煉廠氣中碳二回收工藝技術選擇及工業應用

謝衛東

（福建聯合石油化工有限公司，福建泉州 362800）

1 煉廠干氣來源及碳二及以上組分潛含量

1.1 概述

煉廠干氣是煉油裝置在石油加工過程中產生的氣體總稱，包括常減壓輕烴氣體、催化裂化干氣、加氫裂化干氣、焦化干氣、芳烴聯合裝置干氣等。

煉廠干氣中含有氫氣、甲烷、乙烷、乙烯等組分，曾因無合適的回收方法而只能作為燃料。隨著煉油企業的發展，國內催化裂化裝置年生產能力已超過1.5億t，每年生產的干氣產量約為600萬t，其中約含有乙烯100萬t，如將其中的碳二資源折算成乙烯，年產量就在150萬t以上，另外飽和干氣中含有的乙烷數量也非常可觀，如果能合理利用，將會產生很大的經濟效益。

1.2 干氣來源及碳二及以上組分潛含量

某石化公司干氣的主要來源有催化裂化裝置/焦化裝置富含乙烯的不飽和干氣，輕烴回收裝置飽和干氣及煉油PSA解析氣，年產量約23萬t，2013年以前作為燃料氣使用。如將其中碳二及以上餾分回收后送入乙烯裝置作原料，據估算可增產乙烯9萬t/a，每年可減少外購乙烯裂解原料石腦油約30萬t，顯著降低乙烯生產成本，經濟效益和社會效益十分明顯。因此考慮建設碳二回收裝置，提高能源的利用率、提高企業盈利能力、節能降耗。

催化裂化裝置、焦化裝置所產干氣經脫硫凈化后即為不飽和干氣，每年的產量約為10.37萬t。全廠的輕烴組分，如兩套常減壓裝置的初常頂油、初常頂氣，加氫裂化/加氫處理/柴油加氫/航煤加氫塔頂氣、初石腦油，柴油加氫/航煤加氫的汽提氣等，經輕烴回收裝置回收即為飽和干氣，每年約為6.08萬t。乙烯裂解裝置含氫氣體、芳烴聯合裝置重整含氫氣體、加氫處理/加氫裂化裝置低分氣，經PSA裝置提取氫氣后即為飽和解析氣，每年產量約為6.08萬t。另外，芳烴聯合裝置的歧化裝置、異構化裝置所產干氣中，其乙烷含量高于70%，可以直接作為乙烯裂解裝置的原料，直接送到乙烯裝置。不飽和干氣、煉油PSA解析氣、輕烴干氣的主要組分見表1。

表1 干氣流量、碳二及以上潛含量

2 碳二回收技術方案比選

2.1 可供選擇的技術

煉廠氣中回收碳二及以上組分可供選擇的技術有深冷分離法、變壓吸附法PSA、淺冷油吸收法。

深冷分離法利用干氣中所含各種烴的相對揮發度不同，在－100℃以下把氫氣以外的烴類冷凝下來，然后在精餾塔內進行多組分分離，回收其中碳二組分。

變壓吸附法PSA通過加壓吸附、降壓解吸實施過程循環，采用多塔交替操作實現吸附和解吸過程連續化，氣體得到分離和提純。

淺冷油吸收法利用煉廠干氣各組分在吸收劑中溶解度的不同來進行分離。吸收劑包括碳四吸收劑、汽油吸收劑等，在15℃淺冷操作條件下回收干氣中的碳二及以上組分。

2.2 碳二回收技術方案對比

因深冷分離法需要深冷冷媒及冷箱，一般作為乙烯裂解裝置的一部分同時建設，如果在乙烯裂解裝置建成后，再考慮建設碳二回收裝置，采用深冷方法投資大。因此在后續方案的比選中著重對比了變壓吸附法和淺冷油吸收法，主要對比數據見表2。

兩種技術對比總結如下：

表2 變壓吸附法、淺冷油吸收法對比

變壓吸附法具有回收率低、產品氣純度低、流程長、操作復雜、占地面積大、投資少、運轉周期短、增加乙烯裝置的能耗，整體能耗相對較高。

淺冷油吸收法具有回收率高、產品品質高、流程簡單、操作簡便、占地面積小、投資略高、運轉周期長、整體能耗相對較低。

綜上對比，選用淺冷油吸收技術，作為該石化公司煉廠氣回收碳二及以上的技術。

2.3 建設方案對比

因該石化公司準備回收的三股干氣中，催化/焦化干氣為不飽和氣（含有乙烯和少量丙烯），輕烴裝置干氣和煉油PSA解析氣為飽和氣，對于如何回收這三股干氣中的碳二及以上組分，考慮了兩種方案，即建設兩套或一套裝置。

方案一：建設兩套碳二回收裝置，其中一套回收飽和干氣（輕烴裝置干氣和煉油PSA解析氣）中的碳二及以上組分，回收的組分做為乙烷裂解爐的原料；另外一套為回收不飽和干氣（催化/焦化干氣）中的碳二及以上組分，回收的組分送到乙烯的裂解氣堿洗塔。兩套裝置的流程見圖1、2。

圖1 方案一第一套裝置流程

圖2 方案一第二套裝置流程

方案二：建設一套碳二回收裝置，將飽和干氣（輕烴裝置干氣和煉油PSA解析氣）和不飽和干氣（催化/焦化干氣）混合后，進行碳二及以上組分回收，回收的組分再進入預分離塔，得到的產品氣進入乙烯裂解裝置，其中富含甲烷的物料進入脫甲烷塔、富含乙烯的物料送往脫甲烷塔或脫乙烷塔、富含乙烷的物料返回乙烷裂解爐。裝置流程示意見圖3。

就兩種方案的設備臺數、占地面積、綜合能耗、建設投資概算等方面進行了對比，因方案二具有投資少、占地少、能耗小、產品氣品質好、易操作、易管理等優點，該石化公司采用方案二作為項目的建設方案。

3 23萬t/a碳二回收裝置概述及應用情況

3.1 裝置基本情況及流程

裝置設計處理量為煉廠干氣原料23萬t/a，設計負荷范圍60%～110%，裝置年操作時間為8 400 h。裝置包括壓縮單元、油吸收單元、精制單元、制冷單元和火炬系統。

圖3 方案二裝置流程

來自界區外的煉廠干氣經過干氣壓縮機壓縮、堿洗塔脫除酸性氣體后，送入碳四吸收塔，利用醚后碳四為吸收劑，吸收其中的碳二以上組分。含有碳二組分的吸收劑送入碳四解吸塔脫除吸收劑后得到碳二提濃氣，碳二提濃氣再經脫氧反應器脫除氧、分子篩干燥器脫除水之后進入預分塔，經分離得到富含甲烷的富甲烷氣，送往乙烯裝置的脫甲烷塔，得到富含乙烷的富乙烷氣，送往乙烯裝置的乙烷裂解爐，得到富含乙烯的富乙烯氣，送往乙烯裝置的脫乙烷塔。從碳四吸收塔塔頂采出的未被吸收的甲烷、氫、氮氣等不凝氣及夾帶的少量碳四吸收劑等，送往汽油吸收塔以吸收不凝氣中的碳四吸收劑，分離出的甲烷、氫、氮氣等不凝氣直接送到界區外的燃料氣管網，流程示意見圖4。

圖4 碳二回收裝置流程

3.2 原料氣組成

催化/焦化干氣中含有氫氣、乙烯、乙烷、少量碳三及以上組分、一氧化碳等雜質。輕烴干氣、PSA解析氣不含乙烯、丙烯，主要含有氫氣、乙烷、少量碳三及以上組分、氮氣等雜質。受上游裝置的操作影響，三股干氣的組成會有變化，且波動的幅度較大，原料氣典型分析數據見表3。

表3 原料氣典型組成 %（mol）

3.3 產品氣組成

催化富乙烯氣產品、富乙烷氣產品質量組成數據見表4。

3.4 應用情況

裝置于2015年8月開工，10月富乙烷氣、副乙烯氣產品合格并送至乙烯裂解裝置，裝置投產后運行穩定，并于2016年3月30日至4月2日進行性能測試。

性能測試時裝置負荷率為94.3%，裝置碳二產品產量13.5 t/h，產品質量合格，碳二回收率達到93.6%、裝置能耗為105 kgEO/t原料，產品產量、產品質量、碳二回收率、裝置能耗等四類性能指標達到了預期要求。

2016年全年，碳二回收裝置共處理原料干氣（催化干氣、輕烴干氣、煉油PSA解析氣）18.98萬t，提取富乙烯氣2.76萬t、富乙烷氣5.86萬t，富乙烯氣送到乙烯裂解裝置的脫甲烷塔，富乙烷氣送到乙烯裂解裝置的裂解爐進料。

按照該公司2016業務價格體系及年全年碳二回收裝置的物料平衡進行效益測算，干氣回收裝置年效益為9 500萬元。

表4 富乙烯、富乙烷產品氣組成及雜質含量

4 結論

采用淺冷油吸收工藝建設的碳二回收裝置投產以來，裝置運行平穩，裝置處理能力、產品質量、碳二回收率、能耗等均達到設計值。淺冷油吸收工藝的產品氣雜質含量，可以很好滿足乙烯裂解裝置對原料的要求。對于有飽和干氣、不飽和干氣需要回收的工廠，淺冷油碳二回收裝置流程后部設置預分塔，可以將目的產品分為副乙烯氣、副乙烷氣，分別送至乙烯裂解裝置的不同部位，有利于乙烯裂解裝置的操作優化。碳二回收裝置回收碳二后的燃料氣氫氣含量50%（φ），每年約有1萬t的氫氣潛含量，燃料氣壓力3.4 MPa，該壓力條件很適合增加膜分離或PSA回收其中的氫氣。