苯加氫工藝尾氣的利用探討

魯華，杜建文

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽 414014）

苯可作為化工原料也可作為有機溶劑，在化工、石油化工中均有著重要地位。我國苯加氫裝置眾多，加氫反應后的外排尾氣中富含大量的氫氣、氮氣和少量的環己烷、環己醇、環己酮，含氫尾氣是非常寶貴的化工資源，可作為原料和燃料；尾氣中的環己烷等物質刺激性強，直接排放影響生態環境、危害人身健康。因此，探究和分析苯加氫尾氣利用技術具有十分重要的意義，合理可行的尾氣處理方案不僅可以降低生產成本，回收利用能源，還可以減少環境污染，具有一定的經濟效益和社會效益。文章對目前主流的含氫尾氣處理技術進行歸納分析，并通過工業裝置實例對苯加氫尾氣的利用方案進行了效益分析。

1 苯加氫裝置概況

某10 萬t/a 環己酮裝置配套的苯加氫裝置最大設計投苯量為16 m3/h，氫氣采用體積分數98.98%的純氫，雜質成分主要為氮氣。該裝置通過循環氫壓縮機將反應的部分尾氣加壓后送至氫氣總管，此部分尾氣循環參加苯加氫反應，其余部分尾氣通過火炬管線直接排放。尾氣含氫體積分數為42.5%，尾氣最大量為244 m3/h（標準狀態，以下同），密度約為0.835 g/L，尾氣排放具有流量、壓力不太穩定的特點。尾氣組成見表1。

表1 加氫尾氣組成

根據市場價格，按環己酮、環己醇單價6 600元/t，環己烷4 800元/t，氫氣1.15元/m3，物料全部回收計算，則全年可回收有用物質價值為221.5萬元。

另外苯加氫裝置外排尾氣中環己烷等化合物刺激性強，直接排放危害生態環境及人身健康。因此，尋求合理可行的尾氣處理回收利用方案具有經濟和環境雙重效益。

2 技術路線分析

含氫尾氣的利用方案需要根據尾氣規模、氫含量、尾氣溫度、回收后氫純度等進行綜合選擇，目前主流的技術包括深冷回收凈化、膜分離提純、變壓吸附（PSA）提純、活性炭吸附以及燃燒節能利用等。

膜分離是利用混合氣體在高分子聚合物中溶解擴散速率不同實現分離[1]，氣體與膜直接接觸，苯加氫尾氣中含有一定量的環己烷，而環己烷為高效溶劑類化合物，易被纖維薄膜溶解。因此膜分離技術不適用于苯加氫尾氣的處理。經初步分析，苯加氫尾氣的處理技術大致有以下幾個。

2.1 活性炭預處理+PSA 技術

PSA 裝置所使用的吸附劑對液體和雜質成分較為敏感，因此氣體進入系統前需要除去液體和雜質成分，在工業上一般使用活性炭吸附進行預處理[2-3]。即活性炭吸附回收有機組分，PSA 提純氫氣。PSA技術的推動力是氣體本身的壓力，經過變壓吸附后雖然能提純回收氫氣，但提純后氣體壓力下降，若要在裝置上使用，除需投資建設PSA本體裝置外，還必須投資新建氫氣加壓機，PSA 模塊投資費用約720萬元，活性炭吸附裝置投資費用約200萬元，加上增壓機等投資，項目投資費用約1 000萬元。此外，PSA系統對進料氣體平穩性有著較高要求，目前加氫尾氣流量、壓力波動較大，后期運行將面臨挑戰，加上PSA 運行成本及維護成本較高，實際設計中，活性炭預處理+PSA工藝投資存在規模門檻，一般不建議小氣量尾氣采用。此外，失活后的活性炭屬于危廢物質，隨著國家環保政策的趨嚴，危廢處理將是一個難題。

2.2 深冷預處理+PSA

深冷預處理是回收尾氣中有機物的一種通用技術，根據處理尾氣中有機物的不同，選擇不同的深冷溫度，匹配對應的低溫冷卻介質，可達到回收有機物的目的，使通過深冷后的氣體能滿足PSA的原料氣要求，進入PSA處理單元進行氫氣提純，再作為原料使用。

環己烷凝固點為6.5℃，環己酮凝固點為-47℃，環己醇凝固點為25.93℃，混合物的凝固點低于其中任一種純物質，為避免深冷時物料凝固堵塞管道，擬將深冷溫度設置為-40℃左右，需要配備液氨+低溫導熱油機組的傳熱設備。此傳熱設備費用約為300萬元，加上PSA裝置及加壓機，整體費用約在1 100萬元，占地面積較大，后續使用液氨，維護難度大。

2.3 燃燒節能利用技術

燃燒是一種處理復雜尾氣能量的利用手段，通過燃燒將尾氣物料轉化成熱能，熱能直接供給裝置使用或通過加熱載體供給外部使用，載體可以是導熱油或是熔鹽等具有良好傳熱性的中間體，將燃燒的熱量傳遞給載體后，再由載體進行熱傳遞。此法適用于尾氣組成復雜、物料回收價值低或者難度大以及使用其他技術投資回報低等情況。此技術在工業上也有著廣泛的應用，如合成氨馳放氣與水煤氣混合后作為管道煤氣，氯堿廠尾氣焚燒處理等。

2.4 技術方案對比及選擇

以上3種工藝路線對比情況見表2。

從裝置布局緊湊，結合項目投用后末端治理難度、項目占地、項目投資及收益等方面考慮，選擇燃燒節能利用技術作為該裝置尾氣的處理路線。

苯加氫尾氣燃燒節能利用改造不會造成燃燒爐排放廢氣NOx含量明顯變化，根據中船船舶重工集團第七一一研究所燃燒仿真報告顯示，改造完成后排放廢氣中NOx含量低于100 mg/m3，與改造前相比，基本無變化。

表2 尾氣回收利用工藝路線比較

3 尾氣燃燒節能利用技術改造

3.1 改造思路

環己酮裝置脫氫工序有1 臺供熱燃燒爐，燃料為干氣，采用燃燒節能利用技術將尾氣替代部分干氣，尾氣燃燒供熱系統不需要投資建設，只需要進行簡單的工藝流程改造，新增保證安全的部分附件即可利用，投資回收期較短。經過燃燒處理后，苯加氫尾氣中的環己烷、環己酮、環己醇等對環境有害的化學物質得到充分燃燒，轉化成CO2和H2O等，達到節能和環保的雙重目的。另外，環己酮裝置的VOCs治理直接焚燒（TO）爐以及廢堿焚燒爐等需要燃料氣的加熱爐都可以使用。

3.2 改造方案

將苯加氫尾氣配管引至燃燒爐前的燃燒氣緩沖罐，在原干氣管線上增設高精度調節閥，依據加氫尾氣的供應量調整干氣進入燃料氣緩沖罐的量，以維持燃燒爐所需的爐前燃氣壓力。從安全角度考慮，尾氣至燃燒氣緩沖罐的管線上設置止回閥和阻火器，在燃燒爐尾氣出口處增設持續高能點火裝置，確保氫氣完全燃燒，消除氫氣爆炸風險。

此外，需將燃燒爐的燃燒檢測信號與苯加氫尾氣裝置的排火炬和供燃燒爐2 條線路的快速切斷閥門聯動，確保苯加氫裝置工況的穩定。即檢測到燃燒爐熄滅，聯鎖啟動，關閉苯加氫裝置至燃燒爐管線上的快速切斷閥，打開尾氣排往火炬的快速切斷閥，在保證安全的情況下消除因尾氣排空受阻對苯加氫反應的工況影響。

依據以上分析，需新增的設施有DN80 mm 管線約300 m、DN80 mm閥門4臺、尾氣至燃燒爐管線上DN80 mm快速切斷閥2臺、持續高能點火裝置1套、高精度壓力調節閥組1套。以上設施及儀表線纜、施工改造費用總投資約在8 萬元左右，不涉及新增人工及能源消耗等費用。

3.3 經濟效益分析

尾氣燃燒產生的熱值對應節省的常規燃料干氣價值即為回收效益。苯加氫外排尾氣各物質的燃燒熱分別為：氫氣285.8 kJ/mol，環己烷3 919.6 kJ/mol，環己酮3 521.3 kJ/mol，環己醇890.7 kJ/mol。計算尾氣各組分每小時燃燒熱值如下：

總熱量Q總為2 460 117 kJ。

環己酮裝置脫氫工序燃燒爐常規燃料為煉廠干氣，干氣熱值約為28 000 kJ/m3，干氣價格為1 695元/t，干氣密度為0.78 kg/m3。

若采用尾氣替代部分干氣作為燃燒爐燃料，每小時產生的收益為：

2460117/28000×0.78×1695/1000=116.1（元）

每年裝置生產時間按照8 400 h計算，全年可產生效益97.5萬元。尾氣燃燒節能利用技術改造項目凈效益為回收效益減去項目投資費用，即89.5萬元。

由于原尾氣外排的成本為0，根據已知費用計算項目投資回收期為0.082 年。該項目投資回收期極短，可忽略不計。

3.4 苯加氫尾氣燃燒利用的注意事項

1）氫氣爆炸極限為4.1%～74.2%，存在極大的爆炸風險，所以在燃燒爐中必須保證尾氣中的氫氣充分燃燒。

2）燃燒氣壓力直接影響燃燒爐的供熱效果，進而影響生產工況，因此燃燒爐對燃燒氣壓力的穩定要求較高，燃燒氣進爐壓力控制必須采用高精度的調節閥及壓力檢測器，確保燃燒爐供熱穩定。

3）為了確保燃燒爐異常熄火后，燃燒爐爐膛及煙囪等處不形成爆炸氣體混合物，降低安全風險，需要設置相關聯鎖裝置，保證爐膛熄火時，自動切斷燃氣供應。

4 結論

苯加氫裝置外排尾氣中氫含量高，體積分數高達42.50%，回收后可直接作為燃料使用。選擇燃燒節能利用技術作為外排尾氣的處理路線，能夠較為經濟地對尾氣進行熱能利用，通過尾氣燃燒消除尾氣中的環己烷等刺激性有機物，且不影響現燃燒爐NOx達標排放，保護環境及人身健康，體現了環保經濟地理念。尾氣燃燒使用位置可根據裝置實際情況靈活選取，如VOCs治理裝置的TO爐、環己酮裝置配套的廢堿焚燒爐等均可以使用。