煉廠催化干氣氫氣回收工藝選擇

竇巖

[摘 要]闡述了煉廠催化干氣氫氣回收的需求現(xiàn)狀，介紹了兩段法變壓吸附技術(shù)、常規(guī)變壓吸附技術(shù)、膜分離與變壓吸附組合技術(shù)方案比選，推薦兩段變壓吸附技術(shù)較為適合。

[關(guān)鍵詞]煉廠催化干氣 氫氣 回收 工藝方案選擇 變壓吸附

中圖分類(lèi)號(hào)：X742 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）02-0245-02

1 前言

隨著對(duì)優(yōu)質(zhì)油品與化工原料的需求以及環(huán)境保護(hù)兩方面的挑戰(zhàn)，石油煉制工業(yè)更多的采用加氫技術(shù)。氫氣作為石油化學(xué)工業(yè)的基本原料，隨著我國(guó)石油加氫技術(shù)的發(fā)展，氫氣需要量也日益增加。從煉廠氣中回收氫氣，是滿足氫氣需求的一條有效途徑。煉廠氣主要有催化裂化干氣、焦化干氣、重整干氣、加氫裂化干氣等，在這些煉廠氣中一般都含有一定濃度的氫氣，能夠?qū)⑦@部分氫氣回收利用，對(duì)滿足煉廠不斷增長(zhǎng)的氫氣需要有很重要的意義。某石化公司氫氣來(lái)源主要為大制氫裝置的高純氫、重整裝置供給的低純氫、輕烴回收裝置膜分離供給的低純氫以及經(jīng)管道運(yùn)輸?shù)母呒儦?。隨著原油劣質(zhì)化及油品質(zhì)量指標(biāo)的進(jìn)一步提高，對(duì)高純氫的需求將進(jìn)一步增大，考慮新建裝置從催化干氣中回收氫氣滿足缺口。

2 催化干氣資源

該石化公司擁有兩套催化裂化裝置，分別為120萬(wàn)噸/年FDFCC類(lèi)催化裂化裝置和280萬(wàn)噸/年MIP類(lèi)催化裂化裝置。兩套裝置的催化干氣分別經(jīng)配套脫硫設(shè)施脫硫凈化后送至公司燃料氣管網(wǎng)，凈化后的兩套催化干氣氫氣含量分別37.88mol%和44.98mol%，均是很好的氫氣提純?cè)?。典型的催化干氣性質(zhì)如下表1。兩套催化裝置干氣組分較為穩(wěn)定，經(jīng)工藝分離、提純后有較高的回收價(jià)值。提純后的高附加值氫氣返回加氫裝置使用，滿足氫氣需求缺口，具有環(huán)保、節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

3 工藝技術(shù)方案選擇

3.1 工藝技術(shù)方案介紹

3.1.1 兩段法變壓吸附技術(shù)

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption.PSA）基本原理是利用氣體組分在固體材料上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過(guò)周期性的壓力變換過(guò)程實(shí)現(xiàn)氣體的分離或提純。該技術(shù)于1962年實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的制氫。進(jìn)入70年代后，變壓吸附技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展，裝置數(shù)量劇增，規(guī)模不斷增大，使用范圍越來(lái)越廣，工藝不斷完善，成本不斷下降，逐漸成為一種主要的、高效節(jié)能的氣體分離技術(shù)。

本工藝采用兩段法變壓吸附技術(shù)，一段出口氣經(jīng)升壓后進(jìn)入二段，二段出口氣為合格的氫氣產(chǎn)品，一段解吸氣經(jīng)升壓后得到燃料氣產(chǎn)品。由于采用無(wú)動(dòng)力吹掃流程，無(wú)抽真空動(dòng)力設(shè)備，壓縮機(jī)設(shè)置兩組共3臺(tái)，分別為PSA1出口氣壓縮機(jī)和燃料氣壓縮機(jī)，動(dòng)力設(shè)備較少。但增加一段后，吸附塔數(shù)量增加，PSA部分占地相應(yīng)增大，但通過(guò)吸附塔及緩沖罐采用雙排組合布置，可縮小占地面積。

本工藝采用液壓驅(qū)動(dòng)，程控閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間比氣動(dòng)控制的時(shí)間短1～3秒，從而循環(huán)時(shí)間也相對(duì)縮短了。這樣就也相對(duì)減少吸附劑用量，減少非標(biāo)設(shè)備、程控閥門(mén)的口徑，從而減少投資。但與常規(guī)一段法相比，兩段法程控閥門(mén)數(shù)量約為一段法的兩倍。

本工藝方案氫氣收率為90%，氫氣純度99%。

3.1.2 常規(guī)變壓吸附技術(shù)

混合原料氣經(jīng)原料氣緩沖罐穩(wěn)壓后進(jìn)入VPSA單元，吸附除去氫氣以外的其它雜質(zhì)，使氣體得以凈化，吸附了雜質(zhì)的吸附床再進(jìn)行減壓、吹掃，使吸附劑得以再生后，再充壓吸附。上述過(guò)程是在一套程序控制系統(tǒng)指揮下自動(dòng)地周而復(fù)始進(jìn)行的。凈化后的工業(yè)氫純度大于99%，經(jīng)氫氣壓縮機(jī)升壓至2.5MPa（G）后出裝置。從VPSA單元出來(lái)的解析氣壓力約為0.01MPa（G），進(jìn)入解析氣壓縮機(jī)升壓至0.9MPa（G）后出裝置。

PSA提氫部分采用八塔沖洗流程。其吸附和再生工藝過(guò)程由吸附、均壓降壓、逆放、抽真空、均壓升壓、產(chǎn)品氣升壓等步驟組成。

本工藝采用常規(guī)一段法變壓吸附（抽真空）技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)有多套催化干氣提氫裝置，技術(shù)比較成熟，工藝路線簡(jiǎn)單，便于操作，同時(shí)占地面積較小。

本工藝方案氫氣收率為80%，氫氣回收率較低。采用8個(gè)吸附塔流程，可適當(dāng)增加吸附塔數(shù)量，提高氫氣收率，但投資和占地面積相應(yīng)增加，經(jīng)濟(jì)效益較差。另由于采用真空泵抽真空對(duì)吸附劑進(jìn)行再生，動(dòng)力設(shè)備較多。引入真空泵后，增加了電耗，同時(shí)對(duì)裝置可靠性有一定影響。

3.1.3 膜分離與變壓吸附組合技術(shù)

本工藝采用膜分離-壓縮機(jī)-PSA的流程對(duì)催化干氣中的氫進(jìn)行提濃。首先，催化干氣1和催化干氣2分別經(jīng)兩套膜分離裝置得到兩股低壓富氫氣，兩段低壓富氫氣分別經(jīng)壓縮機(jī)加壓至2.6PMa（G），升壓后的富氫氣混合后送入PSA裝置，利用PSA對(duì)富氫氣進(jìn)行進(jìn)一步提濃，得到符合要求的99.9%的高純氫。PSA解吸氣再升壓到1.0MPA（G），再循環(huán)返回到前面催化干氣2膜分離。

本工藝采用膜分離與變壓吸附組合技術(shù)，經(jīng)膜分離處理后的富氫濃度達(dá)80%以上，PSA的處理量為15000Nm3，因此本工藝方案的占地面較小。引入膜分離技術(shù)后，裝置電耗與單獨(dú)變壓吸附工藝相比大為降低。

本工藝方案氫氣收率為89.4%，氫氣純度達(dá)99.95%。氫氣回收率高，經(jīng)濟(jì)效益較好。但由于采用的低壓膜分離技術(shù)，燃料氣產(chǎn)品壓力隨原料氣進(jìn)料壓力變化而變化，對(duì)該公司燃料氣管網(wǎng)壓力帶來(lái)波動(dòng)，進(jìn)而影響各裝置的平穩(wěn)操作，同時(shí)該技術(shù)方案目前無(wú)催化干氣提氫的運(yùn)行裝置。

3.2 工藝技術(shù)方案比選

各工藝技術(shù)方案的對(duì)比見(jiàn)表2：

自從變壓吸附制氫技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)以來(lái)，在制氫裝置的中變氣（H2：75%、CH4：5%、CO：3.5%、CO2：17%）原料組成情況下，當(dāng)原料氣壓力大于2.5MPa（G），CO+CO2≤20ppm，氫氣純度要求99.9%（V）以上的前提下，國(guó)內(nèi)外的一段法變壓吸附制氫技術(shù)供應(yīng)商可將氫氣回收率做到85%～89%（不抽真空），另外一些國(guó)內(nèi)技術(shù)供應(yīng)商采用一段法抽真空技術(shù)可比一段法吹掃技術(shù)提高約1%氫氣回收率。而兩段法變壓吸附技術(shù)在不抽真空的條件下，可將氫氣回收率提高到90%以上。

綜上可以看出：膜分離與變壓吸附組合技術(shù)和兩段法變壓吸附方案氫氣收率高、運(yùn)行成本低，但采用膜分離導(dǎo)致裝置投資比較高；與常規(guī)變壓吸附方案相比，兩段法變壓吸附方案氫氣收率高、運(yùn)行成本低，因此推薦采用兩段變壓吸附方案。

4 簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)分析

裝置達(dá)到正常生產(chǎn)能力后年產(chǎn)氫氣9070噸，氫氣和燃料氣不含稅價(jià)格分別約是13000噸/元、4300噸/元，年均效益達(dá)7890萬(wàn)元。

5 小結(jié)

從催化干氣中提純氫氣具有資源穩(wěn)定滿足石化企業(yè)對(duì)氫氣資源的缺口。通過(guò)膜分離與變壓吸附組合、常規(guī)變壓吸附、兩段法變壓吸附三種方案技術(shù)比較，得出兩段法變壓吸附具有投資低、氫氣收率高、運(yùn)行成本低及效益顯著的優(yōu)勢(shì)。