高效利用煉廠尾氣及焦?fàn)t煤氣的技術(shù)研究

摘 要

摘要：介紹了一種高效利用煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的工藝流程，結(jié)合實(shí)例對(duì)流程各工序的氣體組成、相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：煉廠尾氣；焦?fàn)t煤氣；余氣利用Technical Study on High-effi
摘要：介紹了一種高效利用煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的工藝流程，結(jié)合實(shí)例對(duì)流程各工序的氣體組成、相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：煉廠尾氣；焦?fàn)t煤氣；余氣利用
Technical Study on High-efficiency Utilization of Refinery Tail Gas and Coke Oven Gas
LI Shu-wang，LU0 Dong-xiao
Abstract：A process flow for high-efficiency utilization of refinery tail gas and coke oven gas is introduced. The gas components in each procedure of the flow and the relevant parameters are analyzed with an example.
Key words：refinery tail gas；coke oven gas；residual gas utilization
1 概述
    煉廠尾氣是煉油廠原油加工過(guò)程中產(chǎn)生的多種組分混合氣體的統(tǒng)稱，煉油廠許多裝置都副產(chǎn)煉廠尾氣，但產(chǎn)量和組成有較大差異。一般煉廠尾氣總產(chǎn)量(以質(zhì)量計(jì))約占原油加工量的5%[1]。焦?fàn)t煤氣是鋼鐵企業(yè)煉焦過(guò)程中的副產(chǎn)物，也是混合氣體，生產(chǎn)1t焦炭產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣量約為420m3。
    無(wú)論是煉廠尾氣還是焦?fàn)t煤氣，都含有相當(dāng)可觀的氫氣組分，分離出來(lái)后用途很廣，附加值大為提高，且煉油廠或鋼鐵企業(yè)本身就是一個(gè)特大的氫氣產(chǎn)品用戶，氫氣自我需求量極大[2]?？墒牵捎诟鞣N原因，目前我國(guó)不少煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣中的氫氣組分并沒(méi)有完全被分離出來(lái)加以利用，不少被直接用作工業(yè)和民用燃料，造成資源的極大浪費(fèi)。因此，如何優(yōu)化出一種煉廠尾氣及焦?fàn)t煤氣的高效利用工藝技術(shù)，采用最經(jīng)濟(jì)的手段將其中的各個(gè)組分物盡其用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的來(lái)源與組成
    煉廠尾氣主要出自煉油廠常壓減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化、催化重整、異構(gòu)化、加氫裂化、加氫精制等裝置，其組成與原油質(zhì)量及煉制工藝流程有關(guān)。焦化廠副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣組成隨原料煤的質(zhì)量差異而變化，且受焦?fàn)t的操作條件影響㈨。典型的煉廠尾氣與焦?fàn)t煤氣組成見(jiàn)表1。
表1 典型的煉廠尾氣與焦?fàn)t煤氣組成
項(xiàng)目
煉廠尾氣
焦?fàn)t煤氣
體積分?jǐn)?shù)/%
H2
65.5
55.5
CH4
12.6
23.7
C2H6
11.0
0.0
N2+02
0.8
3.3
C0
0.0
8.1
C02
0.0
5.9
CmHn
10.1
3.5
高熱值/(MJ·m-3)
32.8
21.5
低熱值/(MJ·m-3)
29.5
19.5
華白數(shù)/(MJ·m-3)
50.6
32.7
燃燒勢(shì)
126.3
106.1
密度/(kg·m-3)
0.54
0.56
    盡管煉廠尾氣與焦?fàn)t煤氣組成并不是恒定的，產(chǎn)量也隨時(shí)變化，但有一點(diǎn)可以確定：煉廠尾氣與焦?fàn)t煤氣中的氫氣組分含量一般都較高，因而具有較高的分離價(jià)值。
3 高效利用煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣技術(shù)
3.1 存在的問(wèn)題及解決的思路
    對(duì)于煉廠尾氣的利用，國(guó)內(nèi)不少煉油廠缺乏整體優(yōu)化工藝，不少煉油廠將其直接用作生產(chǎn)裝置的燃料，甚至有不少煉油廠由于廠內(nèi)燃料氣系統(tǒng)負(fù)荷難以平衡的原因，不可避免地出現(xiàn)通過(guò)火炬燃燒而放空的現(xiàn)象，資源的浪費(fèi)令人惋惜。
   焦化廠的焦?fàn)t煤氣也存在利用不合理的現(xiàn)象，較為普遍的是就近用作鋼鐵企業(yè)的燃料或通過(guò)管道輸送至附近區(qū)域用作居民生活燃料，高附加值組分氫氣被當(dāng)作燃料燒掉了。
    鑒于此，擺在我們面前的課題是，選擇一種能夠高效合理利用煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的新工藝技術(shù)，以低成本生產(chǎn)模式，既分離提取出其中各種高附加值組分，又能使剩余組分發(fā)揮出最大的利用價(jià)值。
3.2 實(shí)施條件
   許多城市的煉油廠都與燃?xì)馍a(chǎn)企業(yè)為鄰，甚至雙方已經(jīng)形成了良好的合作關(guān)系，附近有城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)也可能與此距離不遠(yuǎn)。照此看來(lái)，如果能將鋼鐵企業(yè)、石化企業(yè)與燃?xì)馄髽I(yè)聯(lián)合起來(lái)，在兼顧各方利益的前提下，采用經(jīng)濟(jì)的方式首先提取煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣中的氫氣組分就近利用，之后將其他所有剩余氣體經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后制成符合要求的代天然氣產(chǎn)品供應(yīng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，那么，聯(lián)合體各方就會(huì)各得其所，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，互利互惠。在合作各方獲取效益的基礎(chǔ)上，同時(shí)使能源利用價(jià)值達(dá)到最高化，圓滿解決煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣中各組分物盡其用的問(wèn)題。
    在這個(gè)聯(lián)合體中，需要城市天然氣管網(wǎng)充當(dāng)一個(gè)吞吐量大的“肚子”角色，也就是一個(gè)能夠消化所有煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的特大用戶，使煉油廠和焦化廠生產(chǎn)裝置的負(fù)荷能夠隨時(shí)得以平衡，實(shí)現(xiàn)低質(zhì)物品(各種除去高附加值組分后的“廢氣”)替代高質(zhì)物品(天然氣)的高效利用，提升煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的綜合利用價(jià)值。
3.3 高效利用煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣工藝流程
    依據(jù)煉油廠、焦化廠和燃?xì)馄髽I(yè)的生產(chǎn)工藝，結(jié)合各方需求實(shí)際，綜合考慮各種分離提純工藝的生產(chǎn)成本與技術(shù)特征，我們提出一種高效利用煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的工藝流程，見(jiàn)圖1。
 
   工藝流程簡(jiǎn)介如下：
   ① 原料壓縮工序：升高原料氣壓力，獲取后續(xù)工序所需動(dòng)力。
   ② 凈化處理工序：由冷凍設(shè)備、換熱器、旋風(fēng)分離器等構(gòu)成。來(lái)自煉油廠的氫含量較高、具有回收價(jià)值的煉廠尾氣，與來(lái)自焦化廠的焦?fàn)t煤氣混合，進(jìn)入該工序換熱器中，從低溫氫氣(由高壓氫氣經(jīng)節(jié)流膨脹閥減壓獲取冷能)獲取冷量，從而降溫至5℃左右，再經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器分離，使混合氣體中的焦油、萘、C5以上重組分被分離出去。對(duì)于含硫量較高的氣體，可增設(shè)脫硫裝置預(yù)先進(jìn)行脫硫處理。
    ③ 有機(jī)膜分離工序(初分離)[4]：由多臺(tái)硅橡膠-聚礬復(fù)合膜分離器組成。上道工序除去相關(guān)雜質(zhì)后的原料氣體，進(jìn)入本裝置后，容易液化的C3及以上重組分優(yōu)先透過(guò)膜后成為滲透氣，此部分滲透氣熱值較高，壓力降低，可送入煉油廠和焦化廠燃料氣系統(tǒng)用作燃料，也可送入混配裝置作為生產(chǎn)代天然氣的原料。其他輕組分，主要是氫氣、甲烷等非滲透氣體，則依然保持較高的壓力，進(jìn)入第二道分離裝置——聚酯膜分離設(shè)備(精分離)。
    本工序膜分離器可以根據(jù)需要進(jìn)行串聯(lián)(并聯(lián))組合，對(duì)原料氣進(jìn)行兩級(jí)或多級(jí)分離，使得非滲透氣體組分更加純凈。非滲透氣依然保持著與原料氣接近的壓力。
   ④ 聚酯膜分離工序(精分離)：來(lái)自有機(jī)膜分離器出口的非滲透氣，以較高壓力進(jìn)入本工序。原料氣體中各組分進(jìn)入聚酯膜表面后滲透率差別較大，其中，H2的滲透率最高，其次是CO2，再次則是CH4。利用H2在膜上的滲透率高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)H2的分離。作為滲透氣，本工序H2的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)95%左右，成為初級(jí)氫氣產(chǎn)品。也可送入下道工序繼續(xù)提純(精制)，制取更高純度的H2產(chǎn)品。
    其余的CH4等非滲透氣組分，具有一定的壓力，既可作為燃料返回?zé)捰蛷S或焦化廠自身燃料氣系統(tǒng)燃燒，也可送入混配裝置作為生產(chǎn)代天然氣的原料。
    出于降低成本的考慮，本工序分離深度可根據(jù)實(shí)際需要，靈活掌握。
    本工序的膜材料，除采用聚酯外，還可采用聚砜等材料，工業(yè)上普遍采用的氣體膜分離器，是由聚砜材料制成的中空纖維管。
    ⑤ 脫硫、加壓工序：對(duì)進(jìn)入下一道變壓吸附工序的H2體積分?jǐn)?shù)達(dá)95%左右的氣體進(jìn)行脫硫處理，并加壓至所需壓力。
    ⑥ 變壓吸附工序(第3道分離)[5、6]：經(jīng)過(guò)脫硫、氫體積分?jǐn)?shù)高達(dá)95%左右的初級(jí)氫氣產(chǎn)品被加壓至吸附裝置所要求的壓力，然后進(jìn)入裝有分子篩的吸附塔。除H2之外的其他組分作為強(qiáng)吸附組分被吸附劑選擇吸附，弱吸附組分H2作為產(chǎn)品則從吸附床的另一端流出。被吸附劑吸附的組分經(jīng)過(guò)減壓被解吸，稱之為解吸氣，被送入混配裝置作為生產(chǎn)代天然氣的原料。
    利用多個(gè)吸附塔，交替經(jīng)過(guò)吸附、解吸、升壓3個(gè)循環(huán)過(guò)程，從而構(gòu)成吸附劑的吸附與再生的循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離提純H2組分的目的。和初分離工序類(lèi)似，變壓吸附塔可以串聯(lián)、并聯(lián)運(yùn)行。
    此工序的氫氣產(chǎn)品壓力較高，通過(guò)節(jié)流膨脹閥減壓后，氫氣溫度急劇下降，被送入凈化處理工序的換熱器中與原料氣進(jìn)行熱交換，原料氣由此獲取冷量，精制的H2產(chǎn)品溫度升高。
    經(jīng)過(guò)此工序分離后，產(chǎn)品氣中的氫氣純度達(dá)到99.99%(純氫產(chǎn)品)。若增加吸附裝置進(jìn)一步精制，還可得到高純氫產(chǎn)品(純度99.999%)和超純氫產(chǎn)品(純度99.9999%)。
    3道分離設(shè)備(有機(jī)膜、聚酯膜、變壓吸附)并非必須同時(shí)運(yùn)行?？筛鶕?jù)原料組成及對(duì)產(chǎn)品氫氣的純度要求，只開(kāi)啟其中的2道分離設(shè)備。比如，原料氣組分單一，對(duì)產(chǎn)品純度要求95%以下，這種情況下，只開(kāi)啟有機(jī)膜、聚酯膜分離設(shè)備即可滿足要求。
    ⑦ 混配工序：各種氣體進(jìn)入該生產(chǎn)裝置進(jìn)行調(diào)配、摻混，生產(chǎn)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的12T代天然氣，供應(yīng)城市天然氣管網(wǎng)。
    視其熱值及華白數(shù)，在摻混裝置中混入氣化后的液化石油氣(LPG)或液化天然氣(LNG)用于增熱(提高熱值)或者混入壓縮空氣降熱(降低熱值)，用以調(diào)配12T代天然氣的熱值與燃燒特性，確保其符合要求[7]。
    ⑧ 節(jié)流膨脹工序：高壓的高純度氫氣通過(guò)節(jié)流閥后，溫度和壓力均降低，低溫氫氣在凈化處理工序中的換熱器內(nèi)與原料氣換熱，原料氣獲取低溫冷能，氫氣產(chǎn)品升至常溫后供用戶使用。
3.4 實(shí)例分析
    結(jié)合某公司實(shí)際工藝流程，分兩種工況對(duì)裝置的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。一種是正常工況，即從煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣中分離氫氣組分的運(yùn)行工況；另一種是非正常工況，即氫氣組分不加分離，直接將煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣用作代天然氣產(chǎn)品生產(chǎn)原料的運(yùn)行工況。
    ① 分離氫氣組分的工況(正常工況)
    煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的流量分別為17800、8500m3/h，組成見(jiàn)表1，工藝流程中進(jìn)出各裝置的氣體組成和相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 進(jìn)出各生產(chǎn)裝置的氣體組成與相關(guān)參數(shù)
項(xiàng)目
凈化工序后
有機(jī)膜分離裝置
聚酯膜分離裝置
變壓吸附裝置
滲透氣
非滲透氣
滲透氣
非滲透氣
解吸氣
氫氣產(chǎn)品氣
體積分?jǐn)?shù)，%
H2
62.3
4.5
67.8
94.7
18.1
1.9
99.99
CH4
16.2
1.1
17.6
3.0
42.3
55.5
0.01
N2+02
1.6
0.2
0.2
O.0
4.8
0.0
0.0
C2H6
8.0
1.3
8.7
1.4
20.8
26.0
0.0
C0
2.6
0.7
2.7
0.3
6.8
5.5
0.0
C02
1.9
0.6
2.O
0.5
4.6
9.3
O.0
CmHn
7.4
91.6
1.0
0.1
2.6
1.8
0.0
高熱值/(MJ·m-3)
29.2
124.5
23.0
14.4
38.1
43.8
12.8
低熱值/(MJ·m-3)
26.1
114.9
20.5
12.3
34.6
39.8
10.8
華白數(shù)/(MJ·m-3)
44.8
89.0
40.3
43.5
45.3
48.4
48.3
燃燒勢(shì)
119.8
43.6
139.2
291.9
64.5
42.6
379.1
氣體密度/(kg·m-3)
0.51
2.50
0.42
0.11
0.92
1.03
0.12
流量/(m3·h-1)
26300
1846
24154
15306
8 848
825
14481
    經(jīng)過(guò)3道分離工序后，氫氣產(chǎn)品純度(體積分?jǐn)?shù))可達(dá)到99.99%以上[8]，產(chǎn)量為14481m3/h。分離過(guò)程中共產(chǎn)生3路剩余氣體，分別是：
   a. 含C3以上重組分的有機(jī)膜分離裝置滲透氣，流量為1846m3/h。因?yàn)闊嶂递^高、壓力較低，被送入煉油廠或焦化廠燃料氣系統(tǒng)作為生產(chǎn)裝置的燃料。
   b. 以CH4組分為主的聚酯膜分離裝置非滲透氣，流量為8848m3/h。送至混配裝置作為生產(chǎn)12T代天然氣的原料。
   c. 變壓吸附解吸氣，流量為825m3/h，送至混配裝置作為生產(chǎn)12T代天然氣的原料。
   上述送入混配裝置的兩路氣體合計(jì)流量為9673m3/h，需要增熱才能達(dá)到12T代天然氣產(chǎn)品的熱值要求。以LNG和LPG分別對(duì)其摻混增熱，摻混比例(氣相體積分?jǐn)?shù))分別為27.3%、4.8%時(shí)，總產(chǎn)量分別為13303m3/h和10158m3/h。兩種代天然氣組成與相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。
   對(duì)比《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸?lèi)和基本特性》GB/T 13611-2006，12T天然氣的燃燒特性參數(shù)范圍：華白數(shù)為：48.1～57.8MJ/m3；燃燒勢(shì)為：36～94?？梢?jiàn)，兩種增熱方式所生產(chǎn)的代天然氣產(chǎn)品均符合國(guó)標(biāo)要求，可以供應(yīng)城市天然氣管網(wǎng)。
表3 正常工況下兩種代天然氣組成與相關(guān)參數(shù)
項(xiàng)目
產(chǎn)品：代天然氣
LNG增熱
LPG增熱
體積分?jǐn)?shù)/%
H2
12.5
15.8
CH4
55.9
41.5
N2+02
2.1
4.2
C2H6
17.8
20.2
C3H8
2.0
3.3
C0
4.9
6.4
C02
3.6
4.8
CmHn
1.2
3.8
高熱值/(MJ·m-3)
39.9
42.0
低熱值/(MJ·m-3)
36.2
38.2
華白數(shù)/(MJ·m-3)
48.2
48.2
燃燒勢(shì)
53.4
56.3
氣體密度/(kg·m-3)
0.89
0.98
流量/(m3·h-1)
13 303
10 158
    ② 不分離氫氣組分的工況(非正常工況)
    氫氣提純裝置停運(yùn)時(shí)，通過(guò)上述工藝，可直接利用煉廠尾氣及焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)代天然氣供應(yīng)城市天然氣管網(wǎng)[9]，避免氣體排空而導(dǎo)致能源浪費(fèi)及生產(chǎn)裝置受到影響。當(dāng)煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量分別為17800、8500m3/h時(shí)，若以LNG或者LPG摻混，比例(氣相體積分?jǐn)?shù))分別為67.65%或11.60%時(shí)，所生產(chǎn)的代天然氣組成與相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。
表4 非正常工況下兩種代天然氣產(chǎn)品組成與相關(guān)參數(shù)
項(xiàng)目
產(chǎn)品：代天然氣
LNG增熱
LPG增熱
體積分?jǐn)?shù)/%
H2
20.1
55.1
CH4
65.3
14.3
N2+02
O.6
1.4
C2H6
7.5
6.6
C3H8
3.1
8.8
C0
0.9
2.3
C02
0.6
1.7
CmHn
1.9
9.8
高熱值/(MJ·m-3)
39.7
39.7
低熱值/(MJ·m-3)
35.8
35.9
華白數(shù)/(MJ·m-3)
52.7
51.6
燃燒勢(shì)
63.44
93.8
氣體密度/(kg·m-3)
0.73
0.76
流量/(m3·h-1)
81300
29750
    對(duì)比《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸?lèi)和基本特性》GB/T 13611—2006，兩種增熱方式所生產(chǎn)的代天然氣均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，可以供應(yīng)城市天然氣管網(wǎng)。
4 結(jié)語(yǔ)
    從煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣中提取氫氣組分后，將剩余氣體調(diào)制成符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的12T代天然氣產(chǎn)品，氫氣產(chǎn)品和代天然氣產(chǎn)品均可就近供應(yīng)用戶，提升了煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣的綜合利用價(jià)值，較好地解決了富余廢氣出路問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低值產(chǎn)品價(jià)值最大化，并且為煉油廠和焦化廠生產(chǎn)裝置的靈活運(yùn)行提供良好的外部條件，是一種很有前景的煉廠尾氣和焦?fàn)t煤氣高效利用技術(shù)。
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(本文作者：李樹(shù)旺1 羅東曉1、2 1.新奧燃?xì)饪毓捎邢薰?河北廊坊 065001；2.中山大學(xué) 廣東廣州 520275)