氮气在大型地下原油储备库主要用于首次灌装原油前置换地下洞库内的空气, 以及在原油出罐过程中向地下洞库内补充氮气, 保证洞库内的气体有一定的压力, 防止空气进入洞库, 保证油储洞库的安全。
依据某大型地下原油储备库的工艺需求, 氮气注入系统规模为4000Nm3/h, 氮气纯度99.9%, 10年左右运行一次, 每次运行时间约90天。另外距离该大型地下原油储备库20km外有某大型空分装置, 所产氮气富余量可以满足该大型地下原油储备库氮气注入系统的需求。
根据上述条件, 本项目氮气供应方案主要分为自制氮气和依托附近现有空分装置外购两大类, 自制和外购氮气也分别各有不同的方案, 本文将对各种方案进行比选, 选出相对适合本项目的氮气供应方案, 提高系统可靠性, 减少投资, 降低维护操作成本。
目前国内市场上氮气的生产主要有深冷法、变压吸附法和膜制氮三种工艺。下面将对这三种工艺进行比较, 选出最合适的一种工艺作为自制氮气方案, 再与外购氮气方案进行比选。
深冷空分制氮是一种传统的制氮方法, 它是以空气为原料, 经过压缩、净化, 利用热交换使空气液化, 再利用液氧和液氮的沸点不同 (在1大气压下, 前者的沸点为-183℃, 后者为-196℃) 精馏, 使氮氧分离来获得氮气。
深冷法特点是制氮纯度高 (一般在99.99%以上) , 品质好, 制氮量大, 可生产液氮。但是工艺流程长, 设备复杂, 占地大, 工程造价较高;启动时间长 (>12h) , 连续运行时间适用于1年以上, 运行成本较高, 适用于连续不断大量使用高纯度氮气的企业。由于某大型地下原油储备库氮气需求为间断量 (10年运行一次) , 深冷法工艺显然不太适合。
膜制氮法利用空气中的氮气和氧气在膜中的溶解度和扩散系数不同, 在膜两侧压差的作用下, 渗透率较快的水蒸气、氧气等一些气体先透过膜, 成为富氧气体, 而渗透率较慢的氮气则滞留富集, 成为干燥的富氮气体, 从而达到氧氮分离的目的。
膜制氮法的特点是体积小、启动快、流程简单、占地少、氮气压力稳定。但是纯度低、膜易损、工作压力高、运行费用较高, 一般规模较小, 工业应用不多。本项目氮气注入系统规模为4000Nm3/h, 膜制氮法工艺也不太适合。
变压吸附制氮的原理:在一定的压力下, 由于空气动力学效应, 氧和氮在碳分子筛表面上的扩散速率不同, 氧的扩散速率远大于氮。在吸附未达到平衡时, 氧被碳分子筛大量吸附, 氮在气相中得到浓缩富集, 形成产品氮气。由于碳分子筛对氧的吸附容量随着压力的不同而有明显差异, 降低压力, 即可解吸碳分子筛吸附的氧分子, 使碳分子筛再生, 并循环使用。
变压吸附法的特点是氮气纯度可以在95~99.99%调节, 假如需要更高纯度氮气需增加氮气纯化设备。投资低, 流程短, 运行成本低, 操作简单, 占地小, 启动时间较短。
相对于前两种自制氮气方案, 如果需要自制氮气方案, 变压吸附制氮工艺最适合本项目。
空气经压缩机压缩至0.85MPa (G) 并被压缩机后冷却器冷却至约40℃后, 进入空气净化单元除去压缩空气中的尘、水及油雾, 然后进入PSA变压吸附单元。该单元设置2个吸附塔, 1个塔吸附产氮, 1个塔脱附再生, 通过PLC控制切换阀的开关, 使2个塔循环交替。PSA变压吸附单元出来的氮气进入氮气缓冲罐, 然后进入氮气管网。流程示意如下:
主要设备及有关参数详见表1。
主要消耗见表2。
对于某大型地下原油洞库, 变压吸附制氮方案有以下优缺点:
a主要优点:氮气供应稳定;对外依赖程度低, 供应有保障。
b主要缺点:一次投资较高;常年不运行, 设备需要维护;占地面积相对较大。
本项目可依托20km外的某大型空分装置 (其中中压氮气最大产量35000Nm3/h, 液氮产量10500Nm3/h, 完全可以满足本项目用气需求) , 通过管道敷设或者购买液氮汽化, 满足某大型地下原油储备库氮气注入系统需求。
敷设1条从某大型地下原油储备库至某大型空分装置的DN150中压氮气管线, 压力4.0MPa, 常温, 管线长度约26km, 与库外原油管道伴行埋地敷设。
对于某大型地下原油洞库, 管道敷设供氮方案有以下优缺点:
a主要优点:设施简单, 易于维护。
b主要缺点:距离远, 征地困难, 一次投资高;依赖某大型空分装置, 操作时需协调某大型空分装置配合;管道平时需要充氮保护。
本项目可以从某大型空分装置购买液氮储存, 使用时通过汽化器进行汽化。
主要工艺流程为:槽车→液氮储罐→汽化器→氮气管网。
主要设备及规格见表3。
流程说明:项目所用4000Nm3/h氮气, 需要约6.2m3/h的液氮进行汽化, 一台100m3的液氮储罐储藏液氮量可持续使用16小时, 3台液氮罐储量可用两天, 3座液氮储槽可交替进行灌装及供氮, 液氮储存压力0.8MPa。
对于某大型地下原油洞库, 液氮储藏汽化方案有以下优缺点:
a主要优点:一次投资较少;设备维护量小;操作简单;周边地区液氮供应有保证。
b主要缺点:由于洞库置换操作时氮气消耗量较大, 一天需要液氮150m3, 按液氮槽车容积30m3计算, 一天需要消耗5车液氮。调度工作繁重, 液氮调运不及时将会影响洞库的运行。
自制氮气 (变压吸附制氮) 方案与依托某大型空分装置外购氮气方案 (管道敷设输送和购买液氮汽化) 对比见表4。
结合表4与前面章节论述, 从投资、占地、可操作性等方面综合比较, 依托某大型空分装置购买液氮汽化方案对于本项目而言比较适合。
大型地下原油储备库在选用氮气供应方案时需要结合工程项目的实际情况全面考虑决定。
(1) 当附近没有能可靠依托的大型空分装置时, 选用变压吸附制氮方案较为合理。
(2) 当附近有能可靠依托的大型空分装置, 且距离较近, 管道敷设线路合理, 征地相对容易时, 购买氮气通过管道敷设输送方案较为合理。
(3) 当附近有能可靠依托的大型空分装置, 但距离较远, 管道敷设困难, 征地困难, 购买液氮汽化案较为合理。
(4) 对于本项目而言依托某大型空分装置购买液氮汽化方案是最合理方案。
摘要：介绍了大型地下原油储备库的几种氮气供应方案;针对某大型地下原油储备库几种氮气供应方案的工艺性能、主要设备和相对投资进行比较;提出了相对适合的氮气供应方案。
关键词：变压吸附,管道输送,液氮汽化
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