煉廠氣中氫氣資源的回收和利用

魏 瑞

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煉廠氣中氫氣資源的回收和利用

魏 瑞

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司 大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116085）

簡(jiǎn)要介紹了煉廠氣中富氫氣體的回收工藝技術(shù)，并分析了各種工藝技術(shù)的適用范圍，指出了各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合大港石化公司全廠氫氣管網(wǎng)平衡優(yōu)化項(xiàng)目，增加變壓吸附氫氣提純?cè)O(shè)施，實(shí)際回收約9000Nm3/h的高純度氫氣，取得了較為明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

煉油廠；氫氣回收；變壓吸附

隨著石油煉制技術(shù)的發(fā)展和加工深度的提高，在原油煉制過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)氣體即煉廠氣的數(shù)量也顯著增加。煉廠氣主要來源于原油煉制的二次加工過程，如催化裂化裝置、催化重整裝置、加氫裂化裝置、延遲焦化裝置等。不同裝置的煉廠氣其組成不盡相同，其中氫氣的含量也大相徑庭。如催化重整裝置煉廠氣中氫氣含量就很高，是煉油廠氫氣的重要來源[1]。長(zhǎng)期以來因無適合的分離方法利用氫氣等資源，大部分作為燃料氣燒掉，造成巨大浪費(fèi)。研發(fā)多種氫氣提純工藝，盡可能的回收煉廠氣中富含的氫氣，可以使氫氣生產(chǎn)工藝靈活多樣化，有效地降低氫氣生產(chǎn)成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。

1 項(xiàng)目背景

目前，隨著人們對(duì)自身生存環(huán)境保護(hù)的重視，對(duì)清潔燃料的要求更為苛刻，特別是對(duì)車用燃料中污染物的含量也了嚴(yán)格的限制。其中，最主要的污染物是硫、烯烴和芳烴[3,7]。 目前為降低污染物的最為可行有效的辦法就是加氫處理。

隨著加氫裝置規(guī)模的大幅度增加，作為原料的氫氣需求也迅速增加。煉廠氫氣用量隨著含硫原油比例的增加，隨減壓渣油加氫脫金屬/加氫脫硫/加氫裂化裝置能力的增加而增加，一般是原油的 0.8%～1.4%。

綜上所述，氫氣已成為原油加工過程中不可缺少的一種重要產(chǎn)品，并且隨著人們對(duì)燃料清潔性要求的日益提高，煉油廠對(duì)氫氣的需求將越來越大。

大港石化公司目前的產(chǎn)氫裝置有40 000 Nm3/h制氫裝置、30萬t/a重整裝置、PSA催化干氣氫提濃裝置。用氫裝置包括100萬t/a加氫裂化裝置、50萬噸/年柴油加氫裝置和75萬t/a催化汽油加氫脫硫裝置等。40 000 Nm3/h制氫裝置所產(chǎn)的氫氣壓力為2.5 MPa，全部供給加氫裂化裝置。PSA氫提濃裝置所產(chǎn)的氫氣和部分重整氫氣供給柴油加氫裝置使用，75萬t/a催化汽油加氫脫硫裝置使用氫由重整氫裝置供給，重整裝置滿負(fù)荷時(shí)產(chǎn)氫量在11 000 Nm3/h左右，PSA氫提濃裝置的產(chǎn)氫量3 000 Nm3/h，加上新增的1 000 Nm3/h膜回收的約900 Nm3/h的氫氣，合計(jì)14 900 Nm3/h。柴油加氫裝置用氫量7 400 Nm3/h左右，催化汽油加氫脫硫裝置用氫量在1 500 Nm3/h左右，合計(jì)8 900 Nm3/h，這樣約有6 000 Nm3/h的重整氫富裕,由于壓力以及氫氣純度的限制，無法送至加氫裂化裝置，目前只能排放至瓦斯管網(wǎng)。加氫裂化裝置低分氣氫氣含量約87%，由于純度的原因，不能被利用，降壓后進(jìn)入雙脫裝置脫硫后排至瓦斯官網(wǎng)。這兩股高含氫氣體被白白燒掉，浪費(fèi)大量的寶貴資源。

富氫氣體排入瓦斯管網(wǎng)的純氫量較大，造成瓦斯管網(wǎng)氫含量較高,降低了瓦斯熱值，瓦斯管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定，對(duì)各裝置加熱爐影響較大。同時(shí)氫氣價(jià)格較燃料氣高出6 000元/t以上，因此燃燒氫氣浪費(fèi)很大。

2 氫氣回收工藝

目前，低濃度氫氣提純的主要工藝有：變壓吸附技術(shù)、膜分離技術(shù)和深冷分離技術(shù)。這些工藝技術(shù)各自都基于不同的分離原理，因而其工藝技術(shù)的特性各不相同。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，選擇合適的氫提純法，不僅要考慮裝置的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也要考慮很多其他因素的影響，如工藝的靈活性、可靠性、擴(kuò)大裝置能力的難易程度、原料氣的含氫量以及氫氣純度、雜質(zhì)含量對(duì)下游裝置的影響等等[1,5]。

1）變壓吸附技術(shù)(PSA)

變壓吸附的基本原理是利用吸附劑對(duì)吸附質(zhì)在不同分壓下有不同的吸附容量，并且在一定的吸附壓力下，對(duì)被分離的氣體混合物的各組分有選擇吸附的特性來提純氫氣的。雜質(zhì)在高壓下被吸附劑吸附，使得吸附容量極小的氫得以提純，然后雜質(zhì)在低壓下脫附，使吸附劑獲得再生。變壓吸附工藝為循環(huán)操作，用多個(gè)吸附器來達(dá)到原料、產(chǎn)品和尾氣流量的恒定。每個(gè)吸附器都要經(jīng)過吸附、降壓、脫附、升壓、再吸附的工藝過程。變壓吸附的最大優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，能夠生產(chǎn)高純度的氫氣產(chǎn)品，其生產(chǎn)的氫氣純度一般為 99%～99.999%（體積分?jǐn)?shù)）[1,2, 5,6]。

2）膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是近十幾年來發(fā)展較快的一種較新的氣體分離方法。這一工藝是利用了混合氣體通過高分子聚合物膜時(shí)的選擇性滲透原理。不同的組分有不同的滲透率。典型組分的相對(duì)滲透率如下：

H20、H2、He、H2S、CO2、Ar、CO、N2、CH4

高→中→低

氣體組分透過膜的推動(dòng)力是膜兩側(cè)的壓力差。根據(jù)各組分滲透率的差異，具有較高滲透率的氣體如氫氣富集在膜的滲透?jìng)?cè)，而具有較低滲透性的氣體則富集在未滲透?jìng)?cè)，從而達(dá)到分離混合氣體的目的。隨著有較多的氣體滲透過膜，較低滲透性的組分相對(duì)增多。因此要求的氫純度較高時(shí)回收率就降低，氫純度較低時(shí)回收率就較高。膜分離系統(tǒng)的產(chǎn)品氫純度對(duì)氫回收率的影響比變壓吸附或深冷工藝更明顯[1,2,5,6]。

3）深冷分離工藝

深冷分離工藝是一種低溫分離工藝，它是利用原料組分的沸點(diǎn)差(相對(duì)揮發(fā)度差)來達(dá)到分離目的。由于氫氣的相對(duì)揮發(fā)度比烴類高，因此最簡(jiǎn)單和最常用的深冷工藝是采用分級(jí)部分冷凝法[1,2,5,6]。

3 工藝技術(shù)選擇

根據(jù)以上技術(shù)對(duì)比，結(jié)合裝置目前實(shí)際情況，可選擇的工藝為變壓吸附和膜分離。這兩種工藝技術(shù)各自都基于不同的分離原理，因而其工藝技術(shù)的特性各不相同。變壓吸附是較為傳統(tǒng)的工藝，其特點(diǎn)是回收氫氣純度較高，壓力損失較小。膜分離技術(shù)是近十幾年來發(fā)展較快的一種較新的氣體分離方法，其主要特點(diǎn)為占地小，操作簡(jiǎn)單，氫氣回收率高，滲余氣壓力損失較小，但是滲透氣（氫氣）壓力損失較大。結(jié)合本項(xiàng)目，提出兩種方案進(jìn)行對(duì)比，即變壓吸附（PSA）方案和膜分離方案。兩方案對(duì)比如下：

1）變壓吸附方案流程如圖1：

自重整裝置來的重整氫經(jīng)過升壓將壓力提至2.6 MPa后與加氫裂化裝置脫硫后的低分氣合并進(jìn)入新增的PSA設(shè)施，提純后氫氣直接去氫氣管網(wǎng)進(jìn)入加氫裂化裝置。

2）膜分離方案流程如圖2：

自重整裝置來的重整氫與加氫裂化裝置脫硫后的低分氣合并進(jìn)入新增的膜分離設(shè)施，提純后氫氣（約0.7 MPa）經(jīng)過壓縮機(jī)升壓去氫氣管網(wǎng)進(jìn)入加氫裂化裝置。

3）兩方案對(duì)比

兩種工況對(duì)比如表1下：

表1 技術(shù)對(duì)比表

從表1可以看出，兩方案中，膜分離方案氫氣回收率高，且占地面積較小，但是其壓縮機(jī)功率較大。而變壓吸附方案氫氣純度高，功耗小，且設(shè)備投資略低，綜合效益好

由此可見，變壓吸附無論從投資、氫氣純度、能耗都占有較大的優(yōu)勢(shì)，因此本項(xiàng)目采用變壓吸附方案。

4 氫氣管網(wǎng)優(yōu)化

本方案將富裕的重整氫與脫硫后的加氫裂化尾氣一并進(jìn)入新增氫氣回收設(shè)施，可回收9600 Nm3/h的氫氣，意味著制氫裝置將減少24%的負(fù)荷，每小時(shí)節(jié)省約2噸的天然氣，效益非常顯著（表2）。

表2 優(yōu)化后大港石化公司全廠氫網(wǎng)一覽表

本項(xiàng)目的實(shí)施，將降低生產(chǎn)消耗，減少環(huán)境污染，降低運(yùn)行成本，增加公司的綜合商品率。設(shè)施建成后，大港石化公司將擁有重整氫、催化干氣PSA、制氫、新增1萬m3PSA四股氫源，對(duì)于氫網(wǎng)的穩(wěn)定操作將有很大的靈活性。全廠的氫回收系統(tǒng)將最大化的回收全廠的含氫資源，對(duì)于瓦斯系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)的運(yùn)行均有明顯的改善。建成后大港石化公司的氫氣系統(tǒng)示意流程見圖3所示：

圖3 大港石化公司優(yōu)化后氫氣系統(tǒng)流程示意圖

5 氫氣管網(wǎng)優(yōu)化后效益核算

綜上所述，胃鏡檢查術(shù)是消化內(nèi)科醫(yī)生必須掌握的基本技能之一，但有一定的風(fēng)險(xiǎn)。在教學(xué)過程中，帶教老師需全程監(jiān)管，從“手把手”教學(xué)到“放手不放眼”，全面提升教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)安全，重視理論與實(shí)踐相結(jié)合，人文與臨床相結(jié)合，全面提升研究生的綜合能力。當(dāng)然，在內(nèi)鏡教學(xué)過程中還會(huì)有新的問題出現(xiàn)，需要不斷摸索與總結(jié)，積累經(jīng)驗(yàn)，使內(nèi)鏡教學(xué)體系更加完善，培養(yǎng)優(yōu)秀的內(nèi)鏡醫(yī)師，推進(jìn)內(nèi)鏡技術(shù)的傳承與發(fā)展。

本項(xiàng)目于2012年6月6日~6月11日完成三查四定，變壓吸附裝置于8月21日下午14:45引重整氫氣開工，經(jīng)過3個(gè)多小時(shí)的調(diào)整產(chǎn)品氣合格， 99.9%的產(chǎn)品氫氣并入加氫裂化新氫機(jī)入口，本裝置一次開車成功。

本裝置投用后，現(xiàn)采集幾天具有代表數(shù)據(jù)進(jìn)行核算。

1）對(duì)投用變壓吸附裝置后能節(jié)約原料進(jìn)行核算（以節(jié)省天然氣為標(biāo)準(zhǔn)）（表3）

表3 從能源消耗日?qǐng)?bào)和生產(chǎn)臺(tái)賬上得到的天然氣、混合干氣、產(chǎn)氫量的數(shù)據(jù)

用20日未投變壓吸附裝置前和29投用變壓吸附裝置后兩天具有代表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。主要計(jì)算結(jié)果如下：

（1）20日和29日加氫裂化用氫量基本一致，且都有混合干氣的分析數(shù)據(jù)。

（2）20日天然氣、混合干氣總量為163 t，29日為137 t，投用變壓吸附裝置后，經(jīng)計(jì)算產(chǎn)同樣氫氣一天可減少23.8 t天然氣（混合干氣根據(jù)其組分折合成了天然氣，組分見表4），一天可減少近33 300 Nm3天然氣，按1 Nm3天然氣2.2元算，一年可節(jié)約近2 560萬元。

（3）投用變壓吸附裝置后，混合干氣氫氣含量由54.8%降至37.9%，熱值由6 205 kcal/Nm3提高到7340 kcal/Nm3，提高了18.3%。

表4 混合干氣組分

2）對(duì)制氫裝置及氫氣平衡裝置幾天的加工能耗情況進(jìn)行估算

（1）制氫裝置因處理量下降，單耗由每噸氫氣1 300 kg(EO)/ t，上升至1 896.9 kg(EO)/ t左右；氫氣平衡能耗為119 kg(EO)/ t；制氫和氫氣平衡共同的能耗為1 266 kg(EO)/ t左右。

（2）以每噸氫氣可節(jié)省34 kg(EO)/ t加工能耗算，按每天可生產(chǎn)50 t氫氣算，能耗中的燃料油按2 500元/t算，一年可節(jié)省加工能耗148萬元。

5 結(jié) 論

通過對(duì)大港石化公司全廠氫氣管網(wǎng)的平衡核算，新建了一套變壓吸附裝置將重整氫氣和含高濃度氫氣的加氫裂化低分氣進(jìn)行提純循環(huán)使用，生產(chǎn)99.9%的氫氣，這樣就避免了加氫裂化含氫尾氣及重整氫氣并入瓦斯管網(wǎng)中導(dǎo)致全廠瓦斯熱值低造成氫氣的浪費(fèi)及各裝置的瓦斯大量消耗，每年節(jié)省約2 708萬元/a，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。加氫裂化裝置供氫流量較未投用變壓吸附裝置前穩(wěn)定，進(jìn)入瓦斯管網(wǎng)的混合干氣中氫氣含量大幅下降，使瓦斯管網(wǎng)中氣體熱值更高，對(duì)公司安全優(yōu)化生產(chǎn)和節(jié)能環(huán)保也具有重要意義。本裝置的一次開車成功標(biāo)志著大港石化公司的氫氣管網(wǎng)系統(tǒng)向著更加安全、更加節(jié)能、更加高效的方向邁進(jìn)了一大步。

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Recovery and Utilization of Hydrogen in Refinery Gas

WEI Rui

（China Petroleum Engineering &Construction Corp. Dalian Design Branch, Liaoning Dalian 116085，China）

All kinds of recycling processes of hydrogen from refinery gas were introduced; their application range was discussed as well as advantages and disadvantages. In Dagang refinerypipe network balance optimization project, the pressure swing hydrogen adsorption unit was used and 9 000 Nm3/h hydrogen was recovered, good economic benefit was obtained.

refinery; hydrogen recycling; pressure swing adsorption

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1292-04

2016-04-10

魏瑞（1981-），男，遼寧省大連市人，工程師，2004年畢業(yè)于大連理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，研究方向：煉油廠的節(jié)能減排及環(huán)保項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。E-mail：weirui-dl@cpecc.com.cn。