典型乙烯技术特点分析

工业技术.乙烯工业2008,20(1) 47~52ETHYLENE INDUSTRY典型乙烯技术特点分析蓝春树，鲁卫国(中国石油化工股份有限公司茂名分公司化工分部,广东茂名,525021)摘要: 针对世界典型乙烯技术,从技术、综合能耗、装置操作稳定性、长周期运转及工程化经验方面进行了分析。提出了国内大型乙烯装置应该选用物耗能耗低、操作稳定、有工业应用业绩的清洁生产技术,以保证装置投产以后技术指标先进,生产安全稳定,效益名列前茅。关键词:乙烯技术;特点;分析世界著名的乙烯专利技术公司有S&W公司、可见,裂解炉区的重要性在乙烯装置中占据Linde 公司、KBR公司、JLummus公司、TECHNIP公司.核心的位置。等,在世界范围内,他们都建有几十套甚至上百套1.1辐射炉管的构型乙烯装置。采用Lummus技术的乙烯装置,其生产随着乙烯技术的发展,为了不断追求高温、短能力约占世界乙烯能力的38% ,采用S&W技术的停留时间、低烃分压来获得目的烯烃的高产率,蒸乙烯装置,其生产能力约占世界乙烯能力的30%。汽裂 解制乙烯辐射段炉管的构型也经历了渐进的发采用Linde技术的乙烯装置,其生产能力约占世界展过程,由多程炉管逐渐发展为两程炉管和单程炉乙烯能力的20%。KBR公司是Kellogg 和B&R合管。各专利商辐射段炉管的发展变化情况见表1。并组成的新公司,TECHNIP公司近年通过并购荷表1各专利商辐射段炉管的发展情况兰KTI公司后也拥有了全套乙烯技术。各家公司TP(KI)炉型CK-I1I CK-CK-IV CK- V,M的技术都有世界规模的乙烯装置在运转,应该说Lummus炉型SRT-I炉管程数6SRT-ISRrT-II SRT-IN,V,MI都是成熟可靠的技术。但在技术的细节上,在综86或4合能耗装置操作稳定性、长周期运转及工程化经S&W炉型M型(乙烷炉) W 型U型验等方面,尚有差别。下面对各家乙烯技术特点Linde 炉型PyoCnackPyoCackProCnak4-2进行分析介绍。KBR炉型SC-4(W型) SC-2(U型)SC- 1(毫秒炉)1裂解炉裂解炉是乙烯装置的关键设备,裂解炉区是目前，普遍采用的是两程炉管的裂解炉，KBR单程炉管也在普遍应用。但是对乙烷裂解炉来乙烯装置的核心。因为:(1)裂解炉区的投资占乙烯装置投资的说，多程炉管裂解炉还是采用的比较多。各专利商最新工业化裂解炉的辐射段炉管的构型及适用25% ~ 30%;(2)裂解炉出口裂解气中的烯烃收率决定了原料见表2。装置的烯烃产量,影响到装置的能耗和经济效益;.从表2可看出.除单程炉管外,两程炉管无论(3)裂解炉急冷锅炉的超高压蒸汽产量影响中国煤化工有相似的停留时YHCNMHG到装置的公用工程消耗和能量消耗;收稿日期:2007 -09- 14;修改稿收到日期:2007- 12-12。(4)裂解炉所消耗的燃料占乙烯装置能耗的作者简介:蓝春树(1960- ),男,教授级高级工程师，现任中石70% ~ 80% (根据计算范围不同而有所区别)。化茂名分公司化工分部总工程师。.●48.乙烯工业第20卷间。因此,仅从这一点考虑,这3种两程辐射段炉油，气体原料的资源很少;而中东地区,大部分裂管基本具有相似的性能。解原料为气体原料或轻石脑油,因此,我国与中东表2各裂解炉辐射段炉管构型及 适用原料地区选择裂解炉时应有差异。炉管构型单程炉管两程炉管多程炉管目前,几家专利商的裂解炉无论在技术.上还炉管排布11-12-14-1适用的裂轻烃及液轻烃及液轻烃及液轻烃及液循环乙是在工程上都很成熟，关键是要选择适合自身原解原料体原料 体原料 体原料 体原料 烷/丙烷料特点的裂解炉技术。KBR随着单台裂解炉能力的提高,绝大部分公司LummusJ 4-2-1-1S&W都出现了双辐射炉膛共用一个对流段的炉型设TechnipLinde2-2-1-1计,或者出现了辐射炉膛内双排布置辐射炉管的停留时间/s 0.1-0. 150.2-0.250.2-0.250.2-0.25 0.4-0.7裂解炉。例如KBR公司的SC-1型裂解炉。单程炉管由于具有更短的停留时间,因此无TECHNIP公司的CK- VI 型裂解炉等。各公司都能做到在1个炉膛内可以裂解两种原料,或者是1疑要比两程炉管的乙烯收率高。多程辐射炉管主要用于气体原料的裂解,对台炉子的两个辐射炉膛可以1个炉膛正常生产,1于液体原料,目前很少采用多程辐射炉管。个炉膛进行烧焦操作。众所周知,辐射炉管的停留时间对裂解的乙1.2急冷锅炉(TLE 或SLE)烯收率有较大的影响,但对不同的裂解原料裂解,与炉管构型的变化相同,急冷锅炉的形式也停留时间影响的程度是不同的。停留时间对不同在随着技术的进步而改变。20 世纪90年代前,急冷锅炉的形式主要是施密特(Schmidt)和包西格原料的乙烯收率的影响见图1。(Borsig)型(TLE)。但是在目前,由于辐射炉管普8二遍采用两程的结构,相应的急冷锅炉的形式也变R 16-r Pp为“线性双套管式"(SLE)。S&W公司的U形炉管号1裂解炉、KBR公司的U形炉管及单程裂解炉、Linde公司的两程炉管裂解炉均采用这种急冷锅炉, TP(KTT)公司新开发的GK-VI型裂解炉也采用这种0.0.2 0.3 0.4).5 0.6急冷锅炉。可见，“线性双套管急冷锅炉”已经得.停留时间1s到各专利商比较普遍的认同。图1停留时间对不同裂解 原料乙烯收率的影响目前,Lummus公司推荐与SRT- VI型裂解炉从图1可看出,对于以乙烷为裂解原料，辐射匹配的急冷锅炉采用“浴缸式急冷锅炉”或“快速炉管的停留时间由0.4 s缩短到0.1 s时,其乙烯急冷锅炉”,并在多套乙烯装置中使用。我国也在收率在原来基础上仅能增加3. 8%。多台裂解炉中使用。当以柴油为裂解原料,辐射炉管的停留时间1.3烧嘴由0.4s缩短到0.1s时,其乙烯收率在原来基础Lummus公司的SRT- VI(或与中石化的合作上能增加11.5%。炉SL- II )型裂解炉、Linde公司Pyrocrack 1-1型.由此可见，停留时间对液体原料的乙烯收率裂解炉和TP公司GK- VI型裂解炉采用底部烧嘴的影响要大于其对气体原料乙烯收率的影响。也和“中国媒花空底部及侧壁的供就是说，原料越重,越应选择停留时间更短的裂解热比EKBR公司的裂解炉。但停留时间越短运行周期也越短,因此要综炉均0H.CNMH(万案,没有侧壁烧合考虑。嘴。这种不同的烧嘴配置与各公司对炉膛温度分我国大部分裂解原料为石脑油及加氢裂化尾布理论的认识不同有关。第20卷蓝春树等.典型乙烯技术特点分析1.4裂解炉清焦要专利商见表3。Lummus公司的SRT- VI (或与中石化的合作表3主要的乙烯分离技术及专利商炉SL- 2)型裂解炉要求3次在线清焦后,要对急分离技术专利商冷锅炉进行1次机械清焦。顺序分离技术Lummus Technip等S&W公司、Linde公司、TP公司的裂解炉可在前脱乙烷前加氢技术Linde .S&W、KBR等1年左右对急冷锅炉进行1次机械清焦,减少了工前脱丙烷前加氢技术S&W、KBR等人的劳动强度,减少了污染，延长了裂解炉寿命,由表3可看出,同一类分离技术往往为数家同时提高了裂解炉的在线率。公司所拥有,而每家公司的技术与其它公司也有KBR公司的毫秒炉清焦周期较短,但是可以- -定的差别。 根据目前的市场占有率,具有代表按程序对每组炉管进行在线清焦,而其它炉管仍性的技术归纳如下:然正常生产。(1)S&W公司的前脱丙烷前加氢技术;1.5裂解炉的规模(2)Linde公司的前脱乙烷前加氢技术;Lummus公司的SRT-VI型裂解炉最大能力(3)Lumnus公司的顺序分离低压脱甲烷技100~120kt/a,据说正在开发更大能力的裂解炉。术。S&W公司已有180 kt/a(液体原料)和200 kt/a(气上述3种典型的分离流程在我国均建有能力体原料)裂解炉在运转。Linde 公司、TP公司(只有为300kUa以上的生产装置,顺序分离流程更建有气体炉)、KBR公司都有150 kt/a以上的大型裂解多套生产装置,投入生产的时间最长。生产时间护。较短的前脱丙烷前加氢、前脱乙烷前加氢流程也经过了9年多的运转时间。2分离系统下面分别从7个方面对3种分离流程进行介目前占据世界乙烯市场的分离技术主要分为绍。3大类,分别为顺序分离技术、前脱乙烷前加氢技2.1 3种分离流程的技术特点术和前脱丙烷前加氢技术1,拥有分离技术的主3种分离流程的技术特点汇总见表4。表4 3种分离技术特点汇总分离流程顺序分离流程前脱乙烷前加氢流程前脱丙烷前加氨流程(ARS)先G-/G*切割先C /G切割分离次序H/C→G→G→C及G*C-→H/C-→C2C~→H/C→C2及GG°→G→C4及C*Q*→G及G*塔数量1618裂解气压缩机段数冷冻级别数技术年代20世纪90年代分馏分凝器高效回收低温冷量、脱采用的主要节能技术低压脱甲烷乙烯精馏塔开式热泵丙烷塔和乙烯精馏塔的开式热泵、非清晰分割碳二加氯位置后加氢,需要绿油洗涤系统，催化前加氢,不需要绿油洗涤系统可连续 前加氢， 不需要绿油洗涤系统,可剂须再生运行4年,但是需采用等温反应器连续运行6年脱甲烷塔单塔低压.单塔高压双塔高压乙烯精馏塔高压,产品侧线采出低压/热泵,产品塔顶采出氢气回收率.%≥80≤70复杂或专利设备裂解气压缩机,二元制冷压缩机、裂解气压缩 机| 中国煤化工:;乙场制冷压缩机、丙烯制冷压缩机、低压甲烷压缩丙烯制冷 压缩.膨胀再压缩机、机、冷箱器YHCNMHG不引氢时的开车时间短50乙烯工业第20卷2.2分 离流程的复杂性剂再生时会有再生废气排入大气,对环境保护和流程的复杂性可以通过流程的设备位号数反清洁生产不利。映出来,设备位号越多,设备台数就越多,设备之Linde公司的乙炔加氢反应器采用列管式等温反间连接的管道、管件、阀门、仪表就越多,流程就越应器,用甲醇汽化带走反应热。S&W公司和KBR公复杂。表5是3种流程分离部分的设备位号数,司的乙炔加氢反应器采用三段床或四段床的绝热式表中未考虑原料预热、干燥器再生等辅助设备。反应器,段间设置换热器,用冷却水带走反应热。表5设备位号数2.5深冷 脱甲烷系统前脱丙烷前前脱乙烷前S&W公司的深冷脱甲烷系统采用“ARS和双.设备类别顺序分离流程加氢流程塔脱甲烷"技术(3](见图2) ,其特点是:答1618反应器(1)用预冷脱甲烷进料的“分馏分凝器(de-压缩机4(含低压甲烷压缩机) 4(含膨胀机)phlegnator)"取代传统的冷箱。ARS系统的核心是罐4139换热器857044专利设备一分馏冷凝器,该设备由独家设备制造泵2724厂制造,造价高、体积庞大、制造周期长。为了改合计1713善不足,2002年前后, S&W公司研究开发了HRS .从表5可看出,设备位号数从多到少的顺序专利(用于惠州乙烯项目),替代了分馏冷凝器,从为:顺序分离流程、前脱丙烷前加氢流程、前脱乙而在能耗略有上升的基础上,克服了分馏分凝器烷前加氢流程。顺序分离低压脱甲烷流程考虑了的缺点。最大限度地利用工艺介质节流降压后提供的冷(2)采用渐近分离的双塔脱甲烷技术，设置预量,所以工艺物料之间的换热器台数多,流程较为脱甲烷塔和脱甲烷塔,使脱甲烷塔的釜料中不含复杂。Cg,釜料直接送人乙烯精馏塔,减小了脱乙烷塔的2.3 急冷油系统尺寸和冷量消耗。乙烯装置的汽油分馏塔系统处于裂解工序和Lummus公司的深冷脱甲烷系统采用低压单塔压缩分离工序之间,其运转的好坏对装置性能有脱甲烷,塔型为填料塔,大型乙烯装置要装填大量重要影响。投人运转后的燕山、齐鲁、扬子、金山4的填料;塔体需用不锈钢;有多股进料,同时要配置套300kVa乙烯装置其急冷油系统均存在--些问低压甲烷压缩机和脱甲烷塔釜料的大型增压泵。题，主要表现为设计参数与操作参数偏差较大。Linde 公司的双塔脱乙烷技术与S&W公司的Linde公司,KBR公司的急冷油系统设计基本双塔脱甲烷技术相似, KBR公司的双塔脱丙烷技与S&W公司的设计相似,TP公司的设计基本与术与S&W公司的双塔脱丙烷技术相似,它们都属Lummus公司相似。于渐近分离的先进分离技术。2.4乙炔加氢技术[2]可以认为, Lummus公司和TP公司的顺序分Lummus公司和TP公司的乙烯分离系统采用离技术,全部裂解气都进人深冷脱甲烷系统,物料乙炔后加氢技术,而S&W公司、KBR公司和Linde量多。而S&W公司、KBR公司和Linde公司的技公司采用乙炔前加氢技术。术,只把Cs和更轻组分或Cq和更轻组分进人深冷乙炔前加氢技术和后加氢技术相比,前加氢脱甲烷系统,物料量少。催化剂可以连续操作,不用再生;前加氢催化剂的2.6采用热泵技术寿命可以达到5~10年,茂名乙烯装置该催化剂中国煤化工本的重要环节,而已使用8年多,仍然性能良好。后加氢催化剂在HCN MH GI 10多年来,各乙使用半年左右需要进行再生,反应器需要设置备烯专利商都非常重视热泵在乙烯装置中的应用。台,再生时加氢反应器切换到备台上操作。催化S&W公司在其前脱丙烷前加氢分离流程中,第20卷蓝春树等.典型乙烯技术特点分析在高压脱丙烷塔和裂解气压缩机五段之间,乙烯KBR公司在其乙烯分离技术中,除在乙烯精精馏塔和乙烯制冷压缩机之间设置了2套热泵系馏塔和乙烯制冷压缩机之间设置了热泵系统外，统;Linde公司在其前脱乙烷前加氢分离流程中,还在丙烯精馏塔和丙烯制冷压缩机之间设置了热在乙烯精馏塔和乙烯制冷压缩机之间设置了1套泵系统。可见各专利商都在研究和应用热泵技术。热泵系统。Lummus公司在乙烯装置中不采用热泵技术。粗氢去甲烷化E-432分馏分凝器G-401I V-431E-402燃料气气相进料。1-401C- 400EXP C -400RECE-401T-420液相进料去乙烯精馏塔去脱乙烷塔图2茂名乙烯装置ARS流程示意E- 401脱甲烷塔预分离塔进料预冷器;E- 402分凝分离器进料激冷器;V - 401脱甲烷塔预分离塔进料罐;G-4011号分凝分离器;G- 4022号分凝分离器;E-431 1号氢气换热器;E- 4322号氢气换热器;V-431第一氢气分离器;V-432第二氢气分离器;T-410脱甲烷塔预分离塔;T-420脱甲烷塔;T-430脱甲烷进料精馏塔;C-400EXP尾气膨胀机;C- 400REC尾气再压缩机2.7二元和三 元冷剂制冷三元冷剂制冷系统的优点是减少设备台数和乙烯装置常规的冷剂为丙烯、乙烯和甲烷,分投资,节省占地。多元冷剂制冷技术仅Lummus公别经不同的压缩机压缩一蒸发制冷 。司采用,其它公司均不采用。近年来, Lummus公司推出了二元和三元混合冷剂制冷技术。二元冷剂制冷是以一定比例的甲3装置运行的稳定性烷乙烯组分组成混合冷剂,在1台压缩机内压缩装置稳定的长周期运行是生产追求目标,影制冷,可以提供4个冷冻级位,取代甲烷制冷压缩响乙烯装置稳定运行的因素主要有:机和乙烯制冷压缩机。(1)裂解炉炉管损坏,炉管的结焦和清焦;在二元冷剂的组成中还含有少量氢,实际上(2)设备和管道的结垢堵塞,如压缩机结垢、应该是三元冷剂制冷。汽油分馏塔结垢换热器和再沸器结垢等;三元冷剂制冷以甲烷、乙烯、丙烯3种组分组(3)催化剂和干燥剂的失活,如脱砷催化剂、成混合冷剂,来代替甲烷、乙烯、丙烯的单组元冷剂碳二加气催化剂甲棕化催化剂的失活更换;制冷,用1台制冷压缩机代替原来的3台压缩机。破损TYH中国煤化工，如裂解炉炉管在实际的制冷状态下，三元冷剂提供“轻、中、.CNMHG阀故障等;重”3种冷剂组成,该3种冷剂组成对应3种不同(5)工艺设计本身的缺陷。的制冷级位。前4种因素对长周期运行的影响,可以通过乙烯工业第20卷采取必要措施予以减轻或消除。例如压缩机结垢小,单程炉管长度约12 m,传热好,乙烯收率高,对可以用“注油或注水”的方法解决;催化剂和干燥石脑油裂解原料来说，毫秒炉的乙烯收率比- -般剂在寿命周期内的失活,可通过精心操作来解决;裂解炉高1.5个百分点左右。但是毫秒炉的清焦设备、仪表的故障可通过加强维护管理来解决等。周期比较短,在线率比较低,对两者应作出权衡。但对于工艺设计本身的缺陷，则只能在引进技术对于能量消耗,不管是消耗蒸汽冷却水还是时,充分讨论和评价专利技术的优缺点,以便引进电力,最终都体现在产品成本上,能耗高则产品成性能优良能够长周期稳定运行的技术。本高,成本高则不利于市场竞争。能耗高还影响到清洁生产,比如消耗较多的电。目前电厂是排4结语放温室气体的大户,耗电多就意昧着向大气排放(1)大型乙烯工程不应该采用未经生产实践的温室气体多,不利于环境保护。检验的技术。(4)经过多年的技术发展和生产实践的检验，当今世界新建的乙烯装置，规模都在百万吨技术人员对上述3种流程的优缺点有了更为清晰级的能力，如果技术不可靠,开车以后不能很快达的了解。最近, Lummus公司与中石化ST合作,也.到生产能力,频繁开停车,不但经济损失无法承采用了前脱丙烷前加氢的乙烯分离流程,并应用.受,给环境造成的污染也是不能接受的。所以新于茂名乙烯工程改造项目中。建大型乙烯装置所采用的技术必须是经过生产实(5)S&W公司和KBR公司是按裂解原料的类践检验的可靠技术。型来确定工艺流程,他们的做法是:裂解液体原料(2)乙烯技术的选择要做到先进性和可靠性用前脱丙烷前加氢流程,气体原料用前脱乙烷前的统-一。加氢流程。在大型乙烯装置中应该选用物耗,能耗低,操Linde公司则对任何原料都采用前脱乙烷前作稳定可靠的技术,选用有工业应用业绩的清洁生产技术。使装置投产后技术指标先进,生产安.参考文献:全稳定,效益名列前茅。[1] 王松汉.乙烯工业与技术[ M].北京:中国石化出版(3)应该选用原材料消耗少,节能降耗的清洁社2000:39- 53.生产技术。2] 陈滨.乙烯工学[M].北京:化学工业出版社, 1997; .对相同原料,乙烯收率高,则消耗原料少,毫240.秒炉在这方面有明显优势。其辐射段炉管口径3] 法琦瑛.乙烯[ M] .北京:中国石化出版社,00677.●乙烯在越..上海赛科公司乙烯年产量突破1 000 kt至2007年12月31日0时30分上海赛科石化有限责任公司900kt/a乙烯装置突破1000kt乙烯产量,成为国内首套年产量达到1 000 kt的乙烯装置,全年乙烯产量1 002 940 t。上海赛科900 kt/a乙烯装置于2005年3月18日投料开车,经10小时45分钟产出合格的乙烯,创造世界乙烯装置首次开车成功时间最短的纪录。进人2007年有公司中外四古县工的#司努力下,克服了中国煤化工诸多困难,实现了乙烯装置安全、稳定、高负荷的运行。MHCNMHG报2008-01-15