 98. 4 ， 且 气态二恶英在低温状态 180 ～ 260 ℃ 可被彻底分解 而不是吸附转移， 不存在二恶英的再次合成和二次污 染， 不需要喷吸附剂或碱性物质， 不需要改造现有设 备， 只需要更换除尘器滤袋， 施工简单方便。 3结语 冶金工业是排放包括二恶英在内的持久性有机 污染物的主要来源之一， 尽管可以采取多种措施， 减 少生产过程中二恶英的产生， 但以目前的技术手段尚 难以完全抑制。因此， 必须认真考虑如何防止生产系 统已生成的二恶英等有机污染物的泄放及其对环境 的污染， 另外还必须注意在减排的前提下考虑节能。 参考文献 ［1］Lehner J，A Friedacher，Gould L， et al． Low-cost solutions for the removal of dioxin from eaf offgas［J］． Iron and Steel， 2004， 39 4 67- 70． ［2］詹茂华． 电炉烟气热管余热回收的除尘系统设计［J］． 环境工 程， 2009， 27 6 60- 62． ［3］周莉菊， 冯家满， 赵由才． 二恶英的毒性及环境来源［J］． 工业 安全与环保， 2006， 32 11 49． ［4］赵树青， 宋薇， 刘晶昊， 等． 我国生活垃圾二恶英污染现状及减 排建议［J］． 环境工程， 2011， 29 1 86- 88． 作者通信处张玉君210019江苏省南京市建邺区富春江东街 18 号中冶华天工程技术有限公司环境事业部 电话 02586991642 E- mailzhangyujun1999 gmail． com 2010 － 12 － 20 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 87 页 加油站油气回收整体降耗工艺具有重大的研究意义 和巨大的发展前景。 参考文献 ［1］陈家庆， 曹建树， 王建宏， 等． 面向加油站的油气回收处理装置 及其关键技术［J］． 环境工程， 2007， 25 1 41- 46． ［2］陈家庆， 王建宏， 曹建树， 等． 加油站的烃类 VOCs 污染及其治 理技术［J］． 环境工程学报， 2007， 1 3 84- 91． ［3］Koch W H．Refueling vapor recovery in the united states［J］． Petroleum Equipment＆Technology，1998 3 26- 30． ［4］U． S． A Environmental Protection Agency． Stage Ⅱ vapor recovery systems issues paper［R］． USAUSA Environmental Protection Agency，2004． ［5］黄维秋， 吕艳丽， 白娟， 等． 加油站油气回收实施方案［J］． 中外 能源， 2009， 14 12 98 － 102． ［6］黄维秋， 徐效梅， 林毅， 等． 基于吸收和吸附的油气回收集成工 艺［J］． 石油化工高等学校学报， 2009， 22 1 56 － 60． ［7］黄维秋， 彭群， 刘君． 加油站油气排放治理技术［J］． 环境工程 学报， 2009， 3 2 327 － 330． ［8］黄维秋， 刘海， 钟璟， 等． 汽油装罐蒸发损耗的研究［J］． 江苏工 业学院学报， 2007， 19 2 30 － 34． 作者通信处周昊213016江苏省常州市常州大学石油工程学院 E- mailzhouhao791012 sina． com． cn 2011 － 01 － 10 收稿 19 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期