乙烯装置节能技术进展

专家讲座乙烯工业2010,22(4) 59 -64ETHYLENE INDUSTRY乙烯装置节能技术进展盛在行(中国石化工程建设公司,北京，100101)摘要: 从乙烯装置裂解炉系统、裂解气急冷系统、压缩系统、分离系统、蒸汽系统、采用高效催化剂及采用先进控制等方面介绍了乙烯装置各系统的节能技术的进展情况,提出为进一步降低乙烯装置能耗应加大节能降耗新工艺、新技术的开发和推广应用。关键词:己烯装置;节能;裂解炉;急冷;压缩;分离目前,乙烯生产的主导技术是采用烃类经过产 的能耗水平,但乙烯装置原料的优化和其上游裂解炉蒸汽裂解制取烯烃的技术,蒸汽裂解生产炼厂的配制有很大关系。大炼油小忆烯的配制，乙烯是-一个高耗能的产业。随着我国经济的快速乙烯装置的原料就有很大的灵活性,相反小炼油发展，能源以及资源环境的约束已成为制约未来或自身没有炼厂的乙烯装置其对原料就没有多少中国经济社会发展的重要因素。乙烯装置作为能选择的余地。我国优化裂解原料的重要措施就是源和石油资源消耗的大户将面临着巨大的挑战，实行“炼油化工一体化”,采用“宜烯则烯,宜芳则“节能、降耗减排”将成为乙烯装置现在和未来重芳”的原则,它有利于炼厂-和乙烯装置之间的原料要的课题。乙烯装置主要包括裂解炉、急冷、压缩互供和优化。除在资源配套上采取措施外,原料及分离几个系统,近年来针对这几个系统的各种优化还有以下新工艺可采用。节能技术的研究非常活跃,并取得了一定的成果，(1)石脑油预处理。我国大部分装置都有石开发出一些新技术,这些技术的应用在- -定程度脑油原料,对石脑油进行预处理,分离掉芳烃等裂上降低了乙烯装置的能耗。解性能较差的烃组分，降低原料的BMCI值,对改善裂解性能,提高乙烯收率,降低能耗有很大益1裂解炉 系统处。同时分离出的芳烃可作为炼厂很好的原料。烃类通过裂解炉裂解成小分子的乙烯、丙烯(2)炼厂干气回收。炼厂催化裂化( FCC)装等裂解气是--个吸热的化学反应,需要消耗大量置和焦化装置等的炼厂干气中含有相当数量的轻的燃料气,所以乙烯装置裂解炉是能耗大户,扣降烃特别是碳二组分,把它们回收后用于生产乙烯，部分外送蒸汽,裂解炉能源消耗占乙烯装置总能可显著降低乙烯装置能耗。目前燕山石化、茂名耗的40%左右。降低裂解炉的能耗对降低整个乙石化、镇海炼化、兰州石化均建设了炼厂干气回收装置,取得了良好的节能效果。建议与炼厂相近烯装置的能耗有着重要的意义。裂解炉主要由对流段、辐射段组成。裂解炉的乙烯装置可以考虑将炼厂干气进行回收以优化所消耗的燃烧热中约40%在辐射段提供反应热和装置原料,降低乙烯装置能耗。升温,约51.5%在对流段被回收,约1.5%为热损收稿日期:2010 -10 -20。失,其余为排烟损失"。为降低裂解炉能耗,有以中国煤化工苏徐州人, 1997年毕业于下措施可采用。MHC N M H G学位,现从事乙烯分离技1.1优化原料术的开发与设计工作,专业副总工程师,高级工程师,已发表原料的裂解性能在很大程度上决定了乙烯生论文7篇。●60乙烯工业第22卷1.2 提高辐射段炉管的选择性如乙烯装置中裂解炉和蒸汽过热炉与燃气轮机结辐射段炉管是裂解炉的关键组成部分,辐射合,使装置能耗降低8%~22%。段炉管的设计很大程度上决定着裂解炉的裂解性目前国内还没有使用此类技术的装置,在日能和处理能力。通过改进辐射段管炉的设计,可本和韩国有许多乙烯装置已使用裂解炉和燃气轮增加裂解炉的处理能力,提高裂解选择性。由于机联合的技术。此技术对燃气轮机和电网要求很乙烯收率的提高,降低了原料的消耗,从而降低了高,一旦出现问题可能造成全装置停车,损失较装置的能耗。大。但随着燃气轮机技术的成熟和智能电网的发提高炉管的选择性的措施是提高反应温度、展,该技术将会在国内得到推广应用。缩短烃类裂解停留时间、降低裂解烃分压等。目前各家专利商均在这些方面做了很多工作,炉管2急冷系统的选择性有了较大提高。建议国内较老的乙烯装从裂解炉急冷锅炉出来的裂解气在急冷区冷置可以结合炉管报废或技改时更换高选择性炉管却到裂解气压缩机的吸人温度并分离出裂解燃料以提高乙烯收率,降低能耗。油、裂解柴油及重汽油等。裂解气首先在汽油分.3 提高裂解炉的热效率馏塔中被冷却到105C,然后在急冷水塔中被冷提高裂解炉的热效率,减少燃料单耗- -直是却到约40心C之后进人压缩机。裂解炉各专利商共同的目标。由于重视裂解炉能汽油分馏塔塔釜的循环急冷油温度一般设计量综合利用的整体设计,所以新设计的裂解炉热为195~210C,急冷油系统回收的热量主要用于效率已提高到93%以上。提高热效率的具体措施发生稀释蒸汽。根据我国乙烯装置多以液体原料是最大限度降低排烟温度、控制空气过剩系数、预为主的情况,急冷油所发生的稀释蒸汽量占总稀热燃烧空气和燃料气、加强绝热保温等。释蒸汽量的55%~78%。不足部分需要中压蒸汽通常情况下,排烟温度每降低20 C ,裂解炉间接发生或直接补充。汽油分馏塔中部抽出的盘的热效率约提高一个百分点。通过净化燃料气，油为 160~ 170 C ,用于高、低压脱丙烷塔再沸器、将其中的易生成酸性氧化物的硫等杂质脱除，在预热稀释蒸汽工艺水进料等，降温到125 C左右设计时就可以降低排烟温度,提高热效率。返回塔,可以改善塔内的温度分布,有利于汽油分利用装置内的低压放空蒸汽、中压冷凝液和馏塔的长周期操作。急冷水塔中急冷水吸收裂解循环急冷水作为加热介质,通过设在裂解炉底部气热量后塔釜温度通常在83 C左右,用于脱乙烷的空气预热器加热进人炉膛的空气,提高空气温塔、丙烯精馏塔再沸器等,再用循环水冷却后分两度,降低裂解炉的燃料消耗。对于有余热可利用段返回急冷水塔。在急冷油系统中回收中温位的的装置来说节能效果显著,投资回收期仅为1.52热量,在急冷水系统回收低温位的热量。年[2]。急冷油循环时,由于自身含有大量杂环化合扭曲片强化传热技术可以使炉管壁温下降约物、不饱和烃等,在急冷器中不断与高温裂解气接20~50C,运行周期约延长50%,全年平均节约触时发生缩合、结焦反应,急冷油的粘度不断升燃料约1%3]。此项技术可在炉管报废或技改时高。随着急冷油粘度的提高,装置只能降低汽油加装以提高热效率。分馏塔塔釜温度操作,从而减少了稀释蒸汽发生1.4裂解炉与燃气轮机联合量。如果汽油分馏塔的塔釜温度设计值为205从20世纪70年代开始,由于航机陆用技术中国煤化工行急冷油减粘的乙迅速发展,工业用燃气轮机的制造技术日臻完善。烯装YHCNMH G我只能达到190 C首先发展了燃气轮机与锅炉结合热电联产,而后甚至更低。这一差别对于800 kV/a 乙烯装置来说又向前发展了燃气轮机和生产工艺用热相联合。将 导致稀释蒸汽发生量减少45 Vh,也就是需要多第22卷盛在行。乙烯装置节能技术进展61.消耗中压蒸汽45 Vh,约占装置综合能耗的5%。置停车的重要原因之一。聚合结焦主要是裂解气根据急冷区热量回收情况,设置减粘塔提高急中含有的不饱和烯烃、过氧化物等,特别是丁二烯冷油的热量利用是急冷系统降低能耗的重要手段。和苯乙烯等在较高的温度下会发生聚合反应。聚急冷油的粘度主要取决于其350 C以下轻质合物粘附在叶轮、隔板和级间流道表面上，随着操馏分的含量,急冷油350C以上馏分越多粘度较作时间的延长,粘附的聚合物会逐渐积累,使压缩高,反之则粘度较低。特别是急冷油中280 ~ 350机流量减少,振幅增加,直至影响压缩机的气动性C馏分本身就是粘度较低的调质馏分,设法使急能、机械性能和使用寿命。冷油中保持较多350 C以下轻质馏分并使其在运研究发现,当温度超过85 C后,聚合反应的转过程中始终占有一定比例，则循环急冷油的粘速度增加很快[5],因此阻止和减少裂解气压缩机度也就可以稳定在较低的水平而维持较高汽油分系统聚合结焦最直接、最有效的方法是降低压缩馏塔塔签温度。机出口温度,使其不超过85 C。压缩机级间注水采用乙烷炉裂解气减粘技术就是利用该原理技术是通过把水喷在叶片出口、扩压器人口,水经进行的:乙烷炉来的500 ~ 550 C裂解气在急冷器喷嘴雾化后进人压缩机壳内与裂解气接触汽化，中用急冷油急冷到250~270C后送人减粘塔。吸收大量的热,来降低压缩过程中气体的温度,并在减粘塔中气相与液相旋风分离,由此将其中的使其更接近于等温压缩,这样既可减少压缩机功350C以下轻质馏分汽提返回汽油分馏塔,塔釜采耗,又可减少聚合结焦。出重质燃料油产品。经过一- 段时间的运转,急冷油目前国内新设计的乙烯装置的裂解气压缩机系统达到平衡后,将有一定量的轻质馏分在急冷油大多设计为即可采用注油又可采用注水技术。从系统中循环,从而达到降低急冷油粘度的效果。节能的角度来说建议多采用注水技术操作,并将采用此减粘方法在运行比较好的情况下,可注人的水进行循环利用以减少排污,同时注意压将急冷油的粘度从1000mm/s(50C)降低并保缩机段间罐的pH值以防止腐蚀的发生。持在50 mm2/s(50 C)以下[4。可有效地提高急冷油的操作温度，降低装置能耗。4分离系统目前国内乙烯装置中仅不足50%的装置采用进入压缩的裂解气组成仍然非常复杂,从氢此减粘技术。为节能降耗应尽快进行急冷区的改气到C,都存在,多年来人们在不断研究经济有效造,特别是增设乙烷炉裂解气减粘系统。的分离方法。到目前为止深冷分离仍然是最成熟和节能的途径。而分离顺序的确定对流程的影响3压缩系统是非常大的。根据各个单元操作所处的位置不由于在裂解气中存在大量的氢气和甲烷,为同,组成了各种深冷分离流程,目前深冷分离技术使分离在合理的温度下进行,降低制冷的难度,必主要有顺序分离、前脱丙烷前加氢和前脱乙烷前须对裂解气先进行压缩以提高裂解气的压力。裂加氢3种主要的分离技术。解气通过裂解气压缩机四段或五段压缩,压力(表这些分离技术在降低能耗和投资的推动下,压)达到3.8 MPa左右。仍在不停地快速发展。低能耗乙烯分离技术(Low裂解气压缩机是乙烯装置的核心设备,其平Energy Consumption Technology，简称LECT)、热集稳运行关系到乙烯装置的平稳操作和长周期运成精馏系统( HRS)、前脱丙烷低压激冷分离技术、行。对乙烯装置来说,设备检修已不再是影响装混合中国煤化工|技术的成功开发,置长周期运转的难题,而设备中的聚合结焦问题，大幅HCNMHG统的能耗。特别是裂解气压缩机系统的聚合结焦问题成为影4.1低能耗乙烯分 离技术响装置性能和长周期稳定运转的难点,是造成装低能耗乙烯分离技术(LECT)是中国石化自乙烯工业第22卷主开发的拥有自主知识产权的- -种低能耗、易操备-分凝分离器,节省了投资,具有推广应用的价作、运行稳定的乙烯分离新技术(6] ,该技术采用前值。目前正在建设的武汉800 kt/a乙烯装置即采脱丙烷前加氢流程,压缩及前脱丙烷前加氢系统用国产化低能耗乙烯分离( LECT)技术。采用裂解气五段压缩和双塔双压脱丙烷;高压脱4.2热集成精馏 系统(HRS)丙烷塔和裂解气压缩机五段形成开式热泵系统;此技术为美国石伟国际公司(S&W)工艺,应碳二加氢系统在热泵系统的回路中。用于前脱丙烷前加氢分离流程中。经对其先进的LECT技术的核心是深冷分离系统,包括冷回收系统(ARS)进-步优化,将冷分凝分离器用箱、氢气、甲烷和碳二分离。该系统的特点是采用常规塔来替代,并对进料方式进行了热集成,使关分配分离原理。在前冷和脱甲烷系统中,物料在键组分分离能耗小于常规塔,塔顶控制不含碳二，逐渐冷凝的过程中实现有效的关键组分分配控甲烷在塔顶和塔釜按需分配。该分离流程的总思制,实现局部“渐近”分离,由碳三洗涤塔和碳二洗路仍为ARS系统的概念,目标是组成局部的“渐涤塔来达到这个目的。碳三洗涤塔要控制顶部物近"分离流程,以达到节能的目的。HRS系统是在料不含碳三,而碳二在塔顶和塔釜控制适当的比ARS系统的基础.上发展而来的,为克服ARS系统例;碳二洗涤塔要控制顶部物料不含碳二,而甲烷投资高的问题,将ARS系统的核心设备热、玲分凝在塔顶和塔釜控制适当的比例。脱甲烷系统采用分离器全部取消,而改用常规分离单元设备来实高压双塔脱甲烷,预脱甲烷塔要求塔顶物料不含现组分的有效控制。热分凝分离器采用两级汽液碳三进入脱甲烷塔,塔釜物料不含碳一进人脱乙分离罐来替换,冷分凝分离器采用常规分离塔来烷塔,而碳二在塔顶和塔釜的分配控制适当的比替换。HRS系统的优点:(1)投资比ARS系统少例;脱甲烷塔的各股进料都不含碳三,因此其釜液得多;(2)用常规塔替代冷分凝分离器,可以按需为纯碳二馏分,该股物流不再进人脱乙烷塔,而直要来设计理论塔板数。接进人到乙烯精馏塔系统。乙烯精馏塔采用低压4.3前脱丙烷低压激冷分离 技术塔,并与乙烯制冷压缩机形成开式热泵。此技术为Lummus与中国石化科技开发公司在采用相同进料及产品方案的情况下,对低.(ST)联合开发的双塔前脱丙烷低压激冷分离工压脱甲烷的顺序流程和采用分凝分离器的前脱丙艺。高压脱丙烷塔操作条件为:塔顶压力2. 2烷前加氢流程进行模拟计算,对比结果见表1。MPa,塔顶温度-8.0 C,塔釜温度控制在75 C。表1 3种分离技术的压缩机功率和主要设备数[6]控制塔顶物料不含碳四,塔顶物料不需要再进一分离技术LECT流程低压脱甲烷前脱丙烷前步压缩升压,而直接经回收冷量后进人前加氢反顺序流程加氢流程乙烯制冷压缩机功率/kW 8 3643478.9 131应器,加氢后的物料去低压激冷系统;塔釜物料进丙烯制冷压缩机功率/kW20673 27 18023 380人低压脱丙烷塔,低压脱丙烷塔塔顶采出的物料甲烷压缩机功率/kW3176裂解气压缩机功率/kW37931 38 51938 799作为高压脱丙烷塔回流的一部分,不单独采出。功率合计/kW66 96872 35271 310使得高压脱丙烷塔釜不需要严格控制碳二指标,功率差别/kW基础+5 384+4 342可有效降低釜温,减少提馏段和再沸器结垢。但主要设备数量塔器/因81218由于釜温为75C,仍采用了盘油作为热源。压缩机/台4在前冷和脱甲烷系统中,Lummus工艺传统上由表1可看出,3种流程的主要设备数量基本都是采用低压脱甲烷塔,为减少由于节流阀减压相同,LECT流程的压缩机总功率最小,比低压脱中国煤化工压激冷与低压脱甲甲烷流程和采用分凝分离器的前脱丙烷前加氢流THC N M H C充分地发挥低压脱程分别减少了7. 4%和6%。LECT 技术即具备了甲烧培能托低的特点。物料进人前冷系统的压力前脱丙烷前加氢的传统优点,又避免使用特殊设仅2.0MPa,经逐级冷却冷凝并经分凝分馏塔分第22卷盛在行.乙烯装置节能技术进展63离,将乙烯组分全部分离出来进人脱甲烷塔,使得小占地和降低投资;三元制冷因其对操作的要求分凝分馏塔顶部气相物流中不含乙烯。该物流经太高,同时相配套的冷箱尺寸过大,应慎重采用。冷量回收并经增压后,分级冷却冷凝。先冷凝下4.5分凝分馏塔来的物料可作为脱甲烷塔的回流,后冷凝下来的分凝分馏塔是中国石化自主开发的工艺设备物料分别作为高压甲烷和低压甲烷物流,最后得技术,主要由3部分组成:上部是一立装的板翅式到的气体是粗氢气产品。换热器;中部为一段填料; 下部是塔釜。板翅式换4.4混合冷 剂制冷技术热器工艺物流侧为塔内物料,流道内充填翅片,气乙烯装置中常规的制冷剂为丙烯、乙烯和甲相由下至.上流动,冷凝下来的液体通过翅片迅速烷,分别在不同的压缩机内压缩制冷。混合冷剂分布到整个流道，由上至下流动,与气相充分接触制冷就是用不同制冷介质的混合物作为制冷剂来进行传质分离。冷剂侧物流流道与工艺侧流道交制冷。由于在--定的蒸发压力下制冷温度随着混叉布置,换热器内可有-种或多种冷物料(或冷剂)合冷剂的组成而变化,因而混合冷剂制冷可降低通人，以提供上述过程所需之冷量。分凝分馏塔可传热过程的温差,减少不可逆损失,提高传热过程起到多级分离效果,从而可以节省较多的能量。的热力学效率,从而可以提高冷量的利用效率,降分凝分馏塔的中部为一装有填料的精馏段,低制冷压缩机的功耗。在此上升气体与下降液体充分传质传热,进一步根据此原理, Lummus公司于20世纪90年代提高分离效率。填料段的目的是用于调节分凝分开发成功了二元制冷及三元制冷工艺。二元制冷馏塔总的理论板数以满足分离要求。以一定比例的甲烷、乙烯组分组成混合冷剂,在1分凝分馏塔的下部为塔釜。被分离的气体从台压缩机内压缩制冷,可以提供4个冷冻级位,取塔顶流出,塔釜出料为液相物流。根据工艺需要,代甲烷制冷压缩机和乙烯制冷压缩机,简化了流塔釜可设再沸器或者不设。程,减少了设备。在国内部分乙烯装置改扩建项在乙烯装置的深冷分离区采用分凝分馏塔,目中采用了二元制冷技术，使用效果较好”。可可减少低温冷量的消耗,节省制冷压缩机功耗。节省1.7%的总制冷机功耗,同时占地少投资省。另外,还可减少脱甲烷塔负荷,节省低温合金材料近期新建的福建800kt/a乙烯装置,天津、镇海的消耗,节省设备投资费用。正常运转时，还可减1 000 kVa乙烯装置都采用了甲烷和乙烯的二元少乙烯损失,提高乙烯收率。制冷技术。三元制冷以甲烷、乙烯、丙烯三个组分组成混5蒸汽系统的优化设计合冷剂,来代替甲烷、乙烯、丙烯的单独制冷,用一乙烯装置蒸汽系统的平衡与优化对乙烯装置台制冷压缩机代替原来的3台压缩机,提供7个的节能降耗有显著影响。在实际生产中,由于种冷冻级位。与二元制冷不同的是三元制冷过程中种原因使得蒸汽系统不平衡、高压蒸汽直接减温冷剂的组分会发生变化,正常操作时冷剂分为重降压使用和低压蒸汽放空的现象普遍存在。冷剂、中冷剂、轻冷剂。这3种冷剂均为混合组为有效降低乙烯装置的能耗,蒸汽系统可采成,在不同的条件下分离得到,当操作波动时这些取以下措施:--是要进--步优化设计,对大型透平组分会发生变化,使冷剂的汽化曲线偏离设计值。抽/凝汽方案和电/汽泵运行匹配进行优化,使设三元制冷随时需要根据冷区进料的变化对冷剂系计的蒸汽平衡在实际生产过程中更容易实现,操统进行调整,对操作的要求很高。国内在齐鲁乙中国煤化工的蒸汽量,减少低压烯二次扩建和茂名乙烯扩建中使用后就未在其他YHCNMHG措施充分利用过剩装置采用过此技术。的低压蒸汽。二元制冷技术适合在装置改扩建时采用以减除可利用过剩的低压蒸汽来预热裂解炉燃烧64.乙烯工业第22卷.空气外,目前正在研究采用氨吸收制冷技术将低用较多,积累了一定的数据和经验,主要包括:裂压蒸汽的热量转换成冷量,以弥补乙烯装置在夏解炉出口温度控制技术、裂解炉汽/烃质量流量比季丙烯制冷压缩机能力的不足。另外利用低压蒸在线校正控制技术、裂解炉总通量控制技术等。汽发电的技术使乙烯装置多出的低压蒸汽产生电先进控制在分离系统仅对部分装置的乙烯精能,以降低乙烯装置能耗的研究也在进行中。馏塔和丙烯精馏塔进行了研究,主要包括:塔顶乙烷(丙烷)浓度推断控制系统塔釜乙烯(丙烯)浓6采用高效催化剂度推断控制系统等。其他系统的先进控制在国内为保证乙烯装置主要产品的质量，需要对乙应用很少,还需要进--步开发应用,或在设计阶段炔、丙炔/丙二烯( MAPD)进行炔烃加氢,对氢气进就加以考虑,减少重复投资,同时可以有效地提高行甲烷化反应脱除其中的--氧化碳。高效催化剂装置的操作水平,降低装置能耗。的使用可以有效提高加氢活性和选择性,提高目的产品的收率和乙烯装置的整体效益,降低装置8结论能耗。近年来,随着新的乙烯装置建设及老装置的随着加氢催化剂的发展由单一活性组分 催化扩能改造,新技术新工艺及相关系统的设计优化剂向含有助催化剂的多组分催化剂发展,加氢反的应用,我国乙烯装置能耗显著下降,中国石化系应的活性和选择性有了大幅的提高。加氢催化剂统乙烯装置能耗(标油)由2001年的732. 78kg/t的开发与工艺技术结合也更加紧密。如碳二加氢乙烯下降到2009年的622. 63 kg/t乙烯。随着国采用前脱丙烷前加氢工艺流程,可以把所有的乙家“节能、降耗、减排”的要求提高,作为石油化工炔和大部分丙炔/丙二烯进行选择性加氢,在- -个企业耗能大户的乙烯装置将面临更大的节能降耗装置运行周期内不用再生。此工艺过程与后加氢压力。因此,为进一步降低乙烯装置能耗,应加大的催化剂相比可以减少因再生消耗的蒸汽用量,节能降耗新工艺、新技术的开发和推广应用。同时把物料中的氢气消耗掉一部分,减轻了深冷系统分离氢气的负荷。参考文献:与现在大多数装置采用的高温甲烷化相比，[1]肖 雪军,何细藕.乙烯装置裂解炉的节能技术[J].石油化工,2003 ,32(3) :254.低温甲烷化催化剂可使甲烷化反应温度由250~[2]周玲娟.乙烯裂解炉燃烧器增设空气预热器的工业350C降低到160~200C,加热介质由高压蒸汽应用[J].石油化工技术与经济,2009 ,25<4) :50.改为中压蒸汽,甲烷化系统能耗为高温甲烷化的[3]张利军.节能减排技术在乙烯装置上的应用[J].中50%左右。采用低温甲烷化催化剂不但降低了能外能源,2009 ,14(6) :90.耗,同时降低了对设备的要求,增加了装置的安全[4]汪文红. 乙烯装置急冷油减粘装置[J].乙烯工业，性,值得推广应用。2003 ,15(2) :22.[5]盛在行. 乙烯装置裂解气压缩机级间注水技术[J].7采用先进控制石油化工设备技术.2009 ,30(4) :16.先进控制是在现有DCS和模拟仪表的基础[6]王振维 ,王子宗.低能耗乙烯分离技术[J].石油化工,2002 ,31(6) :464. 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