石油化工生產(chǎn)裝置火炬氣回收研究

石油化工生產(chǎn)裝置火炬氣回收研究

輕火系統(tǒng)是原油生產(chǎn)裝置中不可或缺的安全裝置。它的作用是將燃料氣體燃燒在正常生產(chǎn)和事故狀態(tài)下。正常操作狀況下,火炬氣的主要來源為系統(tǒng)壓力調(diào)整排放氣體、裝置物料不平衡排放氣體、裝置系統(tǒng)泄漏氣體、必須排放的易燃/易爆氣體、儲罐區(qū)(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(yè)熄滅火炬考核驗收標準》,中國石化系統(tǒng)內(nèi)各煉油、化工、化纖、化肥企業(yè)在生產(chǎn)過程中均展開了資源節(jié)約和綜合利用、回收火炬氣、熄滅火炬、改善環(huán)境污染的工作,取得了良好的效果1甲醇及甲醇回收過程碳五裝置是以乙烯裝置副產(chǎn)裂解碳五餾分為原料,包括原料預(yù)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(chǎn)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(chǎn)粗異戊烯和甲醇為原料,包括原料預(yù)處理、醚化、甲醇回收、甲基叔戊基醚精制、醚解、水洗及異構(gòu)化、產(chǎn)品精制、加氫、精餾等工序。生產(chǎn)裝置的各個工序在正常生產(chǎn)狀態(tài)下均產(chǎn)生一定量的可燃性火炬氣,包括系統(tǒng)壓力調(diào)整排放、物料不平衡排放、裝置系統(tǒng)泄漏、裝置開停車吹掃及儲罐區(qū)原料產(chǎn)品裝卸等過程。碳五裝置火炬氣組分較為復(fù)雜,其組成時刻都在發(fā)生變化,相對平均分子質(zhì)量、密度和熱值等物性也在一定范圍內(nèi)變動。因此選取一段時間內(nèi)火炬氣組成取平均值,各個組分的體積分數(shù)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原料再加工法目前,國內(nèi)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(chǎn)原料進行再加工來增加產(chǎn)品產(chǎn)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(jīng)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(fù)雜,很難分離提取其中某一組分的情況2.1直接抽吸壓縮回收技術(shù)一般火炬系統(tǒng)包括火炬放空系統(tǒng)和火炬氣回收系統(tǒng),火炬放空系統(tǒng)主要由火炬管網(wǎng)、分液罐、水封罐、火炬及自動點火系統(tǒng)組成。事故狀態(tài)及非正常工況下排放的火炬氣送至火炬系統(tǒng)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(tǒng)。因此增加火炬回收系統(tǒng)首先要保證事故狀態(tài)能安全排放的前提下進行。傳統(tǒng)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(qū)別在于二級水封保護型有燃料氣混合罐,設(shè)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(jīng)壓縮機加壓后再進入燃料系統(tǒng)。壓縮機和氣柜是火炬氣回收系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備,其選型直接關(guān)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(fù)式、螺桿式和液環(huán)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(yīng)對火炬氣的流量和組成進行長期測定,求其平均值,根據(jù)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(shè)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(jié)焦,造成壓縮機故障較多,需要經(jīng)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(huán)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(nèi)目前尚無合適的水環(huán)式壓縮機,需從國外引進。螺桿壓縮機兼有往復(fù)式和離心式的優(yōu)點,氣量可調(diào)節(jié),操作平穩(wěn),且能處理濕氣體,但要求驅(qū)動電機防爆。國產(chǎn)濕式螺桿壓縮機組的使用情況表明,這種壓縮機適應(yīng)性強,運行穩(wěn)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(huán)式壓縮機相比,國產(chǎn)濕式螺桿壓縮機價格幾乎便宜一半。另據(jù)統(tǒng)計,3種形式的壓縮機的市場占有量分別為:往復(fù)式壓縮機占6%,螺桿壓縮機約占4%,液環(huán)壓縮機90%蔡文石等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(xiàn)氣體的分離及吸附劑的循環(huán)使用。變壓吸附以其工藝簡單、節(jié)能效果顯著、基本無污染排放等特點顯示出較廣闊的應(yīng)用前景。各種傳統(tǒng)火炬氣回收工藝比較見表12.2氣體分離的原理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(xiàn)氣體分離。王海秀等2.3氣體膜分離技術(shù)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(dāng)今世界上發(fā)展迅速的一項節(jié)能型氣體分離回收技術(shù)。氣體膜分離技術(shù)主要是根據(jù)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(xiàn)分離。氣體膜分離是一種“綠色技術(shù)”,與傳統(tǒng)的分離技術(shù)(吸附、吸收、深冷分離)相比具有低能耗、無驅(qū)動設(shè)備、維修簡便、工藝簡單、操作方便、裝置投資省等優(yōu)點2.4熱能回收技術(shù)的比較然而不管是新興的膜技術(shù)、水合物法還是傳統(tǒng)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3單元利用方式目前國內(nèi)大部分的碳五裝置火炬氣都采用直接燃燒處理,來自罐區(qū)、碳五裝置和異戊烯裝置的火炬氣匯集后經(jīng)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。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(tǒng),工藝流程如圖2所示。壓縮冷凝單元或變壓吸附預(yù)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(yīng)綜合考慮投資成本、操作條件、裝置規(guī)模及工業(yè)應(yīng)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(guī)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(chǎn)品的品質(zhì),并增加后續(xù)單元的能耗。因此,必須先脫除火炬氣中的大部分氮。預(yù)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(xù)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。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(tǒng)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(yīng)根據(jù)需要及實際情況確定。4傳統(tǒng)技術(shù)及其改進傳統(tǒng)的