石油化工生产装置火炬气回收研究

石油化工生产装置火炬气回收研究

轻火系统是原油生产装置中不可或缺的安全装置。它的作用是将燃料气体燃烧在正常生产和事故状态下。正常操作状况下,火炬气的主要来源为系统压力调整排放气体、装置物料不平衡排放气体、装置系统泄漏气体、必须排放的易燃/易爆气体、储罐区(塔、球罐、容器等)释放的气体,其主要成分是碳氢化合物、氢气、二氧化碳等中国石油化工股份有限公司(以下简称中国石化)早在1996年就提出了彻底熄灭火炬的计划,并制定了《石油化工企业熄灭火炬考核验收标准》,中国石化系统内各炼油、化工、化纤、化肥企业在生产过程中均展开了资源节约和综合利用、回收火炬气、熄灭火炬、改善环境污染的工作,取得了良好的效果1甲醇及甲醇回收过程碳五装置是以乙烯装置副产裂解碳五馏分为原料,包括原料预处理、一萃精馏、二萃精馏、精制、溶剂回收及辅助等6个单元组成。为了提高碳五分离装置副产物的利用价值,一般还配套有异戊烯装置,即以碳五分离装置副产粗异戊烯和甲醇为原料,包括原料预处理、醚化、甲醇回收、甲基叔戊基醚精制、醚解、水洗及异构化、产品精制、加氢、精馏等工序。生产装置的各个工序在正常生产状态下均产生一定量的可燃性火炬气,包括系统压力调整排放、物料不平衡排放、装置系统泄漏、装置开停车吹扫及储罐区原料产品装卸等过程。碳五装置火炬气组分较为复杂,其组成时刻都在发生变化,相对平均分子质量、密度和热值等物性也在一定范围内变动。因此选取一段时间内火炬气组成取平均值,各个组分的体积分数如下:氮气63.08%,氢气21.05%,戊烷5.76%,甲烷4.93%,碳二烯烃3.01%,碳六以上烷烃3.31%,丁烷1.53%,丙烷1.17%,碳四烯烃1.21%。2原料再加工法目前,国内外火炬气的回收方法主要分为原料型和燃料型两种。原料型是将火炬气中的有用成分回收作为生产原料进行再加工来增加产品产量,该法适用于火炬气中包含某种含量较高的个别有用组分的情况,这种方法需要考虑工艺上的可能性和经济上的合理性。燃料型是将回收的火炬气作为燃料使用,这种情况通常适合比较大的化工装置,尤其适用于石油化工装置这种火炬气整体组分过于复杂,很难分离提取其中某一组分的情况2.1直接抽吸压缩回收技术一般火炬系统包括火炬放空系统和火炬气回收系统,火炬放空系统主要由火炬管网、分液罐、水封罐、火炬及自动点火系统组成。事故状态及非正常工况下排放的火炬气送至火炬系统后,进入分液罐分离携带的液体,随后突破水封,通过火炬筒体在火炬头处放空燃烧。正常排放的火炬气由于压力低,不能将水封顶开,将进入火炬回收系统。因此增加火炬回收系统首先要保证事故状态能安全排放的前提下进行。传统的火炬气回收工艺主要有压缩冷凝法(包括直接抽吸压缩回收、气柜贮存回收、无气柜不加压回收等)、吸附法等。压缩冷凝法常作为净化高浓度有机气体的前处理,不适宜处理低浓度的有机气体。吸附法净化效率高,适用于处理中低浓度有机气体,工艺过程简单、能耗低,但吸附剂容量有限,需大量吸附剂,且吸附解吸频繁,要求自动化程度高,其缺点是成本较高。直接抽吸压缩回收包括一级水封保护型和二级水封保护型。两者的主要区别在于二级水封保护型有燃料气混合罐,设置燃料气混合罐的目的是为了缩小火炬气组成波动对加热炉的影响。水封主要是起安全保护作用,选用一级水封或二级水封要视实际情况而定。气柜贮存回收工艺包括低压型和加压型,加压型是指气柜贮存的气体经压缩机加压后再进入燃料系统。压缩机和气柜是火炬气回收系统中非常重要的设备,其选型直接关系到整个工艺方案是否可行,用于火炬气回收的压缩机主要有往复式、螺杆式和液环式3种。由于火炬气的流量和组成波动很大,压缩机的选择比较困难。在选择压缩机前,应对火炬气的流量和组成进行长期测定,求其平均值,根据平均值选择压缩机。活塞式压缩机在中国石油化工股份有限公司高桥分公司火炬气回收设施的使用情况表明,因火炬气中含有丁二烯等组分,在压缩过程中易在压缩机中自聚结焦,造成压缩机故障较多,需要经常检修。中国石油化工股份有限公司燕山分公司和齐鲁分公司采用水环式压缩机回收火炬气,工艺流程简单,占地少,操作方便,效益较好。但是国内目前尚无合适的水环式压缩机,需从国外引进。螺杆压缩机兼有往复式和离心式的优点,气量可调节,操作平稳,且能处理湿气体,但要求驱动电机防爆。国产湿式螺杆压缩机组的使用情况表明,这种压缩机适应性强,运行稳定,能满足火炬气回收的特殊要求,而且与能力相近的引进水环式压缩机相比,国产湿式螺杆压缩机价格几乎便宜一半。另据统计,3种形式的压缩机的市场占有量分别为:往复式压缩机占6%,螺杆压缩机约占4%,液环压缩机90%蔡文石等变压吸附分离气体的基本原理是利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度和吸附力等方面的差异,以及吸附剂的吸附容量随压力变化而变化的特性,在加压条件下完成混合气体的吸附过程,在降压条件下脱附被吸附气体的各组分,从而实现气体的分离及吸附剂的循环使用。变压吸附以其工艺简单、节能效果显著、基本无污染排放等特点显示出较广阔的应用前景。各种传统火炬气回收工艺比较见表12.2气体分离的原理水合物法是最新提出的用于分离回收石油化工厂火炬气的新工艺方法之一。水合物法气体分离的原理是水合物晶体中仅包含水和水合物形成物,且水合物形成物在水合物晶体中的组成与其在原气相中的组成不同,而且不同的气体组分生成水合物的压力相差很大,因此通过形成水合物易造成某些气体组分的分离,从而实现气体分离。王海秀等2.3气体膜分离技术气体膜分离法装置简单、操作方便,投资费用低(成本比吸附法低25%左右),是当今世界上发展迅速的一项节能型气体分离回收技术。气体膜分离技术主要是根据混合原料气中各组分在压力的推动下,通过膜的相对传递速率不同而实现分离。气体膜分离是一种“绿色技术”,与传统的分离技术(吸附、吸收、深冷分离)相比具有低能耗、无驱动设备、维修简便、工艺简单、操作方便、装置投资省等优点2.4热能回收技术的比较然而不管是新兴的膜技术、水合物法还是传统的火炬气回收工艺都具有自己的适用范围,不能独自解决所有的问题3单元利用方式目前国内大部分的碳五装置火炬气都采用直接燃烧处理,来自罐区、碳五装置和异戊烯装置的火炬气汇集后经分液罐、水封罐、总管蝶阀、阻火器进行点火燃烧,工艺流程如图1所示。若要回收该火炬气,需将进入水封罐的火炬气进行抽吸,进入火炬气回收系统,工艺流程如图2所示。压缩冷凝单元或变压吸附预分离单元的主要目的是脱除大部分的氮气组分。具体选择哪种方式应综合考虑投资成本、操作条件、装置规模及工业应用的成熟性。该碳五装置火炬气中氮气的含量较高,无论是作为燃料或原料使用,都必须将氮气含量降至一定的浓度,因为前者对于燃料的热值有一定的规格要求,而后者则会因氮气混入到氢气或甲烷中,影响这些产品的品质,并增加后续单元的能耗。因此,必须先脱除火炬气中的大部分氮。预处理后(压缩冷凝或变压吸附单元)流出有两股,流股a主要组分是氮气,并含少量氢气和甲烷等,该流股如再分离提纯成本高,可直接去往燃烧用户或作为火炬筒体或分子封的连续吹扫气。流股b主要组分为碳二~碳六等组分及较少量氮气,去往膜分离单元以进一步分离提纯有价值组分。膜分离单元流出两股,流股c主要组分是碳二~碳四及少量氮气,可直接去燃烧系统或返回乙烯装置做原料。流股d主要组分是碳五~碳六,该流股可直接作为燃料回收能源或进一步分离做碳五原料或进一步处理作为汽油添加剂,具体应根据需要及实际情况确定。4传统技术及其改进传统的