化工區(qū)火炬氣回收技術探討與實踐

唐旭東

（中國石化廣州分公司，廣州 510726）

1 廣州分公司化工區(qū)火炬氣排放總體情況

目前，各裝置排放氣除少部分回收外，其余全部排入化工區(qū)火炬氣管網。化工區(qū)主火炬系統(tǒng)Y-4501負責各主體裝置火炬氣處理任務，主火炬設計最大處理能力為615 t/h，無煙燃料按最大能力10%設計。化工區(qū)火炬氣管網排放氣典型組成情況見表1。

表1 廣州石化化工區(qū)火炬排放氣典型組成

續(xù)表

由表1可以看出，化工區(qū)火炬氣中惰性氣體為氮氣，其他可燃氣主要為氫氣和甲烷，其中氫氣體積分數10%～20%，基本不含硫、水。經統(tǒng)計并測算，平均分子量26.98、體積流量2 750 m3/h、質量流量3.312 t/h，有效熱值約8.37 MJ/m3，等效天然氣量為647 m3/h，目前這些可燃氣主要通過火炬燃燒的方式進行排放處理。這些火炬氣若回收用于燃料氣，相當等效于燃燒標準煤約785 kg產生的熱量，若按一年8 000 h計算，相當于節(jié)約標準煤約6 280 t/a。

2 火炬氣回收方案討論

2.1 其他企業(yè)情況

A公司火炬氣回收項目2008年投用。據介紹，火炬氣回收并網后，對裂解爐NOx排放和熱場分布無大的影響。壓縮機能力為3×1 t/h，兩開一備，回收火炬氣1～2 t/h，選用螺桿壓縮機，根據火炬氣量選擇壓縮機運行模式。但由于機組冷卻采用柴油噴淋，導致燃料氣管網中經常有柴油積累，需定期排放處理，工作量較大，并影響爐子燒嘴燃燒。

B公司火炬氣回收系統(tǒng)利舊1臺10 190 m3濕式氣柜，1臺螺桿壓縮機（900 m3/h），在氣柜出入口都裝有過濾設施，在壓縮機入口設有汽液分離罐?；厥?.1～0.5 t/h火炬氣，其中20%回收氣并入燃料氣管網自用，其余送往全廠瓦斯管網。火炬氣占裂解燃料氣比例3%～5%，火炬氣中氮氣體積分數在50%～60%之間，對裂解爐NOx排放和熱場分布無不良影響。但濕式氣柜投用后效果不理想。

2.2 氣柜方案比選

壓縮機和氣柜是火炬氣回收系統(tǒng)中非常重要的設備，其選型直接關系到整個工藝方案是否可行，為此，特比選相關方案。

儲氣柜按密封介質分為濕式和干式。濕式氣柜隨儲氣柜塔節(jié)的增減而改變，壓力是波動的，干式氣柜壓力穩(wěn)定；濕式氣柜柜內氣體濕度大，出口燃氣含水量高，而干式氣柜儲存氣體干燥；濕式氣柜需要保溫，蒸汽用量大，而干式氣柜雖也有蒸汽管加熱，但耗熱量少；濕式氣柜空間利用率低，占地面積較大，而干式氣柜儲氣空間大，占地面積小；使用壽命方面，干式氣柜50年，明顯長于濕式氣柜的30年；抗震等性能方面，濕式氣柜由于水槽上部塔節(jié)為浮動結構，易造成塔體傾斜，產生導輪錯動、脫軌、卡住等現(xiàn)象，而干式氣柜活塞不受強風和冰雪影響；在氣柜的基礎處理方面，濕式氣柜因水槽內水量大，在軟土地基上建罐需進行基礎處理，而干式氣柜自重輕，地基處理簡單；但在罐體耗鋼量、罐體造價和安裝精度要求方面，濕式氣柜則明顯低于干式氣柜。

綜上所述，干式氣柜性能更加優(yōu)越，可以彌補濕式柜的缺點，特別是近10年來，干式氣柜在國內各大石化企業(yè)火炬氣回收系統(tǒng)上得到了廣泛的應用[2-3]。

2.3 壓縮機選型

壓縮機主要有迷宮機（又稱往復式）、螺桿機和液環(huán)機3種，是火炬氣回收裝置中重要設備，需要對相關介質具有很好的適應能力，故障率要低。壓縮機的選擇因火炬氣的流量和組成波動大比較困難，需要對火炬氣的流量和組成進行長期測定[4]。

在火炬回收系統(tǒng)上，迷宮式和螺桿式壓縮機均可以應用，結合廣州石化化工區(qū)裝置火炬氣的組成特點，經過反復對比，最終選用螺桿式壓縮機，主要考慮是：

1）在廣州石化化工區(qū)裂解裝置已有1套運行了10年的火炬回收系統(tǒng)，采用的是螺桿壓縮機，運行狀態(tài)很好。廣州石化對螺桿壓縮機的操作、管理成熟、檢修經驗豐富。

2）螺桿壓縮機結構簡單，維護方便。無迷宮式壓縮機吸排氣閥、活塞環(huán)等影響設備長周期運行的易損件。

3）螺桿壓縮機的備件儲備量少，積壓和占用資金較少。

4）螺桿壓縮機檢維修費用較低，檢修時需要更換的易損件少。

5）由于化工區(qū)各裝置火炬氣組成變化較大，而同等參數下，螺桿機比迷宮機的單機壓比大，排氣受背壓影響較小，流量和壓力基本不受氣體分子量的影響。因此，有利于設備穩(wěn)定運行。

6）化工區(qū)火炬氣在裝置事故狀態(tài)下攜帶大量乙烯、丙烯、丁二烯等烯烴類物料，容易發(fā)生自聚。尤其是裂解排出氣體在壓縮過程中容易在氣閥和活塞環(huán)聚合堵塞，影響機組運行。螺桿式壓縮機對帶有顆粒的氣體和污染不敏感，特別適合有聚合傾向的火炬氣氣體。

3 化工區(qū)火炬氣回收項目實踐

經過調研比選，廣州石化決定在化工區(qū)聚丙烯（一）裝置南面空地建設化工區(qū)回收火炬氣為可燃氣項目。裝置于2018年11月底建成投用。

總體而言，裝置投產以來運行平穩(wěn)，管網火炬氣基本得到回收，達到預期目的。截至2019年6月底，裝置已安全平穩(wěn)運行7個月，氣柜隨著氣量大小浮動自如，標桿在5～12米范圍內波動，兩臺壓縮機按控制程序交替開停。2019年5月13日至17日共4天的裝置標定數據表明，火炬氣回收系統(tǒng)平均回收氣量為2 500 m3/h，正常生產情況下的化工區(qū)火炬氣基本可以全部回收，外送入燃料氣管網，對下游各燃燒爐NOx排放和熱場分布無不良影響。

3.1 存在的問題及改進

1）運行壓力無法達到要求

在試運行過程中，原有火炬系統(tǒng)缺少火炬水封罐液位顯示和控制手段，水封壓力達不到運行要求，造成裝置氣柜不能正常進氣。經研究發(fā)現(xiàn)，主要原因是現(xiàn)有火炬系統(tǒng)火炬氣水封罐實際水封壓力2.6～3.0 kPa，低于水封罐資料設計壓力4.0 kPa（6.0 kPa），火炬氣總管的壓力在2.0～2.5 kPa，低于操作壓力3.0 kPa；氣柜工作壓力是2.42 kPa，管道摩阻約0.35 kPa，總管壓力低于氣柜工作壓力＋管道摩阻，導致活塞無法升起，氣柜不能正常進氣。

因此，采取了以下措施：①增加火炬水封罐溢流管U型彎高度，相當于提高溢流高度，先增加水封罐液位，達到提高火炬壓力的目的。②增加主火炬水封罐液位遠傳指示和進水、出水調節(jié)閥，自動控制水封罐液位，達到穩(wěn)定火炬管網壓力的目的，同時增加主火炬處的管網壓力遠傳指示。③完善氣柜控制方式，防止儲氣反竄回火炬總管。必要時修改聯(lián)鎖邏輯控制方式。

上述措施實施后，裝置操作系統(tǒng)與火炬氣管網系統(tǒng)壓力基本平衡，回收裝置與火炬氣管網均運行平穩(wěn)。

2）氮氣消耗量高于設計值

氮氣實際消耗（220 m3/h）比設計值（40 m3/h）偏差大。針對氮氣用量遠超設計值的問題，目前研究出了兩種改造方案，一是壓縮機進端氮氣支路添加2 mm孔板，二是壓縮機進端氮氣支路添加截止閥，開機后僅需要做一次性調整，之后可以長久維持不變。改造計劃在2019年內完成。

3）裝置排放量無監(jiān)控

雖然化工區(qū)火炬氣得到回收，但是由于各裝置排出的火炬氣是混合后進入氣柜回收，因此在實際操作中，當某套裝置異常排放火炬氣時，裝置操作人員無法及時知曉該裝置的排放量，從而導致火炬氣回收裝置的生產操作始終處于被動狀態(tài)，加強各裝置放火炬的界區(qū)閥監(jiān)控才能為裝置贏得調控時機。

4）機組電耗高

火炬氣回收裝置電耗較高，需要優(yōu)化螺桿機運行狀態(tài)，以延長機組使用壽命，降低能耗。

3.2 效益測算

廣州石化化工區(qū)火炬氣回收為可燃氣項目投用后，提升了企業(yè)經濟、環(huán)保等諸方面效益。

1）經濟效益方面

若按標準油折算：回收火炬氣約為2 750 m3/h，有效熱值約為8.37 MJ/m3，等效于燃燒標準油約550 kg/h產生的熱量，按一年360天計算，相當于標準油約4 752 t/a。同時，消滅火炬后可節(jié)省1.0 MPa蒸汽消耗1～2 t/h，按飽和蒸汽進行計算，燃燒鍋爐的轉換效率按60%計算（每年360天運行），相當于節(jié)省標準油1 088～2 000 t/a。

該項目一年內回收的能量相當于標準油5 840～7 000 t。根據目前統(tǒng)計分析，2019年3月項目效益為49萬元，4月55萬元，推測年度效益為600萬元左右。

2）環(huán)境效益方面

碳減排方面。從火炬排放角度講回收火炬氣并沒有減少排放，回收的氣體作為可燃氣體進行燃燒，主要是回收其能量。

從等效能量方面考慮?；鹁鏆? 750 m3/h，有效熱值約為8.37 MJ/m3，等效于燃燒標準煤約785 kg/h產生的熱量，相當于標準煤約6 780 t/a（每年360天運行計）。燃燒此部分標準煤會產生CO2約21 690 t/a，燃燒回收后的火炬氣相當于減少了廣州石化標準煤的使用量。

3）社會效益方面

廣州石化化工區(qū)域地處珠三角腹地，周邊高速公路、鐵路和居民區(qū)密布，該項目的投用已極大改善了周邊大氣環(huán)境，造福周邊百姓，提升了企業(yè)環(huán)保形象。

4 結論

廣州石化公司化工區(qū)以往每年排放大量火炬氣，造成能源浪費和環(huán)境污染。經過調研和技術論證，完成了化工區(qū)火炬氣回收裝置建設，裝置投用后運行平穩(wěn)，外送的燃料氣對下游各燃燒爐NOx排放和熱場分布無不良影響。該項目不僅解決了燃燒火炬氣帶來的環(huán)境污染問題，而且還創(chuàng)造了一定的經濟效益，同時為廣州石化打造中國華南區(qū)域創(chuàng)新、環(huán)保示范基地，成為石化企業(yè)在節(jié)能減排、環(huán)境保護領域的標桿做貢獻。