煉廠干氣中回收氫氣和輕烴的耦合工藝研究

何學坤 崔久濤 馮寶林

摘 ?????要：在目前常用的膜分離和變壓吸附分離回收氫氣工藝和油吸收回收輕烴工藝的基礎上，針對某煉廠干氣的氫氣含量、輕烴含量、壓力和裝置規模設計了由膜分離和PSA分離回收氫氣、油吸收回收輕烴的耦合工藝，并且使用PROII軟件對流程進行模擬與優化，確定了較優的操作參數，最終得到最優的工藝技術方案。該工藝按照氫氣含量高低對煉廠干氣實施分級利用，既可以回收氫氣和輕烴資源，減少浪費又可降低裝置加工成本，以及緩解廠內氫氣資源緊缺的問題，實現企業新的經濟增長方式，將為煉廠提供新的效益增長點，提高企業經濟效益。另外，耦合回收工藝處理可以提高瓦斯熱值，從而增加瓦斯管網穩定性和加熱爐系統的安全性。

關 ?鍵 ?詞：煉廠干氣;氫氣回收;輕烴回收;耦合工藝

中圖分類號：TQ 202??????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0162-05

Study on the Coupling Process of Hydrogen and Light

Hydrocarbon Recovery From Refinery Dry Gas

HE Xue-kun， CUI Jiu-tao， FENG Bao-lin

（China National Petroleum Corporation Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.， Liaoning Dalian?116085， China）

Abstract： On the basis of the commonly used membrane separation and pressure swing adsorption processes for hydrogen recovery and the oil absorption process for light hydrocarbon recovery， a coupling process?of membrane separation，PSA and?oil absorption for recovering hydrogen and light hydrocarbon was designed according to the hydrogen content， light hydrocarbon content?and?pressure?of dry gas and plant?scale in?a refinery. Furthermore， the process was?simulated and optimized by PROII software， and the optimal operation parameters were?determined， and the optimal technological scheme was?finally obtained. According to the level of hydrogen content， this process can utilize refinery dry gas in different stages， which can not only recover hydrogen and light hydrocarbon resources， reduce the waste， but also reduce the processing cost of the unit， alleviate the shortage of hydrogen resources in the plant， realize the new economic growth mode of the enterprise， and provide a new point of economic growth for the refinery. In addition， the gas calorific value can be increased by?the?coupling recovery process， thereby increasing the stability of gas pipeline network and the safety of heating furnace system.

Key words： Refinery gas; Hydrogen recovery; Light hydrocarbon recovery; Coupling process

煉油廠的加氫裝置生產運行過程中，加氫過程會伴隨產生組分為氫氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等的煉廠干氣，煉廠干氣的生產總量約占整個裝置加工量的5%左右^[1]。煉廠干氣中富含有氫氣、乙烷、LPG、輕汽油等高附加值物質，其中氫氣可以作為煉廠加氫裝置生產原料，乙烷可作為乙烷脫氫裝置的生產原料來生產乙烯;LPG、C₅輕油可用于化工裝置生產化工原料，或者直接用于車用及民用燃料。在煉油廠加工過程中，氫氣作為原料的用量一般占整個煉廠原油加工量的0.8%～1.4%。在煉油廠企業生產裝置中，連續重整裝置生產的重整氫氣是最理想的氫源，但是重整氫氣的產量最多只能占到原油加工量的0.5%^[2]，因此煉油廠內的連續重整裝置生產的氫氣遠不能滿足煉油廠對氫氣日益增加的需求，所以煉油廠只能通過新建原料為天然氣或煤炭的制氫裝置來彌補氫氣的不足。此外，煉油廠面對質量越來越差的原油和越來越高的產品質量要求的雙重壓力，使得加氫生產裝置得到越來越廣泛的應用^[3]，隨之帶來越來越多的加氫生產裝置的投產，如此一來，煉油廠內投產的加氫裝置對氫氣的需求量也不斷增加，同時這些加氫生產裝置也會有大量的煉廠干氣（富氫氣）外排至瓦斯管網作為低價值原料使用或燃料燒掉，不僅造成煉油廠內氫氣資源的極大浪費，同時也降低了煉油廠內瓦斯熱值，造成瓦斯管網壓力不穩定，對煉油廠內各裝置的加熱爐產生一定影響，而且存在一定的安全隱患。如果能夠回收煉廠干氣中的氫氣和富C₂+產品，降低企業制氫氣成本，得到高附加值的LPG、乙烯原料、C₅輕油產品，不僅可以提高煉廠的綜合經濟效益和消除瓦斯系統不穩定造成的安全隱患問題，還將為社會帶來巨大的經濟效益和環境效益。

1 ?煉廠干氣回收工藝

目前，工業上煉廠干氣回收工藝主要包括氫氣回收工藝和輕烴回收工藝。氫氣回收常采用的工藝包括：變壓吸附分離工藝（簡稱為PSA）、膜分離工藝、深冷分離工藝、以及膜分離+PSA耦合工藝。常采用的輕烴回收工藝包括：油吸收工藝、壓縮冷凝工藝和有機蒸汽膜工藝^[4，9]。

2 ?煉廠干氣回收存在的主要問題

變壓吸附工藝、膜分離工藝、壓縮冷凝工藝、油吸收工藝等技術都在回收煉廠干氣中的高價值組分方面得到較為廣泛的應用。但考慮到煉廠干氣來源的多樣性、組成的復雜性和壓力的差異性以及各種分離技術使用范圍的局限性，針對不同煉廠干氣的特點，應選用適宜的分離技術，打破單一技術回收的瓶頸;應開發出以膜分離技術為核心的多技術梯級耦合回收流程，充分高效地回收煉廠干氣中的高附加值資源，為企業創造經濟效益和社會效益。目前各工藝存在著一些不足，主要表現在以下幾個方面^[7]：

第一，目標產品單一。變壓吸附工藝和膜分離工藝只能回收氫氣組分，但是對LPG及輕烴組分未處理。而油吸收工藝、壓縮冷凝工藝只能回收LPG和輕油，不能回收氫氣組分。

第二，收率不高。只有得到單一組分，處理后的剩余氣量還是非常大，而且其他高附加值的物質依然作為燃料直接燒掉。

第三，能量利用效率低。處理煉廠干氣的工藝過程中都需要升壓，壓縮機的功耗很大一部分都被處理后的氣體帶走，損失較大。

如何充分發揮現有各種技術優勢，實現煉廠干氣中資源的綜合回收，提高分離過程的能量利用率和資源的回收率，是耦合分離工藝的特點和目標。

3??綜合回收煉廠干氣的工藝優化

3.1??工藝設計與優化的基礎

本文在傳統工藝設計和分析的基礎上，設計研究了氫氣提純、壓縮/冷凝、油吸收的綜合回收煉廠干氣工藝，并使用PROII流程模擬軟件對工藝流程進行模擬計算和優化工藝流程設計，確定工藝流程中各設備的操作參數，同時分析設計工藝的經濟效益。

優化工藝流程目的是為獲得最高經濟效益。本文評價工藝裝置的經濟效益方法如下：通常按照生產的產品總值減去原材料費用、操作費用、設備折舊費用、管理費用和人工費用，暫不考慮人員的增減、設備的改變等因素對經濟效益的影響，經濟效益用產品總值減去原材料費用、公用工程費用和新增投資費用來計算，其公式如（1）^[6]：

M=?????（1）

式中：M?—經濟效益，元/h;

B?—產品價格，元/t;

P—產品總量，kg/h;

F?—原材料費用，元/h;

U?—公用工程費用，元/h;

i?—產品數量;

C?—年新增設備投資，元;

h?—年生產時數，按8?400?h計;

μ—折舊系數。對于氫氣膜分離撬塊，使用壽命為8年，取折舊

系數為0.125。其他設備使用壽命為20年，取折舊系數為0.05。

產品包括LPG、C₅輕油、氫氣以及殘余的尾氣。產品總值為LPG、C₅輕油、氫氣以及殘余的尾氣價值之和。公用工程考慮了低壓蒸汽、壓縮機用電、制冷用電、循環水等，見表1。

投資回報率也是化工設計時需考慮的重要參數，可用產出投入比簡單估算。在本文中，產出投入比為經濟效益與公用工程消耗和新增設備投資費用之和的比例，未將原料消耗計入^[8]。

公式如下：產出投入比=???（2）

3.2??原料基礎數據

煉廠干氣來自全廠各個加氫和制氫裝置，它們分別是：重整裝置的PSA解吸氣（簡稱WL1）、東區火炬氣回收裝置的火炬放空氣（簡稱WL2）、西區火炬氣回收裝置的火炬放空氣（簡稱WL3）、2#柴油加氫改質裝置的低分氣（簡稱WL4）、1#柴油加氫改質裝置的低壓尾氣（簡稱WL5）、加氫脫酸裝置的低壓尾氣（簡稱WL6），見表2。

3.3??氫氣回收工藝方案對比

依據6股煉廠干氣的氫氣含量、輕烴含量和壓力參數，將其分成兩大類進入氫氣回收系統。

依據工藝方案對比得出，膜分離方案比變壓吸附方案不僅收率較高，而且投資較低，占地面積較小，操作簡單，控制點數少。另外考慮后續操作，膜分離與后續工藝流程匹配更好，因此一類煉廠干氣氫氣回收推薦采用膜分離方案。

第一類（一級氫氣回收單元）：重整PSA解吸氣和2#柴油改質裝置低分氣中的氫氣含量非常高，并且不含CO₂特殊雜質。兩股煉廠干氣經增壓和預處理后進入分離系統中，可生產純度達到95.0%以上的氫氣。針對原料性質和產品要求，選用膜分離和變壓吸附分離技術方案進行對比，見表3。

第二類（二級氫氣回收單元）：根據煉廠干氣性質（輕烴含量，含有CO₂組分）。選用了變壓吸附分離和膜分離+變壓吸附分離方案進行對比，輕烴回收選用壓縮冷凝和油吸收進行對比。以下是對氫氣回收和輕烴回收的兩種技術方案分別進行論述，見表4。

3.3.1 ?氫氣回收方案對比

根據上述兩種氫氣提純方案對比結果來看，PSA方案比膜分+變壓吸附分離方案的回收率稍低，但能耗更低，經濟效益更好，投資也更低，且操作更簡單。綜合考慮，二類煉廠干氣氫氣回收推薦采用變壓吸附分離技術。

3.3.2 ?二類煉廠干氣輕烴回收方案對比

根據上述兩種輕烴回收方案對比看出，壓縮冷凝方案不僅收率較低，而且投資較高;而油吸收方案雖然能耗稍高，但是回收率是壓縮冷凝方案的兩倍，同時該方案投資較低。因此，推薦采用油吸收方案。

3.4??總工藝方案

通過對兩大類煉廠干氣氫氣和輕烴回收技術方案一系列的綜合比較后，篩選出最后的工藝流程方案，即膜分離（一級氫回收）+油吸收（輕烴回收）+變壓吸附分離（二級氫回收）的綜合方案，詳見總工藝流程圖。

3.4.1 ?產品

本項目主要產品為氫氣、液化輕烴、尾氣。氫氣去氫氣管網，液化輕烴出界區去解吸處理，尾氣去燃料氣管網，其性質參數見表6。

3.4.2 ?公用工程消耗

本項目所需公用工程包括循環水、除鹽水、電、蒸汽、凈化風、氮氣等，公用工程消耗見表7。

3.4.3 ?輔助原料消耗

本項目所需輔助原料包括汽油、柴油等，汽油和柴油都是循環使用，各輔助原料消耗見表8。

3.4.4 ?工藝方案的經濟效益分析

根據本項目建設后的成本及產品的情況，計算成本與收益，分析該項目的財務效益，從經濟上分析可行性。本項目評價中涉及的原料及產品價格參考中國石油天然氣集團有限公司下屬煉廠平均價格計列。根據裝置的進料及輸出，計算成本及收益，進行效益評價見表9。

通過經濟分析可知，項目的各項經濟指標良好，既有較好的經濟效益又有較強的抗風險能力，能夠為企業帶來新的經濟增長方式，將為煉廠提供新的效益增長點，提高企業經濟效益。

4 ?結論

（1）煉廠干氣梯級回收工藝回收氫氣、輕烴等可以最大限度地利用煉廠能源和資源。

（2）膜分離、油吸收、變壓吸附等技術梯級耦合，通過采用不同分離技術的匹配和相互促進，實現能源梯級利用和資源梯級回收，提高資源組分的綜合回收率，降低分離能耗。

（3）對多氫少烴的煉廠干氣優先采用變壓吸附或者氫氣膜分離等進行氫氣回收，同時通過雙向富集實現輕烴濃縮，有利于輕烴的淺冷回收、減少低溫冷劑的消耗。

（4）對多烴少氫的煉廠干氣優先采用油吸收或者有機蒸汽膜分離等進行輕烴回收，同時通過雙向富集實現氫氣濃縮，有利于減小氫回收規模和能耗，提高產品純度。

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