化工区火炬气回收技术探讨与实践

唐旭东

（中国石化广州分公司，广州 510726）

1 广州分公司化工区火炬气排放总体情况

目前，各装置排放气除少部分回收外，其余全部排入化工区火炬气管网。化工区主火炬系统Y-4501负责各主体装置火炬气处理任务，主火炬设计最大处理能力为615 t/h，无烟燃料按最大能力10%设计。化工区火炬气管网排放气典型组成情况见表1。

表1 广州石化化工区火炬排放气典型组成

续表

由表1可以看出，化工区火炬气中惰性气体为氮气，其他可燃气主要为氢气和甲烷，其中氢气体积分数10%～20%，基本不含硫、水。经统计并测算，平均分子量26.98、体积流量2 750 m3/h、质量流量3.312 t/h，有效热值约8.37 MJ/m3，等效天然气量为647 m3/h，目前这些可燃气主要通过火炬燃烧的方式进行排放处理。这些火炬气若回收用于燃料气，相当等效于燃烧标准煤约785 kg产生的热量，若按一年8 000 h计算，相当于节约标准煤约6 280 t/a。

2 火炬气回收方案讨论

2.1 其他企业情况

A公司火炬气回收项目2008年投用。据介绍，火炬气回收并网后，对裂解炉NOx排放和热场分布无大的影响。压缩机能力为3×1 t/h，两开一备，回收火炬气1～2 t/h，选用螺杆压缩机，根据火炬气量选择压缩机运行模式。但由于机组冷却采用柴油喷淋，导致燃料气管网中经常有柴油积累，需定期排放处理，工作量较大，并影响炉子烧嘴燃烧。

B公司火炬气回收系统利旧1台10 190 m3湿式气柜，1台螺杆压缩机（900 m3/h），在气柜出入口都装有过滤设施，在压缩机入口设有汽液分离罐。回收0.1～0.5 t/h火炬气，其中20%回收气并入燃料气管网自用，其余送往全厂瓦斯管网。火炬气占裂解燃料气比例3%～5%，火炬气中氮气体积分数在50%～60%之间，对裂解炉NOx排放和热场分布无不良影响。但湿式气柜投用后效果不理想。

2.2 气柜方案比选

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，为此，特比选相关方案。

储气柜按密封介质分为湿式和干式。湿式气柜随储气柜塔节的增减而改变，压力是波动的，干式气柜压力稳定；湿式气柜柜内气体湿度大，出口燃气含水量高，而干式气柜储存气体干燥；湿式气柜需要保温，蒸汽用量大，而干式气柜虽也有蒸汽管加热，但耗热量少；湿式气柜空间利用率低，占地面积较大，而干式气柜储气空间大，占地面积小；使用寿命方面，干式气柜50年，明显长于湿式气柜的30年；抗震等性能方面，湿式气柜由于水槽上部塔节为浮动结构，易造成塔体倾斜，产生导轮错动、脱轨、卡住等现象，而干式气柜活塞不受强风和冰雪影响；在气柜的基础处理方面，湿式气柜因水槽内水量大，在软土地基上建罐需进行基础处理，而干式气柜自重轻，地基处理简单；但在罐体耗钢量、罐体造价和安装精度要求方面，湿式气柜则明显低于干式气柜。

综上所述，干式气柜性能更加优越，可以弥补湿式柜的缺点，特别是近10年来，干式气柜在国内各大石化企业火炬气回收系统上得到了广泛的应用[2-3]。

2.3 压缩机选型

压缩机主要有迷宫机（又称往复式）、螺杆机和液环机3种，是火炬气回收装置中重要设备，需要对相关介质具有很好的适应能力，故障率要低。压缩机的选择因火炬气的流量和组成波动大比较困难，需要对火炬气的流量和组成进行长期测定[4]。

在火炬回收系统上，迷宫式和螺杆式压缩机均可以应用，结合广州石化化工区装置火炬气的组成特点，经过反复对比，最终选用螺杆式压缩机，主要考虑是：

1）在广州石化化工区裂解装置已有1套运行了10年的火炬回收系统，采用的是螺杆压缩机，运行状态很好。广州石化对螺杆压缩机的操作、管理成熟、检修经验丰富。

2）螺杆压缩机结构简单，维护方便。无迷宫式压缩机吸排气阀、活塞环等影响设备长周期运行的易损件。

3）螺杆压缩机的备件储备量少，积压和占用资金较少。

4）螺杆压缩机检维修费用较低，检修时需要更换的易损件少。

5）由于化工区各装置火炬气组成变化较大，而同等参数下，螺杆机比迷宫机的单机压比大，排气受背压影响较小，流量和压力基本不受气体分子量的影响。因此，有利于设备稳定运行。

6）化工区火炬气在装置事故状态下携带大量乙烯、丙烯、丁二烯等烯烃类物料，容易发生自聚。尤其是裂解排出气体在压缩过程中容易在气阀和活塞环聚合堵塞，影响机组运行。螺杆式压缩机对带有颗粒的气体和污染不敏感，特别适合有聚合倾向的火炬气气体。

3 化工区火炬气回收项目实践

经过调研比选，广州石化决定在化工区聚丙烯（一）装置南面空地建设化工区回收火炬气为可燃气项目。装置于2018年11月底建成投用。

总体而言，装置投产以来运行平稳，管网火炬气基本得到回收，达到预期目的。截至2019年6月底，装置已安全平稳运行7个月，气柜随着气量大小浮动自如，标杆在5～12米范围内波动，两台压缩机按控制程序交替开停。2019年5月13日至17日共4天的装置标定数据表明，火炬气回收系统平均回收气量为2 500 m3/h，正常生产情况下的化工区火炬气基本可以全部回收，外送入燃料气管网，对下游各燃烧炉NOx排放和热场分布无不良影响。

3.1 存在的问题及改进

1）运行压力无法达到要求

在试运行过程中，原有火炬系统缺少火炬水封罐液位显示和控制手段，水封压力达不到运行要求，造成装置气柜不能正常进气。经研究发现，主要原因是现有火炬系统火炬气水封罐实际水封压力2.6～3.0 kPa，低于水封罐资料设计压力4.0 kPa（6.0 kPa），火炬气总管的压力在2.0～2.5 kPa，低于操作压力3.0 kPa；气柜工作压力是2.42 kPa，管道摩阻约0.35 kPa，总管压力低于气柜工作压力＋管道摩阻，导致活塞无法升起，气柜不能正常进气。

因此，采取了以下措施：①增加火炬水封罐溢流管U型弯高度，相当于提高溢流高度，先增加水封罐液位，达到提高火炬压力的目的。②增加主火炬水封罐液位远传指示和进水、出水调节阀，自动控制水封罐液位，达到稳定火炬管网压力的目的，同时增加主火炬处的管网压力远传指示。③完善气柜控制方式，防止储气反窜回火炬总管。必要时修改联锁逻辑控制方式。

上述措施实施后，装置操作系统与火炬气管网系统压力基本平衡，回收装置与火炬气管网均运行平稳。

2）氮气消耗量高于设计值

氮气实际消耗（220 m3/h）比设计值（40 m3/h）偏差大。针对氮气用量远超设计值的问题，目前研究出了两种改造方案，一是压缩机进端氮气支路添加2 mm孔板，二是压缩机进端氮气支路添加截止阀，开机后仅需要做一次性调整，之后可以长久维持不变。改造计划在2019年内完成。

3）装置排放量无监控

虽然化工区火炬气得到回收，但是由于各装置排出的火炬气是混合后进入气柜回收，因此在实际操作中，当某套装置异常排放火炬气时，装置操作人员无法及时知晓该装置的排放量，从而导致火炬气回收装置的生产操作始终处于被动状态，加强各装置放火炬的界区阀监控才能为装置赢得调控时机。

4）机组电耗高

火炬气回收装置电耗较高，需要优化螺杆机运行状态，以延长机组使用寿命，降低能耗。

3.2 效益测算

广州石化化工区火炬气回收为可燃气项目投用后，提升了企业经济、环保等诸方面效益。

1）经济效益方面

若按标准油折算：回收火炬气约为2 750 m3/h，有效热值约为8.37 MJ/m3，等效于燃烧标准油约550 kg/h产生的热量，按一年360天计算，相当于标准油约4 752 t/a。同时，消灭火炬后可节省1.0 MPa蒸汽消耗1～2 t/h，按饱和蒸汽进行计算，燃烧锅炉的转换效率按60%计算（每年360天运行），相当于节省标准油1 088～2 000 t/a。

该项目一年内回收的能量相当于标准油5 840～7 000 t。根据目前统计分析，2019年3月项目效益为49万元，4月55万元，推测年度效益为600万元左右。

2）环境效益方面

碳减排方面。从火炬排放角度讲回收火炬气并没有减少排放，回收的气体作为可燃气体进行燃烧，主要是回收其能量。

从等效能量方面考虑。火炬气2 750 m3/h，有效热值约为8.37 MJ/m3，等效于燃烧标准煤约785 kg/h产生的热量，相当于标准煤约6 780 t/a（每年360天运行计）。燃烧此部分标准煤会产生CO2约21 690 t/a，燃烧回收后的火炬气相当于减少了广州石化标准煤的使用量。

3）社会效益方面

广州石化化工区域地处珠三角腹地，周边高速公路、铁路和居民区密布，该项目的投用已极大改善了周边大气环境，造福周边百姓，提升了企业环保形象。

4 结论

广州石化公司化工区以往每年排放大量火炬气，造成能源浪费和环境污染。经过调研和技术论证，完成了化工区火炬气回收装置建设，装置投用后运行平稳，外送的燃料气对下游各燃烧炉NOx排放和热场分布无不良影响。该项目不仅解决了燃烧火炬气带来的环境污染问题，而且还创造了一定的经济效益，同时为广州石化打造中国华南区域创新、环保示范基地，成为石化企业在节能减排、环境保护领域的标杆做贡献。