乙烯裝置急冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法

辛江，張來(lái)勇，趙唯，隋蕾

（中國(guó)寰球工程有限公司，北京 100012）

乙烯技術(shù)包括裂解、急冷、壓縮、分離和產(chǎn)品精制等工藝，工藝復(fù)雜，溫度跨度大（-160～850℃），技術(shù)集成難，關(guān)鍵裝備制造難，技術(shù)壁壘高。中國(guó)寰球工程有限公司根據(jù)國(guó)家重要戰(zhàn)略需求，于2000 年左右開展乙烯成套技術(shù)開發(fā)工作，開發(fā)的百萬(wàn)噸級(jí)大型乙烯成套技術(shù)于2012 年實(shí)現(xiàn)首套工業(yè)應(yīng)用，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。此后，為適應(yīng)原料多樣化、輕質(zhì)化的發(fā)展趨勢(shì)，又相繼開發(fā)出煤基原料裂解制乙烯成套技術(shù)和乙烷裂解制乙烯成套技術(shù)，形成從乙烷、輕烴、石腦油到柴油和原油等完整的、適應(yīng)不同復(fù)雜原料的系列乙烯成套技術(shù)。兩個(gè)乙烷制乙烯國(guó)家示范工程——蘭州石化長(zhǎng)慶公司80萬(wàn)噸/年乙烷制乙烯項(xiàng)目和獨(dú)山子石化公司塔里木60萬(wàn)噸/年乙烷制乙烯項(xiàng)目于2021 年8 月相繼一次開車成功，裝置連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。

裂解原料的變化推動(dòng)了乙烯技術(shù)的發(fā)展，由于急冷系統(tǒng)處于裂解爐和分離系統(tǒng)的銜接部位，要適應(yīng)不同原料的裂解氣，因此不同特色的急冷技術(shù)發(fā)展迅速。本文著重對(duì)乙烯急冷技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行闡述，突出自主乙烯技術(shù)的急冷技術(shù)特點(diǎn)。

急冷系統(tǒng)主要由急冷油塔、急冷水塔、工藝水回收系統(tǒng)等組成，擔(dān)負(fù)著乙烯裂解氣初分餾功能，主要目的是實(shí)現(xiàn)油品預(yù)分餾、較低品位熱量回收以及循環(huán)回收工藝水。由于其處理的裂解氣組分復(fù)雜、操作條件要求高、長(zhǎng)周期運(yùn)行瓶頸多等特點(diǎn)，是乙烯裝置平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵單元。

裂解氣由氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁二烯，其余碳四、碳五、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、其余C～C等確切組分和C以上復(fù)雜組分構(gòu)成。C以上組分為汽油、柴油、燃料油等，為簡(jiǎn)化一般采用虛擬組分進(jìn)行替代，虛擬組分切割為裂解汽油（C-NBP 為205℃）、輕燃料油（NBP 為205～281℃）、重燃料油（NBP＞281℃）。急冷區(qū)的目的是將絕大部分汽油、全部燃料油切割下來(lái)。

由于裂解原料的差別，裂解氣進(jìn)入急冷區(qū)的溫度存在較大差別。裂解過程是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為830～870℃的氣相，為減少二次反應(yīng)和實(shí)現(xiàn)高品位熱量的利用，高溫裂解氣一般降溫到350～550℃。裂解氣經(jīng)過一急冷、二急冷或者三急冷回收熱量，具體配置因原料輕重不同而異。一般來(lái)說，裂解原料越重，裂解產(chǎn)物中重組分含量越多，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度越高，通過急冷換熱器只能獲得較窄溫度范圍的熱量。根據(jù)裂解原料的不同，分為重質(zhì)液體原料、輕質(zhì)液體原料、氣體原料（乙烷、丙烷）的急冷流程。裂解產(chǎn)物中重組分含量不同，急冷油塔釜溫維持不同溫度。氣體原料的裂解產(chǎn)物中重組分非常少，裂解氣以氣相形式進(jìn)入急冷區(qū)，僅設(shè)置急冷水塔，不設(shè)置急冷油塔，難點(diǎn)在于如何脫除夾帶的少量重組分和焦粉。不同急冷流程對(duì)比見表1。本文根據(jù)急冷系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析不同流程技術(shù)應(yīng)注意的設(shè)置原則和優(yōu)化要點(diǎn)。

表1 不同急冷流程的差別對(duì)比

1 液體裂解原料急冷區(qū)技術(shù)要點(diǎn)

相比輕質(zhì)原料，重質(zhì)液體原料的急冷流程較為復(fù)雜，控制參數(shù)多，是目前乙烯裝置較為常見的流程。圖1所示為典型的重質(zhì)液體原料急冷流程，在急冷油塔中，裂解氣依次與急冷油、中油、汽油逆流接觸換熱而被冷卻，重燃料油（含焦粉）、輕燃料油被脫除，熱量被回收。塔頂餾出物是汽油及輕于汽油的餾分。系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)油循環(huán)回路，分別是急冷油循環(huán)和中油循環(huán)，二者溫位不同，目的是最大限度地回收熱量。急冷油和中油是裂解氣中重餾分油和中間餾分油冷凝、分離而成的。

圖1 典型的重質(zhì)液體原料急冷系統(tǒng)示意圖

急冷油塔塔底為重燃料油和焦粒的混合物，稱為急冷油，其一部分作為回流，另一部分作為裂解爐急冷器的急冷介質(zhì)。急冷油循環(huán)中積累的多余重餾分油在黏度控制塔處理后作為重燃料油，其與來(lái)自中油段累積的輕燃料油合并為燃料油產(chǎn)品輸送至裝置界區(qū)外，通常調(diào)整兩者的采出量控制急冷油的黏度。焦粒通過濾器被除去。

來(lái)自急冷油塔的裂解氣在急冷水塔中依次與一級(jí)急冷水和二級(jí)急冷水逆流接觸換熱被冷卻，冷卻后的裂解氣進(jìn)入裂解氣壓縮機(jī)一段吸入罐。冷凝下來(lái)的稀釋蒸汽和裂解汽油組分進(jìn)入油水分離器，分離出的大量急冷水進(jìn)入急冷水循環(huán)系統(tǒng)，只有少量急冷水作為工藝水送去稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)；大量油相作為回流汽油返回急冷油塔塔頂，少量去汽油汽提塔。

1.1 熱量分配原則

通常裂解氣經(jīng)過一急冷后，初期溫度為400℃左右，在急冷區(qū)依次通過急冷油塔、急冷水塔，熱量得到回收，最終40℃左右的裂解氣進(jìn)入壓縮單元。

急冷油塔頂溫控制在105℃左右，高于裂解氣水露點(diǎn)，因此400～105℃的裂解氣熱量在急冷油塔中回收。為實(shí)現(xiàn)熱量的高品位利用，急冷油塔設(shè)有急冷油循環(huán)和中油循環(huán)。通常將急冷油塔釜溫維持在200℃以上，急冷油循環(huán)實(shí)現(xiàn)200～180℃的熱量利用，此部分熱量?jī)?yōu)先用于發(fā)生稀釋蒸汽。當(dāng)裂解原料偏輕時(shí)，裂解氣中重組分含量偏低，急冷油塔釜溫難以維持高溫，通常補(bǔ)充富含重芳烴的調(diào)質(zhì)油以維持較高的急冷油溫度，此情況下油塔釜溫通常維持在較為經(jīng)濟(jì)的140～160℃。對(duì)于重質(zhì)原料裂解氣，為更好控制急冷油塔的溫度梯度，優(yōu)化熱量分配，通常設(shè)置中油循環(huán)段，回收裂解氣120～170℃的熱量。在計(jì)算急冷油塔時(shí)，在保證中油循環(huán)的熱量滿足主要再沸器和預(yù)熱器的最低要求后，應(yīng)盡量提高急冷油循環(huán)的撤熱量，通常急冷油的撤熱量是中油撤熱量的2～3倍。

急冷水塔進(jìn)料含有裂解汽油、水和較輕的組分，急冷水塔的目的是將稀釋蒸汽和裂解汽油冷凝。被冷凝的稀釋蒸汽稱為工藝水，經(jīng)稀釋蒸汽發(fā)生器汽化后循環(huán)回裂解爐。為將廢熱盡可能利用，急冷水塔釜溫控制在80℃，以兩段循環(huán)形式實(shí)現(xiàn)廢熱梯級(jí)利用，減少循環(huán)冷卻水用量。在計(jì)算急冷水塔時(shí)，應(yīng)充分考慮裂解爐熱備工況對(duì)急冷水塔負(fù)荷的影響，急冷水循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有足夠的撤熱能力，為減少頂部循環(huán)所需的冷卻水用量，底部循環(huán)量一般為頂部循環(huán)量的3倍。急冷系統(tǒng)不同撤熱循環(huán)對(duì)比見表2。

表2 急冷系統(tǒng)各撤熱循環(huán)對(duì)比表

以100萬(wàn)噸乙烯裝置為例，采用重質(zhì)原料和輕質(zhì)原料急冷區(qū)各循環(huán)系統(tǒng)的撤熱量如表3所示。由表3可知，采用重質(zhì)原料的乙烯裝置裂解氣在急冷區(qū)的撤熱量是采用輕質(zhì)原料的3倍以上，所以撤熱比例分配有較大不同，同時(shí)對(duì)后分離流程的取熱影響也較大。

表3 100萬(wàn)噸乙烯裝置急冷系統(tǒng)各循環(huán)撤熱量對(duì)比表

1.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

在模擬計(jì)算時(shí)，應(yīng)以減少高品位熱量后移、減少重組分后移為控制點(diǎn)，急冷區(qū)兩塔體系相互關(guān)聯(lián)，尤以控制急冷油塔的頂溫最為關(guān)鍵，其控制效果是由急冷油循環(huán)和急冷水循環(huán)的撤熱量決定。

急冷油塔頂溫是設(shè)計(jì)和操作尤其關(guān)注的參數(shù)，此溫度是稀釋蒸汽、裂解汽油與輕燃料油實(shí)現(xiàn)分離的主要控制參數(shù)。急冷油塔的頂溫與塔頂壓力、塔頂裂解氣組成有關(guān)，應(yīng)重點(diǎn)控制裂解氣組成，避免輕燃料油過多進(jìn)入頂部，并防止汽油組分進(jìn)入燃料油中。通常調(diào)整裂解汽油回流量、輕燃料油采出量、中油撤熱量以達(dá)到控制目的。部分研究者也對(duì)急冷系統(tǒng)進(jìn)行了靈敏度分析，考察了主要變量對(duì)急冷系統(tǒng)的影響。

三個(gè)控制變量相互影響，尤其以輕燃料油采出量最為關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)裂解氣中輕燃料油含量，合理確定采出量。為實(shí)現(xiàn)急冷油塔的操作穩(wěn)定性和可調(diào)整性，一般應(yīng)保證急冷油塔的回流量稍高，通常是塔頂裂解氣量的1/3左右。當(dāng)裂解原料偏輕時(shí)，汽油組分含量下降，出現(xiàn)回流量不足，應(yīng)從汽油汽提塔或者下游汽油加氫裝置返回裂解汽油組分，實(shí)現(xiàn)裂解汽油組分的大循環(huán)，保證回流量。

1.3 輕質(zhì)化原料急冷區(qū)能量?jī)?yōu)化

近年來(lái)，為提高煉化一體化的經(jīng)濟(jì)性，部分乙烯裝置的原料除考慮上游煉油裝置供來(lái)的石腦油、尾油及少量輕質(zhì)原料外，還盡量利用可得的液化石油氣（LPG）、乙烷、丙烷等輕質(zhì)原料，加大乙烯裝置輕質(zhì)原料比例，以提高乙烯收率，實(shí)現(xiàn)更好經(jīng)濟(jì)效益。有別于傳統(tǒng)重質(zhì)液體原料乙烯裝置，輕質(zhì)化原料對(duì)急冷區(qū)的熱量分配合理性提出了新要求。

某乙烯裝置裂解原料為混合石腦油、LPG、丙烷和乙烷，乙烯收率高達(dá)43%，燃料油在裂解氣中的質(zhì)量含量低于2%?；诹呀鈿饨M分輕的特點(diǎn)，在裂解爐設(shè)計(jì)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)裂解氣熱量的最大利用，液體爐的裂解氣溫度利用至240℃，氣體爐的裂解氣溫度利用至180℃，裂解氣均干式輸送至急冷油塔。

急冷油塔釜溫的確定是關(guān)鍵。典型輕質(zhì)原料的裂解氣組成中燃料油以上重組分（NBP＞205℃）質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.4%，相比重質(zhì)原料裂解氣重組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%明顯偏少，裂解氣的重組分留存在急冷油塔釜的難度加大，塔釜溫度難以維持180～200℃，已不具備產(chǎn)生170℃的稀釋蒸汽的能力。從急冷油的用戶溫位考慮，塔釜溫度保持在140～160℃范圍內(nèi)是合適的，此溫位急冷油可替代部分低壓蒸汽，也可用于發(fā)生110℃低低壓蒸汽。如圖2所示，采用輕質(zhì)化原料裂解的乙烯項(xiàng)目，其急冷油為汽油汽提塔再沸器提供熱量，剩余部分發(fā)生110℃的低低壓蒸汽為原料預(yù)熱，間接替換低壓蒸汽，并設(shè)置急冷油與急冷水的調(diào)溫?fù)Q熱器平衡熱量。

圖2 某輕質(zhì)化原料乙烯裝置急冷油撤熱情況示意圖

2 氣體裂解原料急冷區(qū)技術(shù)要點(diǎn)

氣體裂解原料是指以乙烷、丙烷或者是乙烷和丙烷的混合物為主要組分的裂解原料。氣體原料的急冷區(qū)主要特征為僅設(shè)置急冷水塔，不設(shè)置急冷油塔，采用中壓蒸汽間接換熱發(fā)生稀釋蒸汽以滿足原料稀釋比要求，也可采用原料增濕塔使工藝水直接接觸過熱原料氣滿足稀釋比要求。不同于液體原料裂解氣，氣體原料的裂解氣組成較輕，其中乙烷裂解氣最輕，裂解產(chǎn)物中C以上重組分占比非常低，僅為0.7%左右。氣體原料的裂解氣可利用的溫位能低至175℃，裂解氣的撤熱不再是主要關(guān)注點(diǎn)。急冷區(qū)取消急冷油系統(tǒng)，僅通過設(shè)置急冷水循環(huán)回收余熱便可達(dá)到裂解氣熱量利用的目的。

裂解過程中所生成的焦粉、重質(zhì)油品等直接進(jìn)入了急冷水塔，使得該塔組分較傳統(tǒng)液體原料乙烯裝置更復(fù)雜，焦粉、重質(zhì)油和水共存。因此如何保證急冷水、工藝水的水質(zhì)是氣體原料急冷區(qū)操作的關(guān)鍵。

下文以乙烷裂解的急冷流程為例，說明氣體原料急冷流程的技術(shù)特點(diǎn)，乙烷裂解急冷流程較為簡(jiǎn)單，不設(shè)置急冷油塔，如圖3所示。為解決裂解氣的除焦問題，按照逐級(jí)除焦、分步凈化的原則，在流程中依次采用3種除焦措施。在裂解氣一級(jí)急冷器出口、二級(jí)急冷器入口的裂解氣總管上設(shè)置豎管捕焦器，在急冷水塔下部設(shè)置預(yù)飽和段，最后對(duì)工藝水采用“氣浮+聚結(jié)”組合凈化技術(shù)。

圖3 典型的乙烷裂解急冷系統(tǒng)示意圖

2.1 捕焦器實(shí)現(xiàn)焦粉的初步分離

利用“水靴”原理，在裂解氣輸送過程中，在水平管線下方設(shè)置一段類似于“水靴”的豎管，將大量焦粉收集，減少對(duì)下游急冷水系統(tǒng)影響；而收集的焦粉在裂解爐切出燒焦時(shí)，排入清焦罐，再經(jīng)排焦閥排放至焦渣收集池清理。

2.2 急冷水塔技術(shù)

裂解氣直接進(jìn)入急冷水塔的下部預(yù)飽和段，采用飽和的熱水洗滌裂解氣，減少焦粉帶入急冷水中；設(shè)置篩板塔盤強(qiáng)化預(yù)飽和段的沖洗效果，減少焦粉進(jìn)入急冷水系統(tǒng)。為保證預(yù)飽和段的洗滌效果，應(yīng)加大洗滌水的循環(huán)量。預(yù)飽和段的洗滌水進(jìn)入油水分離器進(jìn)行沉降分離，澄清后的洗滌水返回預(yù)飽和段，沉降后的焦油、焦粉和水的混合物進(jìn)入焦油沉降罐，濃縮后的焦油焦粉最終進(jìn)入焦渣過濾器過濾后外送。

洗滌后的裂解氣進(jìn)入常規(guī)的急冷水塔中上部，經(jīng)過兩段水洗后，溫度降低到40℃以下進(jìn)入裂解氣壓縮機(jī)。

2.3 “氣浮+聚結(jié)”的凈化技術(shù)

氣體原料急冷區(qū)由于缺少急冷油塔，僅通過急冷水塔難以有效去除裂解氣中的焦油和焦粉，導(dǎo)致工藝水中含有微量的焦油和焦粉，這些組分與水的密度相近，表面張力較小，工藝水的凈化難度加大，容易造成急冷水塔乳化，加劇稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕。

氣體原料的工藝水常規(guī)凈化處理方法為“過濾加聚結(jié)”及“氣浮加核桃殼過濾”。從實(shí)際運(yùn)行情況看，過濾器和聚結(jié)器極易堵塞，頻繁切換過濾器，難以保證聚結(jié)器長(zhǎng)周期運(yùn)行，而且濾芯式過濾器和聚結(jié)器難以再生利用，頻繁更換，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用高；另一種常規(guī)的凈化處理方法為氣浮加核桃殼過濾，氣浮方法多用于廢水處理工藝，對(duì)焦油、焦粉有一定的處理效果。剩余的焦粉和焦油，需進(jìn)一步通過核桃殼過濾器去除，核桃殼過濾器需設(shè)置多臺(tái)串聯(lián)操作，并且需反沖洗再生，占地和投資較大，運(yùn)行費(fèi)用高。

為了保證工藝水的凈化效果，開發(fā)了“氣浮+聚結(jié)”的凈化技術(shù)，見圖4。該技術(shù)通過油水分離器，將密度比水低的燃料油和比水重的焦油初步沉降分離，進(jìn)入氣浮設(shè)備，將裂解氣通入工藝水中，以微小氣泡形式從水中析出，作為載體將急冷水中的焦油焦粉黏附在氣泡上，隨著氣泡一起上浮到水面實(shí)現(xiàn)分離。工藝水中大部分的焦粉和游離油經(jīng)氣浮設(shè)備脫除后，再經(jīng)過濾器和聚結(jié)器聚結(jié)分離出游離油，達(dá)到指標(biāo)要求。本技術(shù)充分利用氣浮和聚結(jié)原理，實(shí)現(xiàn)工藝水水質(zhì)的梯級(jí)深度凈化，保證裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

圖4 氣體裂解原料工藝水凈化流程示意圖

2.4 某乙烷制乙烯項(xiàng)目除焦運(yùn)行情況

某乙烷制乙烯項(xiàng)目于2021 年開車，急冷區(qū)采用了上述三種除焦措施，實(shí)際運(yùn)行情況良好。通過在裂解氣總管上設(shè)置短管捕焦器、急冷水塔下部設(shè)置預(yù)飽和段及“氣浮+過濾+聚結(jié)”的組合工藝起到了很好的除焦效果。

3 結(jié)語(yǔ)

由于裂解原料的變化，急冷區(qū)的工藝流程需針對(duì)性設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)熱量利用的最大化。本文介紹了急冷技術(shù)在乙烯生產(chǎn)中的作用，以及不同原料急冷流程的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)和優(yōu)化方法。文章詳細(xì)分析了液體原料的急冷油塔撤熱原則和塔頂溫度控制原則，提出了主要控制和優(yōu)化要點(diǎn)，并給出實(shí)際案例。

隨著原料輕質(zhì)化，乙烷裂解的急冷流程受到關(guān)注，本文針對(duì)乙烷裂解氣的焦油、焦渣脫除，提出了三種技術(shù)方案，系統(tǒng)全面地解決了工藝水凈化問題，保證裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

未來(lái)，乙烯裝置急冷技術(shù)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，如可設(shè)置低溫?zé)峄厥障到y(tǒng)，回收60℃以下的急冷水熱量。減少冷卻水消耗、優(yōu)化急冷油除焦系統(tǒng)、降低急冷油黏度、避免急冷水乳化等問題都是值得持續(xù)研究的內(nèi)容，為乙烯行業(yè)進(jìn)一步節(jié)能降耗、綠色低碳發(fā)展做出貢獻(xiàn)。