降低乙烯裝置能耗措施分析

余仁杰，王文海，黎宇章，劉鋒，王勇

（中國石化北京燕山分公司烯烴部，北京 102500）

燕山石化烯烴部乙烯裝置是我國首套從國外引進的年產(chǎn)30萬噸的乙烯生產(chǎn)裝置。經(jīng)過兩次大規(guī)模擴能改造，形成了“兩頭一尾”的格局，裂解老區(qū)與新區(qū)分別擁有一套裂解爐、急冷、壓縮系統(tǒng)，裂解氣加壓后匯合進入分離單元進行深冷分離。目前乙烯設(shè)計生產(chǎn)能力為71萬t/a，最大生產(chǎn)能力已達84萬t/a。乙烯裝置是化工系統(tǒng)的“龍頭”，其運行水平一定程度上反映了整個石油化工行業(yè)的生產(chǎn)水平，能耗高低直接影響整個化工系統(tǒng)經(jīng)濟效益，因此，降低乙烯裝置能耗具有現(xiàn)實意義。

1 流程簡介

燕山石化乙烯裝置采用管式爐蒸汽裂解、LUMMUS深冷順序分離流程。來自裝置界區(qū)外的石腦油、加氫尾油、輕烴以及裝置自產(chǎn)的循環(huán)乙烷、循環(huán)丙烷經(jīng)裂解爐蒸汽熱裂解，生成的裂解氣經(jīng)油洗、水洗、裂解氣壓縮機五段壓縮、三段堿洗，干燥器干燥后進入冷箱、脫甲烷塔、脫乙烷塔、脫丙烷塔、脫丁烷塔依次分離出氫氣、甲烷氫、碳二、碳三、碳四、裂解汽油等組分，其中氫氣、碳四、裂解汽油作為產(chǎn)品送往界區(qū)，碳二組分經(jīng)碳二加氫反應(yīng)器、乙烯精餾塔后生成聚合級乙烯產(chǎn)品送往界區(qū)，碳三組分經(jīng)碳三加氫反應(yīng)器、甲烷汽提塔、丙烯精餾塔后生成聚合級丙烯產(chǎn)品送往界區(qū)。丙烯制冷壓縮機、乙烯制冷壓縮機、二元制冷壓縮機提供深冷分離的冷量。流程見圖1。

圖1 乙烯裝置工藝流程

2 能耗分析

圖2為2013—2016年乙烯裝置主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)變化情況。由圖2可知，高附加值產(chǎn)品收率均未達到60%，乙烯能耗在590~610 kgEO/t范圍內(nèi)，高附收率和能耗距行業(yè)最佳水平62.45%及508 kgEO/t均有明顯差距。

乙烯裝置為化工生產(chǎn)的耗能大戶，圖3為乙烯裝置主要能耗分布，乙烯裝置的能耗主要集中在燃料氣上，其次是水和蒸汽。其中燃料氣包括裝置自產(chǎn)的甲烷氫、火炬氣壓縮機回收的火炬氣以及少量的制苯尾氣；水消耗絕大部分來自于循環(huán)水、部分除氧水以及少量的除鹽水、新鮮水；蒸汽消耗則主要來自于壓縮機驅(qū)動透平使用的10 MPa高壓蒸汽、0.3 MPa低壓蒸汽，另外1.5 MPa中壓蒸汽的富余部分作為裝置的蒸汽輸出送往界外。

圖2 2013—2016年乙烯裝置主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

圖3 乙烯裝置主要能耗分布

3 節(jié)能措施及效果

3.1 優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)及品質(zhì)

3.1.1 原料結(jié)構(gòu)調(diào)整

乙烯裝置原料包括石腦油、高壓加氫裂化尾油、煉廠柴油、外接輕烴裂解料等。原料品質(zhì)越輕，通過蒸汽熱裂解后的高附產(chǎn)品收率越高。在實際運行過程中，加氫尾油高附收率最好，單程高附產(chǎn)品收率可達52%以上；石腦油次之，高附收率為50%左右；柴油最差，高附收率在45%以下，輕烴裂解料的高附收率則主要取決于乙烷、丙烷等物料組成。由圖4可以看到，5年來乙烯裝置的投料比例變化明顯，總體的趨勢是石腦油、輕烴投料比例逐漸擴大，加氫尾油則根據(jù)煉廠的實際運行情況基本保持穩(wěn)定，而高附收率低的柴油在2016年大檢修以后，被大量的外購石腦油所取代，同時輕烴裂解料中又吸收了煉廠飽和氣體回收裝置產(chǎn)出的富乙烷氣（乙烷、丙烷含量可達80%以上），目前石腦油投料比例75%，加氫尾油約15%，輕烴裂解料10%左右，通過原料結(jié)構(gòu)的調(diào)整，乙烯裝置高附加值產(chǎn)品收率明顯提高。

圖4 乙烯裝置近5年投料比例

3.1.2 原料品質(zhì)優(yōu)化

原料中的飽和烷烴較易裂解生成乙烯和丙烯，其中正構(gòu)烷烴裂解的乙烯收率比異構(gòu)烷烴高，因此石腦油中的烷烴含量和正構(gòu)烷烴含量的高低能夠在一定程度上體現(xiàn)石腦油品質(zhì)的好壞。從圖5可以看出，石腦油品質(zhì)在過去5年發(fā)生了很大變化，2014年石腦油品質(zhì)最差，烷烴含量和正構(gòu)烷烴含量分別為65%和34.8%；經(jīng)過不斷加大外購優(yōu)質(zhì)石腦油，2017年，石腦油品質(zhì)大幅度提升，烷烴含量和正構(gòu)烷烴含量分別達到了71.5%和37.9%。根據(jù)裂解爐Spyro軟件模擬計算結(jié)果，2017年石腦油優(yōu)化調(diào)整后，乙烯收率、高附加值產(chǎn)品收率對比2014年分別提高0.126%、0.127%。

圖5 乙烯裝置近5年石腦油中烷烴和正構(gòu)烷烴

關(guān)聯(lián)指數(shù)（BMCI）是相對密度和沸點的組合參數(shù)，可以表征裂解爐加氫尾油品質(zhì)的變化情況，其值越大，芳香性越高，乙烯收率越低。從圖6可以看出，近5年加氫尾油BMCI值控制在12以下，2016年為10.74，2017年加氫尾油BMCI值平均為9.47，改善明顯。根據(jù)裂解爐Spyro模擬軟件計算結(jié)果，2017年加氫尾油品質(zhì)優(yōu)化調(diào)整后，乙烯收率、高附加值產(chǎn)品收率對比2015年，乙烯收率提高約0.1%，高附加值產(chǎn)品收率基本持平。

圖6 乙烯裝置近5年加氫尾油BMCI值

3.2 優(yōu)化裂解爐操作

3.2.1 合理安排裂解爐裂解深度

裂解爐出口溫度（COT）是衡量裂解深度的重要參數(shù)。從裂解反應(yīng)機理分析，提高裂解爐出口溫度，有利于提高裂解反應(yīng)的選擇性，但出口溫度超過某一值后，乙烯、丙烯等低碳烯烴的收率開始減少，爐管結(jié)焦的程度加劇，裂解爐出口高附加值產(chǎn)品收率下降，同時，提高裂解溫度也需要消耗更多的燃料氣、爐膛進風(fēng)量以及風(fēng)機能量，因此裂解溫度需要控制在一定范圍內(nèi)。針對2017年石腦油和加氫尾油的原料變化特點，聯(lián)系北京化工研究院對石腦油和加氫尾油裂解爐進行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖7所示。從圖7a可以看出，COT控制為820~840℃時，燃料氣消耗和高附加值產(chǎn)品收率不斷升高，但830~840℃范圍內(nèi)燃料氣消耗升高速率明顯高于820~830℃范圍內(nèi)，因此裂解爐COT控制在830℃較為適宜，溫度太高，裝置能耗過大；從圖7b可以看出，COT控制在805~815℃時，裂解爐高附加值產(chǎn)品收率上升，高于815℃時，高附加值產(chǎn)品收率下降，因此裂解爐COT控制在815℃。通過標(biāo)定裂解爐以及調(diào)整裂解深度，實現(xiàn)了裝置高附加值產(chǎn)品收率和能耗的優(yōu)化平衡。

3.2.2 降低裂解爐排煙氧含量

裂解爐排煙氧含量是裂解爐過?？諝舛嗌俚捏w現(xiàn)。排煙氧含量越高，空氣過剩系數(shù)越大，煙氣帶走的熱量越多，裂解爐熱效率下降。針對此情況，2017年對各裂解爐進行了調(diào)整，主要針對現(xiàn)場風(fēng)門開度以及裂解爐爐膛風(fēng)壓，目的就是最大程度地保證燃料氣充分燃燒的同時降低裂解爐排煙氧化量。以裂解爐BA108/109/110為例，如圖8所示，經(jīng)過調(diào)整，煙氣氧含量明顯降低，在燃料氣燃燒充分（CO含量低）的同時顯著降低了排煙氧含量，由3%以上降低至1%，顯著降低了燃料氣消耗。

圖7 不同COT下裂解爐耗用燃料氣量及裂解氣高附加值產(chǎn)品收率

圖8 裂解爐煙氣氧含量變化趨勢

3.3 降低裝置蒸汽消耗

3.3.1 降低急冷稀釋蒸汽系統(tǒng)中壓蒸汽補入

老區(qū)急冷稀釋蒸汽系統(tǒng)自2016年大檢修以來存在稀釋蒸汽發(fā)生量不足的問題，導(dǎo)致中壓蒸汽補入量大、外排污水量大，嚴(yán)重影響裝置的經(jīng)濟運行。主要原因是汽油分餾塔熱負(fù)荷分配不均，塔釜急冷油溫度過低。通過調(diào)整汽油分餾塔側(cè)線采出和塔頂回流量，中壓蒸汽補入量不斷降低，如圖9所示，老區(qū)中壓蒸汽補入閥開度（氣關(guān)閥）由72%上升為90%左右，開度大大降低，經(jīng)初步估算，可節(jié)約中壓蒸汽消耗15 t/h以上。

3.3.2 增大高壓蒸汽透平抽汽量

圖9 稀釋蒸汽系統(tǒng)中壓蒸汽補入閥開度和汽油分餾塔塔釜溫度關(guān)系

裂解氣壓縮機驅(qū)動透平GT-201和丙烯制冷壓縮機驅(qū)動透平GT-501為高壓蒸汽抽汽冷凝式透平，正常生產(chǎn)時可通過抽汽量的調(diào)整來控制外接高壓蒸汽的消耗。以GT-201為例，由于GT-201耗用的高壓蒸汽（SS）無計量表，可通過外接高壓蒸汽量的增加量體現(xiàn)，GT-201抽汽量增加4.55 t/h，外接SS增加約3.72 t/h，減少凝液排放0.83 t/h，按折標(biāo)系數(shù)計算，可減少蒸汽能耗約18.73 kgEO/h，如表1所示。同理，根據(jù)測算，丙烯制冷壓縮機可減少蒸汽能耗約12.48 kgEO/h。正常生產(chǎn)時，在熱力410 t鍋爐、1#、4#高壓爐運轉(zhuǎn)正常且外接高壓蒸汽量充足的情況下，盡可能進行GT-201/501多抽汽操作，控制GT-201抽汽量120 t/h，GT-501抽汽90 t/h，以降低裝置能耗。

表1 GT-201抽汽調(diào)整前后能耗變化

3.3.3 優(yōu)化蒸汽再沸器耗用蒸汽量

1）對于脫乙烷塔，將DA-401塔負(fù)荷適當(dāng)轉(zhuǎn)移至DA-451塔，充分利用老區(qū)急冷水的熱量進行再沸器加熱，降低DA-401塔蒸汽再沸器的低壓蒸汽消耗。因此，DA-401低壓蒸汽用量由4.57 t/h降低為3.96 t/h。

2）對換熱效果下降的高壓脫丙烷塔再沸器EA-476進行了切換。通過切換清理，減少低壓蒸汽消耗約3 t/h，切換前后蒸汽變化如圖10所示。

圖10 EA-476切換前后再沸器蒸汽量

3.4 提高高附加值產(chǎn)品收率

3.4.1 降低裂解氣壓縮機一段吸入壓力

裂解爐出口高附加值產(chǎn)品收率與裂解爐出口壓力（COP）有關(guān)。COP越低，烴分壓越低，裂解反應(yīng)選擇性越高，裂解爐出口高附加值產(chǎn)品收率越高。裂解爐出口壓力由裂解氣壓縮機入口壓力控制。入口壓力控制越低，壓縮機壓縮比越高，透平高壓蒸汽用量越大。為提高裝置高附加值產(chǎn)品收率、降低乙烯裝置能耗，對裂解氣壓縮機一段吸入壓力對高附收率、裝置能耗的影響進行了測試調(diào)整，將壓縮機轉(zhuǎn)速由5 800 r/min提升至6 000 r/min，在裝置8＋2＋3負(fù)荷下將GB-201一段吸入壓力降低了約14 kPa，期間高附收率提高了約0.657%，排除因原料品質(zhì)改善產(chǎn)生的高附收率0.348%外，因裂解爐出口壓力降低選擇性提高產(chǎn)生的高附加值產(chǎn)品效益提高0.309%。同時為考察一段吸入壓力與裝置能耗的關(guān)系，對不同吸入壓力下的裝置能耗進行了測試調(diào)整，如表2所示。結(jié)果表明裂解氣壓縮機一段吸入壓力從50 kPa降低至40 kPa時，高附收率提高約0.26%，能耗上升約10.2 kgEO/t；從60 kPa降低至50 kPa時，高附收率提高約0.27%，能耗上升約2.8 kgEO/t；當(dāng)70 kPa降低至60 kPa時，高附收率提高約0.24%，能耗上升約0.7 kgEO/t。因此，GB-201一段吸入壓力控制在50~60 kPa較為適宜，因為低于此壓力時裝置能耗大幅度升高，高于此壓力時則不利于裝置高附收率的提高。

表2 GB-201一段吸入壓力與高附收率及能耗關(guān)系

3.4.2 降低分離過程高附產(chǎn)品損失

1）降低丙烯回收塔塔釜丙烯損失

由于裂解新區(qū)急冷水塔DA-1103急冷水溫度低，裝置負(fù)荷高，導(dǎo)致DA-1406負(fù)荷高，塔釜加熱不足，塔釜丙烯損失大，嚴(yán)重影響了乙烯裝置丙烯收率，同時塔釜損失的丙烯進入循環(huán)丙烷系統(tǒng)后將降低裂解爐運行周期，同時導(dǎo)致分離成本增加。針對此情況，丙烯回收塔DA-1406進行了如下調(diào)整：①降低DA-1406塔壓至1.65 MPa；②控制回流量在60 t/h以下；③增開GA-1406，提高塔頂采出量；④控制好DA-406/456回流及加熱，降低DA-1406塔進料負(fù)荷；⑤及時提高急冷水水溫等。通過以上措施，顯著降低了塔釜丙烯損失，如圖11所示。截至2017年11月，通過優(yōu)化操作，同比減少丙烯損失約4 650 t。

2）降低乙烯精餾塔塔釜乙烯和丙烯損失

由于高負(fù)荷運行時丙烯制冷壓縮機GB-501/551負(fù)荷大，冷劑冷量不足，導(dǎo)致脫乙烷塔DA-401/451塔頂冷凝效果差，塔頂溫度高，造成大量的丙烯通過碳二加氫反應(yīng)器后進入到乙烯精餾塔DA-402/452塔中，丙烯帶入乙烯精餾塔后，在塔釜沉積，一方面造成塔釜循環(huán)乙烷中丙烯損失大，另一方面造成塔釜再沸器加熱效果變差，造成乙烯損失大。針對此情況，采取了以下措施：①平衡GB-501/551負(fù)荷，降低丙烯制冷壓縮機一段入口壓力至30 kPa左右；②降低DA-401/451塔靈敏板溫度至25℃。截至2017年11月，比2016年減少乙烯損失約770 t，丙烯損失減少約2 580 t。優(yōu)化調(diào)整前后乙烯精餾塔塔釜乙烯/丙烯損失與脫乙烷塔溫度變化見圖12。

圖11 DA-1406塔釜丙烯含量

3）其他優(yōu)化調(diào)整

為了降低脫丁烷塔DA-405/455塔釜裂解汽油中的碳四含量，提高裂解碳四收率，對脫丁烷塔系統(tǒng)進行了優(yōu)化操作：①降低DA-405塔塔壓至0.37 MPa，DA-455塔塔壓至0.39 MPa；②提高脫丁烷塔塔釜靈敏板溫度至108℃；③投用DA-430塔等操作，顯著降低了裂解汽油中的碳四含量。

圖12 乙烯精餾塔塔釜乙烯/丙烯含量與脫乙烷塔塔頂溫度

為降低凝液汽提塔塔釜的乙烯損失，對新區(qū)凝液汽提塔進行了檢修，清除了塔盤降液管堵塞，使凝液汽提塔塔釜乙烯損失由2 000 μg/g以上降低為30 μg/g以下。

4 結(jié)論

通過原料結(jié)構(gòu)調(diào)整、原料品質(zhì)優(yōu)化、裂解爐操作優(yōu)化、減少蒸汽消耗、提高高附產(chǎn)品收率等措施，2017—2018年乙烯裝置高附收率、能耗不斷創(chuàng)造近年最佳水平，其中2017年9月實現(xiàn)乙烯能耗551.58 kgEO/t，高附能耗實現(xiàn)294 kgEO/t，均創(chuàng)5年內(nèi)最佳水平，2018年實現(xiàn)累計高附加值產(chǎn)品收率61.958%，創(chuàng)造歷史新高。

八面來風(fēng)

用餐飲廢油生產(chǎn)生物航煤新技術(shù)

日本Euglena公司2018年10月在日本橫濱建成了日本第一套生產(chǎn)可再生航煤和柴油的示范裝置。投資580萬美元的這套中型裝置建在公司橫濱的試驗中心，產(chǎn)能為5桶/日（約合12.5萬升/年），采用生物燃料異構(gòu)轉(zhuǎn)化工藝（BIC）。Euglena公司預(yù)計，今年夏季就將供應(yīng)新一代可再生柴油，2020年實現(xiàn)可再生航煤的商業(yè)飛行。這個項目是Euglena公司與橫濱市、千代田公司、伊藤忠Enex公司、五十鈴汽車公司、ANA控股公司和促進政府、科學(xué)界和汽車工業(yè)合作廣島協(xié)會合作進行。示范裝置今年春季開始滿負(fù)荷運行，用裸藻、微藻和廢餐飲油作原料。