火炬气回收利用的研究进展

姚亚娟

(中国石化上海石油化工股份有限公司精细化工部，上海 200540)



火炬气回收利用的研究进展

姚亚娟

(中国石化上海石油化工股份有限公司精细化工部，上海 200540)

摘要：火炬气回收利用具有节约资源和改善环境的双重意义。对碳五装置火炬气排放现状、火炬气来源及成分进行了分析，并依据国内外现有的火炬气回收技术对碳五装置火炬气回收方案进行了探讨。

关键词：碳五装置火炬气回收分析方案探讨

放空火炬系统是石油化工生产装置运行中不可缺少的安全设施，其作用是燃烧正常生产时和事故状态下排放的可燃气体。正常操作状况下,火炬气的主要来源为系统压力调整排放气体、装置物料不平衡排放气体、装置系统泄漏气体、必须排放的易燃/易爆气体、储罐区(塔、球罐、容器等)释放的气体，其主要成分是碳氢化合物、氢气、二氧化碳等[1]。每年大量的可燃气体在火炬中被烧掉，造成能源浪费，燃烧产生的废气直接排放到空气中也不可避免的造成环境污染。

中国石油化工股份有限公司(以下简称中国石化)早在1996年就提出了彻底熄灭火炬的计划，并制定了《石油化工企业熄灭火炬考核验收标准》，中国石化系统内各炼油、化工、化纤、化肥企业在生产过程中均展开了资源节约和综合利用、回收火炬气、熄灭火炬、改善环境污染的工作，取得了良好的效果[2]。

1碳五装置火炬气来源及组分

碳五装置是以乙烯装置副产裂解碳五馏分为原料，包括原料预处理、一萃精馏、二萃精馏、精制、溶剂回收及辅助等6个单元组成。为了提高碳五分离装置副产物的利用价值，一般还配套有异戊烯装置，即以碳五分离装置副产粗异戊烯和甲醇为原料，包括原料预处理、醚化、甲醇回收、甲基叔戊基醚精制、醚解、水洗及异构化、产品精制、加氢、精馏等工序。生产装置的各个工序在正常生产状态下均产生一定量的可燃性火炬气，包括系统压力调整排放、物料不平衡排放、装置系统泄漏、装置开停车吹扫及储罐区原料产品装卸等过程。

碳五装置火炬气组分较为复杂，其组成时刻都在发生变化，相对平均分子质量、密度和热值等物性也在一定范围内变动。因此选取一段时间内火炬气组成取平均值，各个组分的体积分数如下：氮气63.08%，氢气21.05%，戊烷5.76%，甲烷4.93%，碳二烯烃3.01%，碳六以上烷烃3.31%，丁烷1.53%，丙烷1.17%，碳四烯烃1.21%。

2火炬气回收方法

目前，国内外火炬气的回收方法主要分为原料型和燃料型两种。原料型是将火炬气中的有用成分回收作为生产原料进行再加工来增加产品产量，该法适用于火炬气中包含某种含量较高的个别有用组分的情况，这种方法需要考虑工艺上的可能性和经济上的合理性。燃料型是将回收的火炬气作为燃料使用，这种情况通常适合比较大的化工装置，尤其适用于石油化工装置这种火炬气整体组分过于复杂，很难分离提取其中某一组分的情况[3]。因此要选择哪种回收方法，应根据实际需要，综合考虑经济和环境等多方面的要求来决定。

2.1传统的火炬气回收工艺

一般火炬系统包括火炬放空系统和火炬气回收系统，火炬放空系统主要由火炬管网、分液罐、水封罐、火炬及自动点火系统组成。事故状态及非正常工况下排放的火炬气送至火炬系统后，进入分液罐分离携带的液体，随后突破水封，通过火炬筒体在火炬头处放空燃烧。正常排放的火炬气由于压力低，不能将水封顶开，将进入火炬回收系统。因此增加火炬回收系统首先要保证事故状态能安全排放的前提下进行。

传统的火炬气回收工艺主要有压缩冷凝法(包括直接抽吸压缩回收、气柜贮存回收、无气柜不加压回收等)、吸附法等。压缩冷凝法常作为净化高浓度有机气体的前处理，不适宜处理低浓度的有机气体。吸附法净化效率高，适用于处理中低浓度有机气体，工艺过程简单、能耗低，但吸附剂容量有限，需大量吸附剂，且吸附解吸频繁，要求自动化程度高，其缺点是成本较高。

直接抽吸压缩回收包括一级水封保护型和二级水封保护型。两者的主要区别在于二级水封保护型有燃料气混合罐，设置燃料气混合罐的目的是为了缩小火炬气组成波动对加热炉的影响。水封主要是起安全保护作用,选用一级水封或二级水封要视实际情况而定。气柜贮存回收工艺包括低压型和加压型，加压型是指气柜贮存的气体经压缩机加压后再进入燃料系统。压缩机和气柜是火炬气回收系统中非常重要的设备，其选型直接关系到整个工艺方案是否可行，用于火炬气回收的压缩机主要有往复式、螺杆式和液环式3种。由于火炬气的流量和组成波动很大,压缩机的选择比较困难。在选择压缩机前,应对火炬气的流量和组成进行长期测定,求其平均值,根据平均值选择压缩机。活塞式压缩机在中国石油化工股份有限公司高桥分公司火炬气回收设施的使用情况表明,因火炬气中含有丁二烯等组分,在压缩过程中易在压缩机中自聚结焦,造成压缩机故障较多,需要经常检修。中国石油化工股份有限公司燕山分公司和齐鲁分公司采用水环式压缩机回收火炬气,工艺流程简单,占地少,操作方便,效益较好。但是国内目前尚无合适的水环式压缩机,需从国外引进。螺杆压缩机兼有往复式和离心式的优点,气量可调节,操作平稳,且能处理湿气体，但要求驱动电机防爆。国产湿式螺杆压缩机组的使用情况表明,这种压缩机适应性强,运行稳定,能满足火炬气回收的特殊要求,而且与能力相近的引进水环式压缩机相比,国产湿式螺杆压缩机价格几乎便宜一半。另据统计，3种形式的压缩机的市场占有量分别为：往复式压缩机占6%，螺杆压缩机约占4%，液环压缩机90%[4]。根据石油化工火炬气压力，应选用低压气柜储存，国内常用的有低压干式气柜和低压湿式气柜。低压干式气柜又分为稀油密封干式气柜及卷帘干式气柜，低压湿式气柜分为低压螺旋湿式气柜及直立式湿式气柜。

蔡文石等[6]将气柜回收工艺和压缩机直吸回收工艺进行了经济性比较,采用了压缩机直接抽吸回收方案即各装置的火炬气经气液分离罐分出液体后,引入水封罐,利用水封罐水位控制压缩机吸入压力。火炬气经压缩机提压后,充到燃料气管网做工业燃料气。气柜贮存和压缩机直接抽吸两类方案的最大的区别在于气柜贮存可将企业正常生产时排放的火炬气全部回收,而压缩机直接抽吸只能部分回收，但气柜贮存较压缩机直接抽吸占地面积大,投资大,气柜低位时需补充气源。输出气压稳定，投资大，事故流量波动大时不能完全回收火炬气。无气柜不加压工艺投资小，可全部回收，但引起压力不稳定不能直接供加热炉使用。赵彦咏[7]等对中国石油兰州石油化工公司乙烯装置配套的火炬气系统技术改造提出建议，退役两台超期服役的往复式压缩机，保留原有的3台螺杆式压缩机，增加6 000 m3/h的水环式压缩机。水环式压缩机通过增加压缩级数,即可提高压缩机出口压力,达到回收火炬气压力等级要求。在此压力等级基础上,通过增加部分压缩机段间换热设备即可达到回收火炬气中重组分碳四和碳五的目的。

变压吸附分离气体的基本原理是利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度和吸附力等方面的差异，以及吸附剂的吸附容量随压力变化而变化的特性，在加压条件下完成混合气体的吸附过程，在降压条件下脱附被吸附气体的各组分，从而实现气体的分离及吸附剂的循环使用。变压吸附以其工艺简单、节能效果显著、基本无污染排放等特点显示出较广阔的应用前景。各种传统火炬气回收工艺比较见表1[8]。

表1　传统火炬气回收工艺优缺点

2.2水合物法火炬气回收工艺

水合物法是最新提出的用于分离回收石油化工厂火炬气的新工艺方法之一。水合物法气体分离的原理是水合物晶体中仅包含水和水合物形成物，且水合物形成物在水合物晶体中的组成与其在原气相中的组成不同，而且不同的气体组分生成水合物的压力相差很大，因此通过形成水合物易造成某些气体组分的分离，从而实现气体分离。王海秀等[8]提出了利用水合分离技术回收石油化工厂火炬气的概念流程，即从火炬气通入水合反应器Ⅰ，把火炬气中的碳二～碳四组分分离出来，若碳二～碳四组分体积分数较高，则去往回收单元以进一步分离提纯，作化工原料使用；若火炬气中碳二～碳四组分体积分数较低，则进入燃料气系统作为燃料气使用。从水合反应器Ⅰ顶部出来的剩余气体进入水合反应器Ⅱ，进行脱碳处理，生成的二氧化碳水合物分解后将二氧化碳回收利用，工艺流程与脱硫相似。从水合反应器Ⅱ顶部出来的剩余气体进入水合反应器Ⅲ，在十二烷基硫酸钠(SDS)的促进作用下生成天然气水合物，提高水合物相中甲烷的含量，经固液分离后进行固态储存[9]。最后从水合反应器Ⅲ顶部出来的气体剩下氮气和氢气，经过低温加压液化，变成液氮和氢气。水合物生成压力高、生成速率慢等因素是目前该技术发展的重点难点。

2.3膜分离法火炬气回收工艺

气体膜分离法装置简单、操作方便，投资费用低(成本比吸附法低25%左右)，是当今世界上发展迅速的一项节能型气体分离回收技术。气体膜分离技术主要是根据混合原料气中各组分在压力的推动下，通过膜的相对传递速率不同而实现分离。气体膜分离是一种“绿色技术”，与传统的分离技术(吸附、吸收、深冷分离)相比具有低能耗、无驱动设备、维修简便、工艺简单、操作方便、装置投资省等优点[10],具有广泛的应用前景和强劲的竞争优势。目前常见的气体通过膜的分离机理有三大类：(1)通过均质聚合物膜的渗透模型；(2)通过多孔膜的微孔扩散模型；(3)通过复合膜及非对称膜的阻力模型。已经应用于气体膜分离领域的高分子膜材料有聚酰亚胺(PI)，醋酸纤维素(CA)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚砜(PS)，聚碳酸酯(PC)等。其中PDMS从结构上看属半无机、半有机结构的高分子，具有许多独特性能，是目前发现的气体渗透性能最好的高分子膜材料之一。美国和日本已经成功的用它及其改性材料制成富氧膜[11]。王学松等[12]采用活化涂敷技术制成的PDMS/PS复合膜，可使氢气/氮气的分离因子达到60。Chung等[13]制成了多层中空纤维复合膜，其底膜为聚砜，选择性活性层为聚乙烯基吡啶(PVP)，用PDMS堵孔密封，许多气体在这种多层中空纤维复合膜的渗透速率都较好，用来分离氢气/氮气的分离因子为104。气体膜分离技术在工业中的应用很广，目前应用最多的是回收氢气,潜力最大的是空气分离,应用于石油化工行业气体净化的应用还处于工业化初期阶段。

2.4火炬气回收工艺比较

然而不管是新兴的膜技术、水合物法还是传统的火炬气回收工艺都具有自己的适用范围,不能独自解决所有的问题[14]。因此积极寻求膜技术和其他烃类气体分离技术的结合不失为一种合理的方法。有关研究结果表明：压缩冷凝+膜分离法取得了前者单独操作时所得不到的最佳效果，在所有分离提纯氮气工艺中综合能耗最低。压缩冷凝+膜分离法对于有机气体与氮气的分离回收效果最好：对于丙烯、氯乙烯、乙烯单体的回收率可高达90%以上，可将氮气纯化为95%以上。蒋国梁[15]等成功地将膜分离法与深冷法联合用于催化裂化干气的分离,回收其中的绝大部分氢气,并得到较高纯度的乙烯、丙烯等化工原料。高根煜[16]等采用压缩、冷凝与气体分离膜相结合的方法回收废气中的三氟二氯乙烷(HCFC-123),可使废气中该物质体积分数由6.3%降到0.01%。王海秀[8]等采用膜分离与压缩冷凝相结合的方法回收丙烯尾气，首先低压尾气丙烯经压缩和冷凝后,部分丙烯被液化,而随氮气等不凝气体排放的丙烯经过膜分离后,再进入气柜,经压缩和冷凝而得到回收。张为民采用采用膜法与压缩冷凝相结合回收丁二烯槽车余气，槽车混合气相经缓冲罐稳定压力后进入压缩机升压，之后进入冷凝器，在分液罐得到液相丁二烯，不凝相则经过精密过滤器进入到丁二烯膜单元进行分离。该系统运行稳定，丁二烯回收率超过90%，尾气中的氮气体积分数大于95%以上，有效分离回收了槽车排放气中的丁二烯。膜法和其他方法的结合不但有可能找到更加理想的经济、效率结合点,还可以拓宽膜技术的使用范围。

3碳五装置火炬气回收方案探讨

目前国内大部分的碳五装置火炬气都采用直接燃烧处理，来自罐区、碳五装置和异戊烯装置的火炬气汇集后经分液罐、水封罐、总管蝶阀、阻火器进行点火燃烧，工艺流程如图1所示。

图1　碳五装置火炬气燃烧系统

若要回收该火炬气，需将进入水封罐的火炬气进行抽吸，进入火炬气回收系统，工艺流程如图2所示。

压缩冷凝单元或变压吸附预分离单元的主要目的是脱除大部分的氮气组分。具体选择哪种方式应综合考虑投资成本、操作条件、装置规模及工业应用的成熟性。该碳五装置火炬气中氮气的含量较高，无论是作为燃料或原料使用，都必须将氮气含量降至一定的浓度，因为前者对于燃料的热值有一定的规格要求，而后者则会因氮气混入到氢气或甲烷中，影响这些产品的品质，并增加后续单元的能耗。因此，必须先脱除火炬气中的大部分氮。预处理后(压缩冷凝或变压吸附单元)流出有两股，流股a主要组分是氮气，并含少量氢气和甲烷等，该流股如再分离提纯成本高，可直接去往燃烧用户或作为火炬筒体或分子封的连续吹扫气。流股b主要组分为碳二～碳六等组分及较少量氮气，去往膜分离单元以进一步分离提纯有价值组分。

图2　碳五装置火炬气回收系统

膜分离单元流出两股，流股c主要组分是碳二～碳四及少量氮气，可直接去燃烧系统或返回乙烯装置做原料。流股d主要组分是碳五～碳六，该流股可直接作为燃料回收能源或进一步分离做碳五原料或进一步处理作为汽油添加剂，具体应根据需要及实际情况确定。

4结语

传统的火炬气处理技术各有其优缺点及适用范围，新兴起的水合物分离技术和膜分离技术给我们带来了新的思路和挑战，水合物形成压力高、速率慢的问题，膜材料的气体渗透率、渗透选择性、化学稳定性以及热稳定性等进一步优化问题，以及如何利用好传统技术的优点及经验都是今后研究的方向。同时，根据实际情况将不同技术结合使用达到高效、节能、环保才是最终的目标。

参考文献

[1]索晨霞，梁海霞.火炬气回收装置的技术经济分析[J].技术经济,2000(4):57-59.

[2]徐阳阳.火炬气的结焦性能研究及其预防措施与应用[D].南京：南京工业大学，2006：1-85.

[3]陈永江.火炬气回收装置的技术经济分析[J].石油化工设计,2002,19(3):11-13.

[4]魏振强，于卿，王晓文.压缩机在火炬气回收系统的选型浅析[J].压缩机技术，2011(5):28-31.

[5]谭洪艳.炼油厂火炬气回收设计[J].冶金能源,2005,24(2):47-49.

[6]蔡文石，张东平.石油化工联合企业的火炬气回收与利用[J].辽宁化工,1994(4):30-32.

[7]赵彦咏,卢晓红.乙烯装置火炬气利用及发展[J].石化技术与应用,2002,20(1):29-31.

[8]王海秀,周锡堂.水合物法分离回收石油化工厂火炬气工艺研究[J].现代化工,2013，33(7):106-110.

[9]韩小辉,王胜杰,陈孝彦.表面活性剂加速天然气水合物生成实验研究[J].天然气工业,2002(5):90-93.

[10]Crank J.The Mathematics of Diffusion[M].2nd ed.Clarendon:Oxford,1975.

[11]彭福兵.中空纤维复合膜回收氢气分离过程研究[D].天津：天津大学，2003：1-85.

[12]王学松,气体分离用聚砜中空纤维膜的活化涂敷技术[J].化工进展，2001,20(4):35-36

[13]Chung T S,Shieh J-J,Lau W W Y,et al.Fabrication of multi-layer composite hollow fiber membranes for gas separation[J].Journal of Membrane Science,1999,152(2):211-225.

[14]汤明,肖泽仪,史晓燕.膜技术在含烃类气体分离中的研究及前景[J].过滤与分离,2005(4):21-23.

[15]蒋国梁,徐仁贤,陈华.膜分离法与深冷法联合用于催化裂化干气的氢烃分离[J].石油炼制与化工,1995(1):26-29.

[16]高根煜.废气中烃类的排放控制和回收利用技术[J].工业安全与环保,2004,30(3):11-13.

Research Advance of Recovery of Flare Gas Recycling

Yao Yajuan

(FineChemicalDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.，Shanghai200540)

ABSTRACT

Keywords：C5 separation unit,flare gas,recycling,analysis,discussion of recycling plan

收稿日期：2016-01-13。

作者简介：姚亚娟，女，1984年出生，2010年毕业于太原理工大学化学工艺专业，工程师，现从事化工工艺研究工作。

文章编号：1674-1099(2016)02-0058-05中图分类号：TE992.1

文献标识码：A

Recycling of flare gas has dual significance of saving resources and improving the environment.Based on the discharging situation of flare gas from C5separation unit,the source and composition of flare gas were analyzed.Discussion was made for the recycling plan of flare gas from the unit on the basis of current technology at home and abroad.