火炬氣回收利用的研究進展

姚亞娟

(中國石化上海石油化工股份有限公司精細化工部，上海 200540)

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火炬氣回收利用的研究進展

姚亞娟

(中國石化上海石油化工股份有限公司精細化工部，上海 200540)

摘要：火炬氣回收利用具有節約資源和改善環境的雙重意義。對碳五裝置火炬氣排放現狀、火炬氣來源及成分進行了分析，并依據國內外現有的火炬氣回收技術對碳五裝置火炬氣回收方案進行了探討。

關鍵詞：碳五裝置火炬氣回收分析方案探討

放空火炬系統是石油化工生產裝置運行中不可缺少的安全設施，其作用是燃燒正常生產時和事故狀態下排放的可燃氣體。正常操作狀況下,火炬氣的主要來源為系統壓力調整排放氣體、裝置物料不平衡排放氣體、裝置系統泄漏氣體、必須排放的易燃/易爆氣體、儲罐區(塔、球罐、容器等)釋放的氣體，其主要成分是碳氫化合物、氫氣、二氧化碳等[1]。每年大量的可燃氣體在火炬中被燒掉，造成能源浪費，燃燒產生的廢氣直接排放到空氣中也不可避免的造成環境污染。

中國石油化工股份有限公司(以下簡稱中國石化)早在1996年就提出了徹底熄滅火炬的計劃，并制定了《石油化工企業熄滅火炬考核驗收標準》，中國石化系統內各煉油、化工、化纖、化肥企業在生產過程中均展開了資源節約和綜合利用、回收火炬氣、熄滅火炬、改善環境污染的工作，取得了良好的效果[2]。

1碳五裝置火炬氣來源及組分

碳五裝置是以乙烯裝置副產裂解碳五餾分為原料，包括原料預處理、一萃精餾、二萃精餾、精制、溶劑回收及輔助等6個單元組成。為了提高碳五分離裝置副產物的利用價值，一般還配套有異戊烯裝置，即以碳五分離裝置副產粗異戊烯和甲醇為原料，包括原料預處理、醚化、甲醇回收、甲基叔戊基醚精制、醚解、水洗及異構化、產品精制、加氫、精餾等工序。生產裝置的各個工序在正常生產狀態下均產生一定量的可燃性火炬氣，包括系統壓力調整排放、物料不平衡排放、裝置系統泄漏、裝置開停車吹掃及儲罐區原料產品裝卸等過程。

碳五裝置火炬氣組分較為復雜，其組成時刻都在發生變化，相對平均分子質量、密度和熱值等物性也在一定范圍內變動。因此選取一段時間內火炬氣組成取平均值，各個組分的體積分數如下：氮氣63.08%，氫氣21.05%，戊烷5.76%，甲烷4.93%，碳二烯烴3.01%，碳六以上烷烴3.31%，丁烷1.53%，丙烷1.17%，碳四烯烴1.21%。

2火炬氣回收方法

目前，國內外火炬氣的回收方法主要分為原料型和燃料型兩種。原料型是將火炬氣中的有用成分回收作為生產原料進行再加工來增加產品產量，該法適用于火炬氣中包含某種含量較高的個別有用組分的情況，這種方法需要考慮工藝上的可能性和經濟上的合理性。燃料型是將回收的火炬氣作為燃料使用，這種情況通常適合比較大的化工裝置，尤其適用于石油化工裝置這種火炬氣整體組分過于復雜，很難分離提取其中某一組分的情況[3]。因此要選擇哪種回收方法，應根據實際需要，綜合考慮經濟和環境等多方面的要求來決定。

2.1傳統的火炬氣回收工藝

一般火炬系統包括火炬放空系統和火炬氣回收系統，火炬放空系統主要由火炬管網、分液罐、水封罐、火炬及自動點火系統組成。事故狀態及非正常工況下排放的火炬氣送至火炬系統后，進入分液罐分離攜帶的液體，隨后突破水封，通過火炬筒體在火炬頭處放空燃燒。正常排放的火炬氣由于壓力低，不能將水封頂開，將進入火炬回收系統。因此增加火炬回收系統首先要保證事故狀態能安全排放的前提下進行。

傳統的火炬氣回收工藝主要有壓縮冷凝法(包括直接抽吸壓縮回收、氣柜貯存回收、無氣柜不加壓回收等)、吸附法等。壓縮冷凝法常作為凈化高濃度有機氣體的前處理，不適宜處理低濃度的有機氣體。吸附法凈化效率高，適用于處理中低濃度有機氣體，工藝過程簡單、能耗低，但吸附劑容量有限，需大量吸附劑，且吸附解吸頻繁，要求自動化程度高，其缺點是成本較高。

直接抽吸壓縮回收包括一級水封保護型和二級水封保護型。兩者的主要區別在于二級水封保護型有燃料氣混合罐，設置燃料氣混合罐的目的是為了縮小火炬氣組成波動對加熱爐的影響。水封主要是起安全保護作用,選用一級水封或二級水封要視實際情況而定。氣柜貯存回收工藝包括低壓型和加壓型，加壓型是指氣柜貯存的氣體經壓縮機加壓后再進入燃料系統。壓縮機和氣柜是火炬氣回收系統中非常重要的設備，其選型直接關系到整個工藝方案是否可行，用于火炬氣回收的壓縮機主要有往復式、螺桿式和液環式3種。由于火炬氣的流量和組成波動很大,壓縮機的選擇比較困難。在選擇壓縮機前,應對火炬氣的流量和組成進行長期測定,求其平均值,根據平均值選擇壓縮機。活塞式壓縮機在中國石油化工股份有限公司高橋分公司火炬氣回收設施的使用情況表明,因火炬氣中含有丁二烯等組分,在壓縮過程中易在壓縮機中自聚結焦,造成壓縮機故障較多,需要經常檢修。中國石油化工股份有限公司燕山分公司和齊魯分公司采用水環式壓縮機回收火炬氣,工藝流程簡單,占地少,操作方便,效益較好。但是國內目前尚無合適的水環式壓縮機,需從國外引進。螺桿壓縮機兼有往復式和離心式的優點,氣量可調節,操作平穩,且能處理濕氣體，但要求驅動電機防爆。國產濕式螺桿壓縮機組的使用情況表明,這種壓縮機適應性強,運行穩定,能滿足火炬氣回收的特殊要求,而且與能力相近的引進水環式壓縮機相比,國產濕式螺桿壓縮機價格幾乎便宜一半。另據統計，3種形式的壓縮機的市場占有量分別為：往復式壓縮機占6%，螺桿壓縮機約占4%，液環壓縮機90%[4]。根據石油化工火炬氣壓力，應選用低壓氣柜儲存，國內常用的有低壓干式氣柜和低壓濕式氣柜。低壓干式氣柜又分為稀油密封干式氣柜及卷簾干式氣柜，低壓濕式氣柜分為低壓螺旋濕式氣柜及直立式濕式氣柜。

蔡文石等[6]將氣柜回收工藝和壓縮機直吸回收工藝進行了經濟性比較,采用了壓縮機直接抽吸回收方案即各裝置的火炬氣經氣液分離罐分出液體后,引入水封罐,利用水封罐水位控制壓縮機吸入壓力。火炬氣經壓縮機提壓后,充到燃料氣管網做工業燃料氣。氣柜貯存和壓縮機直接抽吸兩類方案的最大的區別在于氣柜貯存可將企業正常生產時排放的火炬氣全部回收,而壓縮機直接抽吸只能部分回收，但氣柜貯存較壓縮機直接抽吸占地面積大,投資大,氣柜低位時需補充氣源。輸出氣壓穩定，投資大，事故流量波動大時不能完全回收火炬氣。無氣柜不加壓工藝投資小，可全部回收，但引起壓力不穩定不能直接供加熱爐使用。趙彥詠[7]等對中國石油蘭州石油化工公司乙烯裝置配套的火炬氣系統技術改造提出建議，退役兩臺超期服役的往復式壓縮機，保留原有的3臺螺桿式壓縮機，增加6 000 m3/h的水環式壓縮機。水環式壓縮機通過增加壓縮級數,即可提高壓縮機出口壓力,達到回收火炬氣壓力等級要求。在此壓力等級基礎上,通過增加部分壓縮機段間換熱設備即可達到回收火炬氣中重組分碳四和碳五的目的。

變壓吸附分離氣體的基本原理是利用吸附劑對不同氣體在吸附量、吸附速度和吸附力等方面的差異，以及吸附劑的吸附容量隨壓力變化而變化的特性，在加壓條件下完成混合氣體的吸附過程，在降壓條件下脫附被吸附氣體的各組分，從而實現氣體的分離及吸附劑的循環使用。變壓吸附以其工藝簡單、節能效果顯著、基本無污染排放等特點顯示出較廣闊的應用前景。各種傳統火炬氣回收工藝比較見表1[8]。

表1　傳統火炬氣回收工藝優缺點

2.2水合物法火炬氣回收工藝

水合物法是最新提出的用于分離回收石油化工廠火炬氣的新工藝方法之一。水合物法氣體分離的原理是水合物晶體中僅包含水和水合物形成物，且水合物形成物在水合物晶體中的組成與其在原氣相中的組成不同，而且不同的氣體組分生成水合物的壓力相差很大，因此通過形成水合物易造成某些氣體組分的分離，從而實現氣體分離。王海秀等[8]提出了利用水合分離技術回收石油化工廠火炬氣的概念流程，即從火炬氣通入水合反應器Ⅰ，把火炬氣中的碳二～碳四組分分離出來，若碳二～碳四組分體積分數較高，則去往回收單元以進一步分離提純，作化工原料使用；若火炬氣中碳二～碳四組分體積分數較低，則進入燃料氣系統作為燃料氣使用。從水合反應器Ⅰ頂部出來的剩余氣體進入水合反應器Ⅱ，進行脫碳處理，生成的二氧化碳水合物分解后將二氧化碳回收利用，工藝流程與脫硫相似。從水合反應器Ⅱ頂部出來的剩余氣體進入水合反應器Ⅲ，在十二烷基硫酸鈉(SDS)的促進作用下生成天然氣水合物，提高水合物相中甲烷的含量，經固液分離后進行固態儲存[9]。最后從水合反應器Ⅲ頂部出來的氣體剩下氮氣和氫氣，經過低溫加壓液化，變成液氮和氫氣。水合物生成壓力高、生成速率慢等因素是目前該技術發展的重點難點。

2.3膜分離法火炬氣回收工藝

氣體膜分離法裝置簡單、操作方便，投資費用低(成本比吸附法低25%左右)，是當今世界上發展迅速的一項節能型氣體分離回收技術。氣體膜分離技術主要是根據混合原料氣中各組分在壓力的推動下，通過膜的相對傳遞速率不同而實現分離。氣體膜分離是一種“綠色技術”，與傳統的分離技術(吸附、吸收、深冷分離)相比具有低能耗、無驅動設備、維修簡便、工藝簡單、操作方便、裝置投資省等優點[10],具有廣泛的應用前景和強勁的競爭優勢。目前常見的氣體通過膜的分離機理有三大類：(1)通過均質聚合物膜的滲透模型；(2)通過多孔膜的微孔擴散模型；(3)通過復合膜及非對稱膜的阻力模型。已經應用于氣體膜分離領域的高分子膜材料有聚酰亞胺(PI)，醋酸纖維素(CA)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚砜(PS)，聚碳酸酯(PC)等。其中PDMS從結構上看屬半無機、半有機結構的高分子，具有許多獨特性能，是目前發現的氣體滲透性能最好的高分子膜材料之一。美國和日本已經成功的用它及其改性材料制成富氧膜[11]。王學松等[12]采用活化涂敷技術制成的PDMS/PS復合膜，可使氫氣/氮氣的分離因子達到60。Chung等[13]制成了多層中空纖維復合膜，其底膜為聚砜，選擇性活性層為聚乙烯基吡啶(PVP)，用PDMS堵孔密封，許多氣體在這種多層中空纖維復合膜的滲透速率都較好，用來分離氫氣/氮氣的分離因子為104。氣體膜分離技術在工業中的應用很廣，目前應用最多的是回收氫氣,潛力最大的是空氣分離,應用于石油化工行業氣體凈化的應用還處于工業化初期階段。

2.4火炬氣回收工藝比較

然而不管是新興的膜技術、水合物法還是傳統的火炬氣回收工藝都具有自己的適用范圍,不能獨自解決所有的問題[14]。因此積極尋求膜技術和其他烴類氣體分離技術的結合不失為一種合理的方法。有關研究結果表明：壓縮冷凝+膜分離法取得了前者單獨操作時所得不到的最佳效果，在所有分離提純氮氣工藝中綜合能耗最低。壓縮冷凝+膜分離法對于有機氣體與氮氣的分離回收效果最好：對于丙烯、氯乙烯、乙烯單體的回收率可高達90%以上，可將氮氣純化為95%以上。蔣國梁[15]等成功地將膜分離法與深冷法聯合用于催化裂化干氣的分離,回收其中的絕大部分氫氣,并得到較高純度的乙烯、丙烯等化工原料。高根煜[16]等采用壓縮、冷凝與氣體分離膜相結合的方法回收廢氣中的三氟二氯乙烷(HCFC-123),可使廢氣中該物質體積分數由6.3%降到0.01%。王海秀[8]等采用膜分離與壓縮冷凝相結合的方法回收丙烯尾氣，首先低壓尾氣丙烯經壓縮和冷凝后,部分丙烯被液化,而隨氮氣等不凝氣體排放的丙烯經過膜分離后,再進入氣柜,經壓縮和冷凝而得到回收。張為民采用采用膜法與壓縮冷凝相結合回收丁二烯槽車余氣，槽車混合氣相經緩沖罐穩定壓力后進入壓縮機升壓，之后進入冷凝器，在分液罐得到液相丁二烯，不凝相則經過精密過濾器進入到丁二烯膜單元進行分離。該系統運行穩定，丁二烯回收率超過90%，尾氣中的氮氣體積分數大于95%以上，有效分離回收了槽車排放氣中的丁二烯。膜法和其他方法的結合不但有可能找到更加理想的經濟、效率結合點,還可以拓寬膜技術的使用范圍。

3碳五裝置火炬氣回收方案探討

目前國內大部分的碳五裝置火炬氣都采用直接燃燒處理，來自罐區、碳五裝置和異戊烯裝置的火炬氣匯集后經分液罐、水封罐、總管蝶閥、阻火器進行點火燃燒，工藝流程如圖1所示。

圖1　碳五裝置火炬氣燃燒系統

若要回收該火炬氣，需將進入水封罐的火炬氣進行抽吸，進入火炬氣回收系統，工藝流程如圖2所示。

壓縮冷凝單元或變壓吸附預分離單元的主要目的是脫除大部分的氮氣組分。具體選擇哪種方式應綜合考慮投資成本、操作條件、裝置規模及工業應用的成熟性。該碳五裝置火炬氣中氮氣的含量較高，無論是作為燃料或原料使用，都必須將氮氣含量降至一定的濃度，因為前者對于燃料的熱值有一定的規格要求，而后者則會因氮氣混入到氫氣或甲烷中，影響這些產品的品質，并增加后續單元的能耗。因此，必須先脫除火炬氣中的大部分氮。預處理后(壓縮冷凝或變壓吸附單元)流出有兩股，流股a主要組分是氮氣，并含少量氫氣和甲烷等，該流股如再分離提純成本高，可直接去往燃燒用戶或作為火炬筒體或分子封的連續吹掃氣。流股b主要組分為碳二～碳六等組分及較少量氮氣，去往膜分離單元以進一步分離提純有價值組分。

圖2　碳五裝置火炬氣回收系統

膜分離單元流出兩股，流股c主要組分是碳二～碳四及少量氮氣，可直接去燃燒系統或返回乙烯裝置做原料。流股d主要組分是碳五～碳六，該流股可直接作為燃料回收能源或進一步分離做碳五原料或進一步處理作為汽油添加劑，具體應根據需要及實際情況確定。

4結語

傳統的火炬氣處理技術各有其優缺點及適用范圍，新興起的水合物分離技術和膜分離技術給我們帶來了新的思路和挑戰，水合物形成壓力高、速率慢的問題，膜材料的氣體滲透率、滲透選擇性、化學穩定性以及熱穩定性等進一步優化問題，以及如何利用好傳統技術的優點及經驗都是今后研究的方向。同時，根據實際情況將不同技術結合使用達到高效、節能、環保才是最終的目標。

參考文獻

[1]索晨霞，梁海霞.火炬氣回收裝置的技術經濟分析[J].技術經濟,2000(4):57-59.

[2]徐陽陽.火炬氣的結焦性能研究及其預防措施與應用[D].南京：南京工業大學，2006：1-85.

[3]陳永江.火炬氣回收裝置的技術經濟分析[J].石油化工設計,2002,19(3):11-13.

[4]魏振強，于卿，王曉文.壓縮機在火炬氣回收系統的選型淺析[J].壓縮機技術，2011(5):28-31.

[5]譚洪艷.煉油廠火炬氣回收設計[J].冶金能源,2005,24(2):47-49.

[6]蔡文石，張東平.石油化工聯合企業的火炬氣回收與利用[J].遼寧化工,1994(4):30-32.

[7]趙彥詠,盧曉紅.乙烯裝置火炬氣利用及發展[J].石化技術與應用,2002,20(1):29-31.

[8]王海秀,周錫堂.水合物法分離回收石油化工廠火炬氣工藝研究[J].現代化工,2013，33(7):106-110.

[9]韓小輝,王勝杰,陳孝彥.表面活性劑加速天然氣水合物生成實驗研究[J].天然氣工業,2002(5):90-93.

[10]Crank J.The Mathematics of Diffusion[M].2nd ed.Clarendon:Oxford,1975.

[11]彭福兵.中空纖維復合膜回收氫氣分離過程研究[D].天津：天津大學，2003：1-85.

[12]王學松,氣體分離用聚砜中空纖維膜的活化涂敷技術[J].化工進展，2001,20(4):35-36

[13]Chung T S,Shieh J-J,Lau W W Y,et al.Fabrication of multi-layer composite hollow fiber membranes for gas separation[J].Journal of Membrane Science,1999,152(2):211-225.

[14]湯明,肖澤儀,史曉燕.膜技術在含烴類氣體分離中的研究及前景[J].過濾與分離,2005(4):21-23.

[15]蔣國梁,徐仁賢,陳華.膜分離法與深冷法聯合用于催化裂化干氣的氫烴分離[J].石油煉制與化工,1995(1):26-29.

[16]高根煜.廢氣中烴類的排放控制和回收利用技術[J].工業安全與環保,2004,30(3):11-13.

Research Advance of Recovery of Flare Gas Recycling

Yao Yajuan

(FineChemicalDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.，Shanghai200540)

ABSTRACT

Keywords：C5 separation unit,flare gas,recycling,analysis,discussion of recycling plan

收稿日期：2016-01-13。

作者簡介：姚亞娟，女，1984年出生，2010年畢業于太原理工大學化學工藝專業，工程師，現從事化工工藝研究工作。

文章編號：1674-1099(2016)02-0058-05中圖分類號：TE992.1

文獻標識碼：A

Recycling of flare gas has dual significance of saving resources and improving the environment.Based on the discharging situation of flare gas from C5separation unit,the source and composition of flare gas were analyzed.Discussion was made for the recycling plan of flare gas from the unit on the basis of current technology at home and abroad.