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导读
炼厂含氢尾气中含有丰富的H2及C2+轻烃，是炼厂提高经济效益的重要优化点。炼厂含氢尾气来源繁杂，性质差别大，主要依据经验认识回收利用这些含氢流股，或者直接将其排放至燃料气(瓦斯)系统作燃料。此篇文章旨在通过考察炼厂各类含氢尾气性质区别，探寻共性特征，建立含氢尾气三元坐标分析方法，为开展炼厂含氢尾气资源化优化利用提供借鉴。
含氢尾气性质分类
01典型炼厂含氢尾气构成
某千万吨级炼厂主要生产装置有(10+3)Mt/a常减压装置、(0.8+2.0)Mt/a催化裂化装置、1.6Mt/a延迟焦化装置、0.8Mt/a连续重整装置、(1.2+1.2)Mt/aSZorb(汽油吸附脱硫)装置、1.4Mt/a喷气燃料加氢装置、2.6Mt/a柴油加氢裂化装置、2.0Mt/a加氢裂化装置、1.2Mt/a柴油加氢裂化装置、LTAG(催化裂化柴油选择性加氢饱和—选择性催化裂化组合生产高辛烷值汽油或轻质芳烃技术)装置。全厂典型含氢物流构成如表1所示。
由表1可知，加氢装置低分气中H2含量较高，C2+轻烃含量相对较少；加氢装置干气、S Zorb稳定塔顶气、重整氢PSA(变压吸附)装置解吸气中除含有部分H2外，还含有较多的C2+轻烃。催化干气、焦化干气体积流量大，其中H2含量相对较少。
02共性特征分析
炼厂含氢尾气种类多，来源广。该类气体主要具有以下共性特征：均含有H2、甲烷、C2+轻烃及其他非烃类组分；不同类别含氢尾气中H2与C2+含量具有显著差别，可从含氢尾气的H2，C2+含量初步判断其来源，例如临氢装置低分气中H2含量大于C2+含量，而临氢装置干气中H2含量则与C2+含量相近；含氢尾气中H2和C2+有着此消彼长的关系。假若含氢尾气中H2得到回收，则C2+轻烃则会富集；反之，若含氢尾气中C2+轻烃得到回收，那么H2则会富集。
03含氢尾气资源优化利用表征
从资源化优化利用角度出发，可以将炼厂含氢尾气简化为H2、C2+轻烃、燃料气(FG)三元体系，既能表征含氢尾气的基本性质，又能直观反映其资源化优化利用潜力。对表1所述含氢尾气按照“H2-C2+轻烃-FG”三元分析方法归类整理(见表2)。
再利用Origin软件的ternary模块绘制含氢尾气三角坐标图(见图1)。
在三角坐标体系中，3个顶点分别表示高附加值产品H2，C2+轻烃和低附加值燃料气FG，图中任一点表示某一含氢流股，该流股的H2，C2+轻烃和FG值加和为1。
回收技术优势区域划分
进料性质见表3。
以H2-CH4-C2H6体系为例，利用模拟软件考察PSA提浓氢技术、膜提浓氢技术及C2提浓技术适宜的运行范围。
01变压吸附技术提浓氢气
PSA处理含氢流股示意流程见图2。
PSA装置氢气回收率及能耗随原料气H2纯度的变化见图3。
原料气经压缩机增压至2.1MPa后进入PSA吸附塔，解吸气增压至0.6MPa后送燃料气系统，塔顶产品氢送出装置，并利用Aspen Adsorption进行模拟计算，PSA吸附床参数见表4。
在PSA吸附剂配比不变、装填量不变、操作压力不变等前提下，通过更改吸附时间确保产品氢的纯度大于99%。从图3可知，随原料气中氢气纯度升高，氢气回收率呈升高趋势，当进料氢纯度高于60%时，氢气回收率大于70%；随着进料氢纯度升高，PSA解吸气流量减小，获得提浓后单位体积产品氢的压缩功呈降低趋势；当原料中H2体积分数低于40%时，仅通过调整吸附时间不能满足产品氢纯度大于99%，而且氢气回收效率低，工业应用价值较差。
02膜分离提浓氢气
膜分离装置处理含氢流股示意流程见图4。
氢气回收率及能耗随原料气H2纯度的变化见图5。
原料气经压缩机增压、加热器换热至2.1MPa，80℃后进入有机膜分离装置，渗透气由0.2MPa增压至2.0MPa后送氢气管网或装置新氢机入口，渗余气排至燃料气系统，并利用ProⅡ软件进行模拟计算。计算时假定膜面积不变、组分渗透系数不变。从图5可看出，随原料气中氢气纯度升高，氢气回收率呈升高趋势，当进料氢纯度30%时，氢气回收率仍大于70%；随着进料氢纯度升高，膜分离装置渗透气流量减小，回收单位体积产品氢所需的压缩功呈降低趋势。
03含氢流股中C2+轻烃回收
炼厂含氢干气中除含有大量具有回收潜力的H2外，还含有大量C2+轻烃。若将这类含氢物流直接送至PSA装置或膜分离装置进行氢气提浓，那么将出现因轻烃含量高而在装置入口分液罐形成大量轻烃积液、溶解有机膜组件、轻烃燃料气穿透分子筛吸附剂床层等现象，不利于装置的长周期稳定运行，因而从氢气资源回收高效化、C2+轻烃资源高附加值化角度考虑，可以对这类含氢流股中的轻烃资源进行有效回收。
当前炼厂主要利用油吸收技术进行炼厂干气中C2+轻烃组分的回收利用，利用AspenPlus软件构建简易的油吸收提浓C2装置模型，流程示意如图6所示。
模拟测算结果如图7所示。
油吸收提浓C2的回收率随着C2+轻烃含量升高而呈升高趋势；能耗随着C2+轻烃含量升高而呈降低趋势当φ(C2+轻烃)＜30%时，模型测算C2+轻烃组分回收效率偏低，能耗偏高，需进一步核算经济效益、投资回报率等再确定是否有必要进行C2+轻烃回收；当30%＜φ(C2+轻烃)＜50%时，C2+轻烃回收率在60%～80%，工业上可根据采用低温热制冷等措施进一步提高其回收效率；当原料中φ(C2+轻烃)＞50%时，装置能耗将进一步降低，轻烃回收效率也将进一步提升。
04技术优势区域确定
综上分析可知，对于含氢流股综合优化利用来说，PSA能够生产高纯度氢气，但要求原料氢体积分数大于60%才能保证合适的回收率，经济效益较好。从氢气回收率角度看，膜分离技术对任意氢浓度的原料都具有较高的回收率。从回收单位体积氢气的能耗角度看，膜分离装置的能耗要高于PSA装置。从回收产品氢纯度角度看，膜分离装置产品氢纯度偏低，适合于供对氢气纯度需求不太高的加氢装置或作为PSA进一步提浓的原料。油吸收装置适合于对含氢流股中C+3轻烃含量偏高的流股进行处理，目的是一方面回收高价值的轻烃组分，另一方面是将原料气中的H2富集，便于后续提浓处理。含氢尾气分离技术的优势区域见图8。
由图8可知，针对炼厂含氢尾气而言，根据PSA、膜分离技术和油吸收技术处理各种含氢石化尾气时的分离效果差异，划分了其优势分离区域：PSA系统依然适合处理氢气体积分数大于60%的原料。值得注意的是，PSA处理含氢石化尾气时，原料氢气浓度的下限并不是固定不变的，随着吸附剂选择性的提高，或者吸附塔的数量增加(增加均压次数，减少尾气氢含量)，对较低氢浓度的原料也具有较高的回收率。膜分离技术适合于处理氢体积分数在30%～60%的原料，膜分离技术处理含氢石化尾气的下限也不是固定的，高选择性的膜组件能够提高氢气浓缩程度，因而能够提高氢气回收率和使用范围。油吸收技术适合于对C2+轻烃含量较高的流股进行处理，特别适合用作膜分离或PSA的前处理装置。
05建立含氢物流分离过程矢量描述方法
将分离过程当作“黑匣子”，满足物料守恒、组分守恒。含氢物流分离过程矢量描述见图9。
含氢物流的分离过程可用一对矢量描述：点F—含氢物流，进料；点P—目的产品；点R—剩余组分；矢量FP—获得产品的过程；矢量FR—得到剩余组分的过程。
物料平衡关系用下面公式表示。
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