炼厂气中碳二回收工艺技术选择及工业应用

谢卫东

（福建联合石油化工有限公司，福建泉州 362800）

1 炼厂干气来源及碳二及以上组分潜含量

1.1 概述

炼厂干气是炼油装置在石油加工过程中产生的气体总称，包括常减压轻烃气体、催化裂化干气、加氢裂化干气、焦化干气、芳烃联合装置干气等。

炼厂干气中含有氢气、甲烷、乙烷、乙烯等组分，曾因无合适的回收方法而只能作为燃料。随着炼油企业的发展，国内催化裂化装置年生产能力已超过1.5亿t，每年生产的干气产量约为600万t，其中约含有乙烯100万t，如将其中的碳二资源折算成乙烯，年产量就在150万t以上，另外饱和干气中含有的乙烷数量也非常可观，如果能合理利用，将会产生很大的经济效益。

1.2 干气来源及碳二及以上组分潜含量

某石化公司干气的主要来源有催化裂化装置/焦化装置富含乙烯的不饱和干气，轻烃回收装置饱和干气及炼油PSA解析气，年产量约23万t，2013年以前作为燃料气使用。如将其中碳二及以上馏分回收后送入乙烯装置作原料，据估算可增产乙烯9万t/a，每年可减少外购乙烯裂解原料石脑油约30万t，显著降低乙烯生产成本，经济效益和社会效益十分明显。因此考虑建设碳二回收装置，提高能源的利用率、提高企业盈利能力、节能降耗。

催化裂化装置、焦化装置所产干气经脱硫净化后即为不饱和干气，每年的产量约为10.37万t。全厂的轻烃组分，如两套常减压装置的初常顶油、初常顶气，加氢裂化/加氢处理/柴油加氢/航煤加氢塔顶气、初石脑油，柴油加氢/航煤加氢的汽提气等，经轻烃回收装置回收即为饱和干气，每年约为6.08万t。乙烯裂解装置含氢气体、芳烃联合装置重整含氢气体、加氢处理/加氢裂化装置低分气，经PSA装置提取氢气后即为饱和解析气，每年产量约为6.08万t。另外，芳烃联合装置的歧化装置、异构化装置所产干气中，其乙烷含量高于70%，可以直接作为乙烯裂解装置的原料，直接送到乙烯装置。不饱和干气、炼油PSA解析气、轻烃干气的主要组分见表1。

表1 干气流量、碳二及以上潜含量

2 碳二回收技术方案比选

2.1 可供选择的技术

炼厂气中回收碳二及以上组分可供选择的技术有深冷分离法、变压吸附法PSA、浅冷油吸收法。

深冷分离法利用干气中所含各种烃的相对挥发度不同，在－100℃以下把氢气以外的烃类冷凝下来，然后在精馏塔内进行多组分分离，回收其中碳二组分。

变压吸附法PSA通过加压吸附、降压解吸实施过程循环，采用多塔交替操作实现吸附和解吸过程连续化，气体得到分离和提纯。

浅冷油吸收法利用炼厂干气各组分在吸收剂中溶解度的不同来进行分离。吸收剂包括碳四吸收剂、汽油吸收剂等，在15℃浅冷操作条件下回收干气中的碳二及以上组分。

2.2 碳二回收技术方案对比

因深冷分离法需要深冷冷媒及冷箱，一般作为乙烯裂解装置的一部分同时建设，如果在乙烯裂解装置建成后，再考虑建设碳二回收装置，采用深冷方法投资大。因此在后续方案的比选中着重对比了变压吸附法和浅冷油吸收法，主要对比数据见表2。

两种技术对比总结如下：

表2 变压吸附法、浅冷油吸收法对比

变压吸附法具有回收率低、产品气纯度低、流程长、操作复杂、占地面积大、投资少、运转周期短、增加乙烯装置的能耗，整体能耗相对较高。

浅冷油吸收法具有回收率高、产品品质高、流程简单、操作简便、占地面积小、投资略高、运转周期长、整体能耗相对较低。

综上对比，选用浅冷油吸收技术，作为该石化公司炼厂气回收碳二及以上的技术。

2.3 建设方案对比

因该石化公司准备回收的三股干气中，催化/焦化干气为不饱和气（含有乙烯和少量丙烯），轻烃装置干气和炼油PSA解析气为饱和气，对于如何回收这三股干气中的碳二及以上组分，考虑了两种方案，即建设两套或一套装置。

方案一：建设两套碳二回收装置，其中一套回收饱和干气（轻烃装置干气和炼油PSA解析气）中的碳二及以上组分，回收的组分做为乙烷裂解炉的原料；另外一套为回收不饱和干气（催化/焦化干气）中的碳二及以上组分，回收的组分送到乙烯的裂解气碱洗塔。两套装置的流程见图1、2。

图1 方案一第一套装置流程

图2 方案一第二套装置流程

方案二：建设一套碳二回收装置，将饱和干气（轻烃装置干气和炼油PSA解析气）和不饱和干气（催化/焦化干气）混合后，进行碳二及以上组分回收，回收的组分再进入预分离塔，得到的产品气进入乙烯裂解装置，其中富含甲烷的物料进入脱甲烷塔、富含乙烯的物料送往脱甲烷塔或脱乙烷塔、富含乙烷的物料返回乙烷裂解炉。装置流程示意见图3。

就两种方案的设备台数、占地面积、综合能耗、建设投资概算等方面进行了对比，因方案二具有投资少、占地少、能耗小、产品气品质好、易操作、易管理等优点，该石化公司采用方案二作为项目的建设方案。

3 23万t/a碳二回收装置概述及应用情况

3.1 装置基本情况及流程

装置设计处理量为炼厂干气原料23万t/a，设计负荷范围60%～110%，装置年操作时间为8 400 h。装置包括压缩单元、油吸收单元、精制单元、制冷单元和火炬系统。

图3 方案二装置流程

来自界区外的炼厂干气经过干气压缩机压缩、碱洗塔脱除酸性气体后，送入碳四吸收塔，利用醚后碳四为吸收剂，吸收其中的碳二以上组分。含有碳二组分的吸收剂送入碳四解吸塔脱除吸收剂后得到碳二提浓气，碳二提浓气再经脱氧反应器脱除氧、分子筛干燥器脱除水之后进入预分塔，经分离得到富含甲烷的富甲烷气，送往乙烯装置的脱甲烷塔，得到富含乙烷的富乙烷气，送往乙烯装置的乙烷裂解炉，得到富含乙烯的富乙烯气，送往乙烯装置的脱乙烷塔。从碳四吸收塔塔顶采出的未被吸收的甲烷、氢、氮气等不凝气及夹带的少量碳四吸收剂等，送往汽油吸收塔以吸收不凝气中的碳四吸收剂，分离出的甲烷、氢、氮气等不凝气直接送到界区外的燃料气管网，流程示意见图4。

图4 碳二回收装置流程

3.2 原料气组成

催化/焦化干气中含有氢气、乙烯、乙烷、少量碳三及以上组分、一氧化碳等杂质。轻烃干气、PSA解析气不含乙烯、丙烯，主要含有氢气、乙烷、少量碳三及以上组分、氮气等杂质。受上游装置的操作影响，三股干气的组成会有变化，且波动的幅度较大，原料气典型分析数据见表3。

表3 原料气典型组成 %（mol）

3.3 产品气组成

催化富乙烯气产品、富乙烷气产品质量组成数据见表4。

3.4 应用情况

装置于2015年8月开工，10月富乙烷气、副乙烯气产品合格并送至乙烯裂解装置，装置投产后运行稳定，并于2016年3月30日至4月2日进行性能测试。

性能测试时装置负荷率为94.3%，装置碳二产品产量13.5 t/h，产品质量合格，碳二回收率达到93.6%、装置能耗为105 kgEO/t原料，产品产量、产品质量、碳二回收率、装置能耗等四类性能指标达到了预期要求。

2016年全年，碳二回收装置共处理原料干气（催化干气、轻烃干气、炼油PSA解析气）18.98万t，提取富乙烯气2.76万t、富乙烷气5.86万t，富乙烯气送到乙烯裂解装置的脱甲烷塔，富乙烷气送到乙烯裂解装置的裂解炉进料。

按照该公司2016业务价格体系及年全年碳二回收装置的物料平衡进行效益测算，干气回收装置年效益为9 500万元。

表4 富乙烯、富乙烷产品气组成及杂质含量

4 结论

采用浅冷油吸收工艺建设的碳二回收装置投产以来，装置运行平稳，装置处理能力、产品质量、碳二回收率、能耗等均达到设计值。浅冷油吸收工艺的产品气杂质含量，可以很好满足乙烯裂解装置对原料的要求。对于有饱和干气、不饱和干气需要回收的工厂，浅冷油碳二回收装置流程后部设置预分塔，可以将目的产品分为副乙烯气、副乙烷气，分别送至乙烯裂解装置的不同部位，有利于乙烯裂解装置的操作优化。碳二回收装置回收碳二后的燃料气氢气含量50%（φ），每年约有1万t的氢气潜含量，燃料气压力3.4 MPa，该压力条件很适合增加膜分离或PSA回收其中的氢气。