炼厂催化干气氢气回收工艺选择
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[摘 要]阐述了炼厂催化干气氢气回收的需求现状，介绍了两段法变压吸附技术、常规变压吸附技术、膜分离与变压吸附组合技术方案比选，推荐两段变压吸附技术较为适合。
中图分类号：X742 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0245-02
1 前言
随着对优质油品与化工原料的需求以及环境保护两方面的挑战，石油炼制工业更多的采用加氢技术。氢气作为石油化学工业的基本原料，随着我国石油加氢技术的发展，氢气需要量也日益增加。从炼厂气中回收氢气，是满足氢气需求的一条有效途径。炼厂气主要有催化裂化干气、焦化干气、重整干气、加氢裂化干气等，在这些炼厂气中一般都含有一定浓度的氢气，能够将这部分氢气回收利用，对满足炼厂不断增长的氢气需要有很重要的意义。某石化公司氢气来源主要为大制氢装置的高纯氢、重整装置供给的低纯氢、轻烃回收装置膜分离供给的低纯氢以及经管道运输的高纯氢。随着原油劣质化及油品质量指标的进一步提高，对高纯氢的需求将进一步增大，考虑新建装置从催化干气中回收氢气满足缺口。
2 催化干气资源
该石化公司拥有两套催化裂化装置，分别为120万吨/年FDFCC类催化裂化装置和280万吨/年MIP类催化裂化装置。两套装置的催化干气分别经配套脱硫设施脱硫净化后送至公司燃料气管网，净化后的两套催化干气氢气含量分别37.88mol%和44.98mol%，均是很好的氢气提纯原料。典型的催化干气性质如下表1。两套催化装置干气组分较为稳定，经工艺分离、提纯后有较高的回收价值。提纯后的高附加值氢气返回加氢装置使用，满足氢气需求缺口，具有环保、节能减排、循环经济等优点。
3 工艺技术方案选择
3.1 工艺技术方案介绍
3.1.1 两段法变压吸附技术
变压吸附（Pressure Swing Adsorption.PSA）基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。该技术于1962年实现工业规模的制氢。进入70年代后，变压吸附技术获得了迅速的发展，装置数量剧增，规模不断增大，使用范围越来越广，工艺不断完善，成本不断下降，逐渐成为一种主要的、高效节能的气体分离技术。
本工艺采用两段法变压吸附技术，一段出口气经升压后进入二段，二段出口气为合格的氢气产品，一段解吸气经升压后得到燃料气产品。由于采用无动力吹扫流程，无抽真空动力设备，压缩机设置两组共3台，分别为PSA1出口气压缩机和燃料气压缩机，动力设备较少。但增加一段后，吸附塔数量增加，PSA部分占地相应增大，但通过吸附塔及缓冲罐采用双排组合布置，可缩小占地面积。
本工艺采用液压驱动，程控阀门的动作时间比气动控制的时间短1～3秒，从而循环时间也相对缩短了。这样就也相对减少吸附剂用量，减少非标设备、程控阀门的口径，从而减少投资。但与常规一段法相比，两段法程控阀门数量约为一段法的两倍。
本工艺方案氢气收率为90%，氢气纯度99%。
3.1.2 常规变压吸附技术
混合原料气经原料气缓冲罐稳压后进入VPSA单元，吸附除去氢气以外的其它杂质，使气体得以净化，吸附了杂质的吸附床再进行减压、吹扫，使吸附剂得以再生后，再充压吸附。上述过程是在一套程序控制系统指挥下自动地周而复始进行的。净化后的工业氢纯度大于99%，经氢气压缩机升压至2.5MPa（G）后出装置。从VPSA单元出来的解析气压力约为0.01MPa（G），进入解析气压缩机升压至0.9MPa（G）后出装置。
PSA提氢部分采用八塔冲洗流程。其吸附和再生工艺过程由吸附、均压降压、逆放、抽真空、均压升压、产品气升压等步骤组成。
本工艺采用常规一段法变压吸附（抽真空）技术，目前国内有多套催化干气提氢装置，技术比较成熟，工艺路线简单，便于操作，同时占地面积较小。
本工艺方案氢气收率为80%，氢气回收率较低。采用8个吸附塔流程，可适当增加吸附塔数量，提高氢气收率，但投资和占地面积相应增加，经济效益较差。另由于采用真空泵抽真空对吸附剂进行再生，动力设备较多。引入真空泵后，增加了电耗，同时对装置可靠性有一定影响。
3.1.3 膜分离与变压吸附组合技术
本工艺采用膜分离-压缩机-PSA的流程对催化干气中的氢进行提浓。首先，催化干气1和催化干气2分别经两套膜分离装置得到两股低压富氢气，两段低压富氢气分别经压缩机加压至2.6PMa（G），升压后的富氢气混合后送入PSA装置，利用PSA对富氢气进行进一步提浓，得到符合要求的99.9%的高纯氢。PSA解吸气再升压到1.0MPA（G），再循环返回到前面催化干气2膜分离。
本工艺采用膜分离与变压吸附组合技术，经膜分离处理后的富氢浓度达80%以上，PSA的处理量为15000Nm3，因此本工艺方案的占地面较小。引入膜分离技术后，装置电耗与单独变压吸附工艺相比大为降低。
本工艺方案氢气收率为89.4%，氢气纯度达99.95%。氢气回收率高，经济效益较好。但由于采用的低压膜分离技术，燃料气产品压力随原料气进料压力变化而变化，对该公司燃料气管网压力带来波动，进而影响各装置的平稳操作，同时该技术方案目前无催化干气提氢的运行装置。
3.2 工艺技术方案比选
各工艺技术方案的对比见表2：
自从变压吸附制氢技术应用于工业以来，在制氢装置的中变气（H2：75%、CH4：5%、CO：3.5%、CO2：17%）原料组成情况下，当原料气压力大于2.5MPa（G），CO+CO2≤20ppm，氢气纯度要求99.9%（V）以上的前提下，国内外的一段法变压吸附制氢技术供应商可将氢气回收率做到85%～89%（不抽真空），另外一些国内技术供应商采用一段法抽真空技术可比一段法吹扫技术提高约1%氢气回收率。而两段法变压吸附技术在不抽真空的条件下，可将氢气回收率提高到90%以上。
综上可以看出：膜分离与变压吸附组合技术和两段法变压吸附方案氢气收率高、运行成本低，但采用膜分离导致装置投资比较高；与常规变压吸附方案相比，两段法变压吸附方案氢气收率高、运行成本低，因此推荐采用两段变压吸附方案。
4 简单经济分析
装置达到正常生产能力后年产氢气9070吨，氢气和燃料气不含税价格分别约是13000吨/元、4300吨/元，年均效益达7890万元。
5 小结
从催化干气中提纯氢气具有资源稳定满足石化企业对氢气资源的缺口。通过膜分离与变压吸附组合、常规变压吸附、两段法变压吸附三种方案技术比较，得出两段法变压吸附具有投资低、氢气收率高、运行成本低及效益显著的优势。