編 輯 | 化工活動(dòng)家

作 者 | 王陽(yáng)峰等

來(lái) 源 | 煉油工程與技術(shù)

關(guān)鍵詞 | 含氫尾氣  三元分析  三角坐標(biāo)

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導(dǎo)讀

煉廠含氫尾氣中含有豐富的H2及C2+輕烴，是煉廠提高經(jīng)濟(jì)效益的重要優(yōu)化點(diǎn)。煉廠含氫尾氣來(lái)源繁雜，性質(zhì)差別大，主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)回收利用這些含氫流股，或者直接將其排放至燃料氣(瓦斯)系統(tǒng)作燃料。此篇文章旨在通過(guò)考察煉廠各類(lèi)含氫尾氣性質(zhì)區(qū)別，探尋共性特征，建立含氫尾氣三元坐標(biāo)分析方法，為開(kāi)展煉廠含氫尾氣資源化優(yōu)化利用提供借鑒。

含氫尾氣性質(zhì)分類(lèi)

01

典型煉廠含氫尾氣構(gòu)成

某千萬(wàn)噸級(jí)煉廠主要生產(chǎn)裝置有(10+3)Mt/a常減壓裝置、(0.8+2.0)Mt/a催化裂化裝置、1.6Mt/a延遲焦化裝置、0.8Mt/a連續(xù)重整裝置、(1.2+1.2)Mt/aSZorb(汽油吸附脫硫)裝置、1.4Mt/a噴氣燃料加氫裝置、2.6Mt/a柴油加氫裂化裝置、2.0Mt/a加氫裂化裝置、1.2Mt/a柴油加氫裂化裝置、LTAG(催化裂化柴油選擇性加氫飽和—選擇性催化裂化組合生產(chǎn)高辛烷值汽油或輕質(zhì)芳烴技術(shù))裝置。全廠典型含氫物流構(gòu)成如表1所示。

由表1可知，加氫裝置低分氣中H2含量較高，C2+輕烴含量相對(duì)較少；加氫裝置干氣、S Zorb穩(wěn)定塔頂氣、重整氫PSA(變壓吸附)裝置解吸氣中除含有部分H2外，還含有較多的C2+輕烴。催化干氣、焦化干氣體積流量大，其中H2含量相對(duì)較少。

02

共性特征分析

煉廠含氫尾氣種類(lèi)多，來(lái)源廣。該類(lèi)氣體主要具有以下共性特征：均含有H2、甲烷、C2+輕烴及其他非烴類(lèi)組分；不同類(lèi)別含氫尾氣中H2與C2+含量具有顯著差別，可從含氫尾氣的H2，C2+含量初步判斷其來(lái)源，例如臨氫裝置低分氣中H2含量大于C2+含量，而臨氫裝置干氣中H2含量則與C2+含量相近；含氫尾氣中H2和C2+有著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。假若含氫尾氣中H2得到回收，則C2+輕烴則會(huì)富集；反之，若含氫尾氣中C2+輕烴得到回收，那么H2則會(huì)富集。

03

含氫尾氣資源優(yōu)化利用表征

從資源化優(yōu)化利用角度出發(fā)，可以將煉廠含氫尾氣簡(jiǎn)化為H2、C2+輕烴、燃料氣(FG)三元體系，既能表征含氫尾氣的基本性質(zhì)，又能直觀反映其資源化優(yōu)化利用潛力。對(duì)表1所述含氫尾氣按照“H2-C2+輕烴-FG”三元分析方法歸類(lèi)整理(見(jiàn)表2)。

再利用Origin軟件的ternary模塊繪制含氫尾氣三角坐標(biāo)圖(見(jiàn)圖1)。

在三角坐標(biāo)體系中，3個(gè)頂點(diǎn)分別表示高附加值產(chǎn)品H2，C2+輕烴和低附加值燃料氣FG，圖中任一點(diǎn)表示某一含氫流股，該流股的H2，C2+輕烴和FG值加和為1。

回收技術(shù)優(yōu)勢(shì)區(qū)域劃分

進(jìn)料性質(zhì)見(jiàn)表3。

以H2-CH4-C2H6體系為例，利用模擬軟件考察PSA提濃氫技術(shù)、膜提濃氫技術(shù)及C2提濃技術(shù)適宜的運(yùn)行范圍。

01

變壓吸附技術(shù)提濃氫氣

PSA處理含氫流股示意流程見(jiàn)圖2。

PSA裝置氫氣回收率及能耗隨原料氣H2純度的變化見(jiàn)圖3。

原料氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓至2.1MPa后進(jìn)入PSA吸附塔，解吸氣增壓至0.6MPa后送燃料氣系統(tǒng)，塔頂產(chǎn)品氫送出裝置，并利用Aspen Adsorption進(jìn)行模擬計(jì)算，PSA吸附床參數(shù)見(jiàn)表4。

在PSA吸附劑配比不變、裝填量不變、操作壓力不變等前提下，通過(guò)更改吸附時(shí)間確保產(chǎn)品氫的純度大于99%。從圖3可知，隨原料氣中氫氣純度升高，氫氣回收率呈升高趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)料氫純度高于60%時(shí)，氫氣回收率大于70%；隨著進(jìn)料氫純度升高，PSA解吸氣流量減小，獲得提濃后單位體積產(chǎn)品氫的壓縮功呈降低趨勢(shì)；當(dāng)原料中H2體積分?jǐn)?shù)低于40%時(shí)，僅通過(guò)調(diào)整吸附時(shí)間不能滿(mǎn)足產(chǎn)品氫純度大于99%，而且氫氣回收效率低，工業(yè)應(yīng)用價(jià)值較差。

02

膜分離提濃氫氣

膜分離裝置處理含氫流股示意流程見(jiàn)圖4。

氫氣回收率及能耗隨原料氣H2純度的變化見(jiàn)圖5。

原料氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓、加熱器換熱至2.1MPa，80℃后進(jìn)入有機(jī)膜分離裝置，滲透氣由0.2MPa增壓至2.0MPa后送氫氣管網(wǎng)或裝置新氫機(jī)入口，滲余氣排至燃料氣系統(tǒng)，并利用ProⅡ軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算時(shí)假定膜面積不變、組分滲透系數(shù)不變。從圖5可看出，隨原料氣中氫氣純度升高，氫氣回收率呈升高趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)料氫純度30%時(shí)，氫氣回收率仍大于70%；隨著進(jìn)料氫純度升高，膜分離裝置滲透氣流量減小，回收單位體積產(chǎn)品氫所需的壓縮功呈降低趨勢(shì)。

03

含氫流股中C2+輕烴回收

煉廠含氫干氣中除含有大量具有回收潛力的H2外，還含有大量C2+輕烴。若將這類(lèi)含氫物流直接送至PSA裝置或膜分離裝置進(jìn)行氫氣提濃，那么將出現(xiàn)因輕烴含量高而在裝置入口分液罐形成大量輕烴積液、溶解有機(jī)膜組件、輕烴燃料氣穿透分子篩吸附劑床層等現(xiàn)象，不利于裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，因而從氫氣資源回收高效化、C2+輕烴資源高附加值化角度考慮，可以對(duì)這類(lèi)含氫流股中的輕烴資源進(jìn)行有效回收。

 

當(dāng)前煉廠主要利用油吸收技術(shù)進(jìn)行煉廠干氣中C2+輕烴組分的回收利用，利用AspenPlus軟件構(gòu)建簡(jiǎn)易的油吸收提濃C2裝置模型，流程示意如圖6所示。

模擬測(cè)算結(jié)果如圖7所示。

油吸收提濃C2的回收率隨著C2+輕烴含量升高而呈升高趨勢(shì)；能耗隨著C2+輕烴含量升高而呈降低趨勢(shì)當(dāng)φ(C2+輕烴)＜30%時(shí)，模型測(cè)算C2+輕烴組分回收效率偏低，能耗偏高，需進(jìn)一步核算經(jīng)濟(jì)效益、投資回報(bào)率等再確定是否有必要進(jìn)行C2+輕烴回收；當(dāng)30%＜φ(C2+輕烴)＜50%時(shí)，C2+輕烴回收率在60%～80%，工業(yè)上可根據(jù)采用低溫?zé)嶂评涞却胧┻M(jìn)一步提高其回收效率；當(dāng)原料中φ(C2+輕烴)＞50%時(shí)，裝置能耗將進(jìn)一步降低，輕烴回收效率也將進(jìn)一步提升。

04

技術(shù)優(yōu)勢(shì)區(qū)域確定

綜上分析可知，對(duì)于含氫流股綜合優(yōu)化利用來(lái)說(shuō)，PSA能夠生產(chǎn)高純度氫氣，但要求原料氫體積分?jǐn)?shù)大于60%才能保證合適的回收率，經(jīng)濟(jì)效益較好。從氫氣回收率角度看，膜分離技術(shù)對(duì)任意氫濃度的原料都具有較高的回收率。從回收單位體積氫氣的能耗角度看，膜分離裝置的能耗要高于PSA裝置。從回收產(chǎn)品氫純度角度看，膜分離裝置產(chǎn)品氫純度偏低，適合于供對(duì)氫氣純度需求不太高的加氫裝置或作為PSA進(jìn)一步提濃的原料。油吸收裝置適合于對(duì)含氫流股中C+3輕烴含量偏高的流股進(jìn)行處理，目的是一方面回收高價(jià)值的輕烴組分，另一方面是將原料氣中的H2富集，便于后續(xù)提濃處理。含氫尾氣分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)區(qū)域見(jiàn)圖8。

由圖8可知，針對(duì)煉廠含氫尾氣而言，根據(jù)PSA、膜分離技術(shù)和油吸收技術(shù)處理各種含氫石化尾氣時(shí)的分離效果差異，劃分了其優(yōu)勢(shì)分離區(qū)域：PSA系統(tǒng)依然適合處理氫氣體積分?jǐn)?shù)大于60%的原料。值得注意的是，PSA處理含氫石化尾氣時(shí)，原料氫氣濃度的下限并不是固定不變的，隨著吸附劑選擇性的提高，或者吸附塔的數(shù)量增加(增加均壓次數(shù)，減少尾氣氫含量)，對(duì)較低氫濃度的原料也具有較高的回收率。膜分離技術(shù)適合于處理氫體積分?jǐn)?shù)在30%～60%的原料，膜分離技術(shù)處理含氫石化尾氣的下限也不是固定的，高選擇性的膜組件能夠提高氫氣濃縮程度，因而能夠提高氫氣回收率和使用范圍。油吸收技術(shù)適合于對(duì)C2+輕烴含量較高的流股進(jìn)行處理，特別適合用作膜分離或PSA的前處理裝置。

05

建立含氫物流分離過(guò)程矢量描述方法

將分離過(guò)程當(dāng)作“黑匣子”，滿(mǎn)足物料守恒、組分守恒。含氫物流分離過(guò)程矢量描述見(jiàn)圖9。

含氫物流的分離過(guò)程可用一對(duì)矢量描述：點(diǎn)F—含氫物流，進(jìn)料；點(diǎn)P—目的產(chǎn)品；點(diǎn)R—剩余組分；矢量FP—獲得產(chǎn)品的過(guò)程；矢量FR—得到剩余組分的過(guò)程。

 

物料平衡關(guān)系用下面公式表示。