运用膜分离回收富氢干气

许思思

中韩（武汉）石油化工有限公司 湖北省武汉市 430082

摘要：针对回收含氢尾气中氢气，降低制氢成本及燃料气氢含量的问题。某厂投用膜分离装置联合现有PSA对富氢干气回收提纯。总结了膜分离技术特点，分析了膜分离运行效果及收益。

关键词：膜分离 氢气 回收

1. 背景

原油重质劣质化趋势日益严重，加氢技术不断投产应用。氢气需求上升含氢尾气量随之增加，回收富氢尾气中氢气是降低制氢成本的手段之一。某厂干气提浓装置可产约15000Nm3/h吸附废氢，只有3000～8000Nm3/h作制氢原料，其余放燃料管网。氢气体积热值低降低了燃料热值，火嘴易回火熄灭火焰发飘，温度分布不均炉膛局部过热^[1]。且氢气价格高于燃料气，放燃料管网对氢气资源利用不足。

2. 膜分离特点

2.1 技术对比

氢气回收提纯方法有变压吸附（PSA）、深冷分离和膜分离。膜分离是利用选择性渗透原理实现气体分离，不同组分靠膜两侧压力差选择性通过高分子聚合物膜。表1对三种氢气回收提纯技术进行对比^[2][3]。

表 1氢气回收技术性能对比

由上表知膜分离可靠性及操作弹性可观，扩建难度和功耗最小。而原料所需氢含量低于PSA，可将膜分离作PSA前的提纯步骤。

2.2 控制重点

膜分离器为单元核心设备，由高分子中空纤维束填充^[4]，相对渗透性快的氢气从管束壁通过得到渗透气，另一侧为非渗透气。膜前后压差及面积越大，渗透量越大，产品氢纯度越低。温度过低烃冷凝成液膜影响分离效果或使膜损坏。温度过高材质发生蠕变性能下降。过快升压和逆向流动，会使纤维束位移断裂及密封圈失效等^[4]。

3. 方案实施

某厂焦化和催化干气共20000Nm3/h，作富含碳二的原料进干气提浓，经PSA脱除碳二的吸附废氢规模15000Nm3/h，含氢量20%～35%。一路掺炼进制氢，其余从压缩机入口放燃料管网。增加膜分离后吸附废氢先全进该单元提纯得到渗透气，加压进低分气PSA，利用现有低分气PSA富余的生产能力，再次提纯至要求的纯度。外侧非渗透气回原流程。新增富氢干气回收流程见图1。

图 1新增膜分离装置流程图

4. 实施效果

4.1运行现状

膜分离装置经4个月试运，产品性质及氢气回收率见表2。

表 2膜分离原料及产品性质

经膜分离产出的渗透气去加氢裂化低分气PSA入口与原低分气混合进PSA提纯，造成的变化见表3。非渗透气制氢与天然气及吸附废氢制氢的比较见表4。

表 3低分气PSA组分变化

表 4制氢原料对比

由表2知非渗透气烯烃含量由进膜原料的2.82%提高到3.62%，按制氢低负荷产氢50000Nm³/h，且非渗透气全回制氢掺炼的工况计算。还需掺炼天然气=（50000-9782×1.9）/2.67=11766Nm³/h，进加氢反应器的烯烃含量为1.64%，满足工艺要求的烯烃体积含量不大于8%。由表3知混合原料中含有CO和CO₂，产品氢CO含量明显上升，而低分气PSA装填的吸附剂对CO吸附能力有限，须调整PSA操作使产品质量合格，使氢气回收率有所降低。

制氢装置在燃料管网末端，燃料组分变化最先在转化炉显现。查膜分离运行前后制氢燃料气氢含量的变化如图2。

图 2膜分离运行前后燃料气氢气含量

由上图可以看到燃料气氢气含量有明显降低。

4.2能耗及效益

膜分离装置能耗见表5^[5]。

表 5膜分离装置能耗

按原流程压缩机前吸附废氢放燃料管网10000Nm³/h计算，渗透气氢气回收率70%，低分气PSA氢气回收率74%，即新增装置可回收氢气1349.39Nm³/h，天然气制氢产氢比1：2.67，节约天然气505.39Nm³/h。进入氢管网1349.39Nm³/h氢气造成的燃料气管网热值的减少，如用天然气补足，需天然气=1349.39×10.79/33.99=428.36Nm³/h。但同时减少制氢也缩减了加工费用^[1]。制氢燃动费用2352元/t纯氢，年度节约加工费=2535×8400×1349.39/11200=256.55万元/年，膜分离加工费=0.24×1457×8400=287.94万元/年，减少天然气价格=77.03×2.4×8400=155.29万元/年，提升效益约123.9万元/年。

5. 小结

渗透气氢气回收率70%，低分气PSA氢气回收率74%，氢气回收率皆低于制氢PSA回收率，但可将原放燃料管网的氢气得以回收利用，燃料气氢气组分降低明显，提升效益约123.9万元/年。因此要提升组件性能调整控制参数，挖掘膜分离及低分气PSA氢气回收率提高方案。

参考文献

1. 王育林，陈志伟，吴科.长庆石化氢资源优化及富氢气体回收[J].中外能源，2015,20（9）：95-99.

2. 王萍，吴鹏昊，徐以泉.加氢型炼厂富氢尾气回收氢气技术[J].中外能源，2016，21（4）：78-82.

3. 董子丰.用膜分离从炼厂气中回收氢气[J].低温与特气，1997，3：34-42.

4. 方新刚，朱恒德，广家旭.膜分离技术在富氢回收领域的应用实例[J/OL].石油石化节能，2018,（8）1:14-17.

5. 中韩石化.干气提浓装置富氢气体利用单元工艺技术规程[Z].2021-04-23.