采用減三線油回收裂解氣高溫余熱方案的研究

張小鋒，湛世輝，馮 霄

（中國石油大學（北京） 新能源研究院，北京 102249）

工業技術

采用減三線油回收裂解氣高溫余熱方案的研究

張小鋒，湛世輝，馮 霄

（中國石油大學（北京） 新能源研究院，北京 102249）

針對乙烯急冷過程中裂解氣420 ℃左右的熱量被直接降級至220 ℃使用，從而造成高品位熱量損失的現狀進行了研究，提出了一種分等級回收裂解氣高溫余熱的新工藝流程，即引入煉廠減三線油直接噴淋來自廢熱鍋爐的高溫裂解氣，通過循環高溫減三線油去發生高壓蒸汽，與原工藝流程中急冷油循環去發生稀釋蒸汽組合，構成分級多次回收高溫裂解氣余熱的新流程。使用Aspen Plus軟件模擬新流程和原流程，模擬結果表明，兩種流程所能提供的總熱量基本一致，新流程可以使裂解氣高溫余熱同時副產高壓蒸汽和稀釋蒸汽。以640 kt/a乙烯裝置為例進行經濟核算，可增加經濟效益798萬元/a。

裂解氣；余熱回收；減三線油；乙烯裝置

裂解是乙烯裝置的第一道生產工序，能耗占整個裝置的50%～60%［1］，故降低裂解區的能耗意義重大。目前，研究者從兩個方面進行了降低裂解區能耗的研究：一是提高裂解爐的熱效率；二是改善高溫裂解氣的熱量回收［2］。裂解氣的高溫余熱主要是指裂解氣由800～850 ℃降至165 ℃的熱量，其中，裂解氣從800～850 ℃降至接近露點（約420 ℃，裂解原料不同露點也不同）時，為了終止二次副反應的發生，要在不足1 s內完成冷卻，該過程需要特制的專用廢熱鍋爐才能實現。在該過程中，裂解氣的熱量用于發生超高壓蒸汽，超高壓蒸汽過熱后去裂解氣壓縮機和制冷壓縮機驅動透平，能量得到合理利用。曹新波等［3］提出了將此部分余熱作為吸熱化學反應的熱源，使余熱物理轉化為反應產物所增加的化學的新方法，并將其用于裂解氣急冷與延遲焦化耦合工藝流程，提高了效率。由于焦化原料油的黏度性質等原因，很難做到使焦化原料油與裂解氣在不足1 s的時間內充分接觸、混合傳熱，故沒有工業裝置采用該流程。裂解氣從220 ℃到165 ℃左右的熱量現均用于發生稀釋蒸汽或替代低壓蒸汽直接作為加熱熱源。國內的研究人員做過很多研究以改善這部分能量的利用效果。楊春生［4］改進了急冷油塔系統的工藝流程，設置減黏塔以控制急冷油的黏度，達到發生更多稀釋蒸汽的目的，在實際應用中取得了良好的效益。吳興松等［5］針對乙烯急冷裝置實際操作參數偏離設計值較大的現狀，提出了模擬組分分割、物性方法選取、單元簡化處理等一整套急冷系統的模擬方法，為系統改造提供了可靠依據，模擬結果與實際情況較吻合，提高了模擬計算熱量回收的準確性。但裂解氣在420℃左右到220 ℃的范圍內，由于涉及裂解氣的露點和裂解急冷油長時間循環易聚合結焦等問題，熱量無法通過換熱器傳熱被利用，關于該溫度區間熱量回收利用的研究極少。

本工作提出了采用減三線油回收裂解氣由420℃左右到220 ℃范圍內熱量的工藝方案，使裂解氣的高溫余熱得到了更有效合理的利用。

1 乙烯裝置裂解氣急冷工藝流程

乙烯裝置裂解氣急冷工藝的流程見圖1。高溫（約850 ℃）裂解氣先經廢熱鍋爐回收高品位熱能并副產超高壓蒸汽（壓力11.5 MPa），裂解氣冷卻至420 ℃；然后在急冷器中用循環急冷油直接噴淋降溫至220 ℃左右后進入油洗塔塔釜，油洗塔塔釜急冷油少量作為裂解燃料油產品采出，其余先去稀釋蒸汽發生器作為熱源，以回收相當于中壓蒸汽級位的熱量；冷卻后的急冷油分成兩股，一股送到急冷器以噴淋高溫裂解氣，另一股直接返回油洗塔中下部。

在油洗塔的中部設置有盤油循環，以回收相當于低壓蒸汽級位的熱量；頂部用下游水洗塔冷凝下來的裂解汽油作為回流，以控制塔頂溫度在105 ℃左右；油洗塔塔頂的裂解氣進入水洗塔塔釜。

圖1 乙烯裝置裂解氣急冷工藝的流程圖Fig.1 Flowchart of quench process of ethylene plants.CG：cracking gas；LPS：low pressure steam；HPS：high pressure steam；DS：dilution steam，HTO：hydrogenation tail oil.

2 裂解氣急冷過程能量回收分析

以某640 kt/a乙烯裝置為例，在裂解氣從850 ℃至105 ℃的冷卻過程中，850 ℃至420 ℃之間的熱量用于發生超高壓蒸汽；420 ℃至220 ℃之間的熱量用于直接噴淋急冷油，循環急冷油去稀釋蒸汽發生器作為熱源，只能回收相當于中壓蒸汽級位的熱量，造成熱量級位損失；220 ℃至185 ℃之間的熱量由循環急冷油取走，用于發生稀釋蒸汽；185 ℃至165 ℃之間的熱量由盤油取走，用于替代低壓蒸汽加熱工藝物流；165 ℃至65 ℃之間的熱量被循環急冷水取走，用于加熱工藝物流；65 ℃至40 ℃之間的熱量品質過低，全部被循環水取走。

分析整個過程，裂解氣在420 ℃至220 ℃之間的熱量有40 MW左右降級使用，此部分熱量的品質和總量都很可觀。文獻提出的方案基本是在420 ℃至220 ℃之間添加二級廢熱鍋爐和三級廢熱鍋爐，用來發生高壓蒸汽和中壓蒸汽，逐級利用熱量［6］。此類方案理論上是可行的，但由于裂解氣組成復雜，包含從H2到裂解燃料油等上百種烴類以及少量固體焦粒，420 ℃左右已接近裂解氣的露點溫度，如果添加二級廢熱鍋爐，裂解氣在二級廢熱鍋爐里降溫，會有少量重油冷凝出來從而結焦，使鍋爐很快失去作用，故只有以乙烷和丙烷為裂解原料的乙烯裝置采用了該技術。有些裝置采用了二級廢熱鍋爐，但裂解氣溫度仍在露點之上，沒有在裂解氣露點溫度之下使用廢熱鍋爐的例子。可以考慮回收420 ℃至220 ℃之間的部分高溫熱量用來副產3.5 MPa的高壓蒸汽。

3 加入減三線油循環的新流程

本工作提出的方案是采用一種中間循環介質將裂解氣420 ℃左右至220 ℃之間的熱量取走，即引入中間介質直接噴淋來自廢熱鍋爐的高溫裂解氣，通過循環高溫中間介質去發生高壓蒸汽，與原工藝流程中急冷油循環去發生稀釋蒸汽組合，構成分級多次回收高溫裂解氣余熱的新流程。新工藝的流程如圖2所示。

3.1 中間介質的選擇

對高溫裂解氣進行噴淋冷卻的中間介質，需滿足如下條件：1）中間介質自身的構成應可以適應操作條件下的循環運行，外甩量適中；2）中間介質組分不進入或極少量進入裂解氣分離系統。本工作使用Aspen Plus軟件對新工藝流程進行模擬，中間介質初步選擇了常三線油和減三線油，其餾程見表1。

圖2 新工藝的流程Fig.2 Flowchart of new process.

表1 常三線油與減三線油的餾程Table1 Distillation ranges of AGO and VGO

經對比發現，使用常三線油，由于油品較輕，與高溫裂解氣直接噴淋混合后常三線油中大量的輕組分進入裂解氣，影響后續分離系統；使用減三線油噴淋后，裂解氣中的部分高黏度重油冷凝，而減三線油只有極少一部分進入裂解氣，對裂解氣的分離系統影響較小。

本模擬中使用的減三線油的餾程在399～517℃之間，這部分油品在常減壓裝置中被稱為減壓蠟油。減壓蒸餾塔可抽出減二線、減三線和減四線等餾程和組成不同的蠟油，且相鄰的油品之間有重合。不同的減壓裝置進料不同，因此所產出的減壓三線蠟油也不同，但餾程基本為350～500 ℃，這類油品組成非常復雜，現在通常只能分析族組成和結構族組成，分析所含鏈烷烴、環烷烴、芳烴、單環芳烴、雙環芳烴、多環芳烴和膠質的組成，并需要借助大型儀器，如核磁共振儀、色譜和質譜儀等，代價昂貴。減三線蠟油中普遍含烷烴和環烷烴較多，烷烴主要包括C20～36的正構和異構烷烴；環烷烴包括從單環到六環的帶有環戊烷環或環己烷環的環烷烴，主要以稠合類型為主；芳烴以單環、雙環和三環芳烴為主，同時含有一定量的四環及很少量高于四環的芳烴；多環芳烴也以稠合型為主。這樣的組成使減三線油中的輕組分進入盤油，從而改變塔的熱負荷分布，但不改變塔頂裂解氣組成。急冷油中的高沸點餾分的組成與同樣餾程溫度的減壓蠟油有很大區別，主要為難以裂解的稠環多環芳烴（如萘類、茚類和苊類等），沸點溫度在500 ℃以上的組分占50%左右。這些不飽和烴類化合物在高溫下會發生縮聚反應，生成大分子化合物，引起急冷油黏度增大。正是由于這兩種油品組成的差別，在第一次使用減三線油噴淋冷卻裂解氣的過程中，裂解氣中的重質燃料油組分會冷凝進入減三線循環油中，有益于改善目前乙烯裝置普遍存在的油洗塔塔釜急冷油循環過程中黏度大的問題。裂解重質燃料油質量約占裂解氣質量的3%左右。使用的減三線油循環量約為裂解氣質量的2倍，在循環過程中保持一定比例的減三線循環油的采出與補充更新，可以控制減三線循環油的黏度。此過程與乙烯裝置在急冷油黏度快速升高時引入調質油降黏并加大燃料油采出的處理方法類似。

3.2 新工藝流程的模擬

根據國內某640 kt/a乙烯裝置的設計數據，使用Aspen Plus（V7.2版本)軟件進行工藝模擬計算，建立的新工藝流程模擬圖見圖3。

圖3 新流程急冷部分的Aspen Plus流程模擬示意圖Fig.3 Diagram of the quench process simulated by Aspen Plus. Oil-Rec：recycle oil.

該裝置有3種裂解原料，加氫尾油、石腦油和乙烷，分別使用3臺不同的裂解爐，3種原料產生的裂解氣組成也不同。設定3種原料產生的裂解氣從廢熱鍋爐出來的溫度均為420 ℃，此溫度的裂解氣在一級急冷器里與減三線油直接接觸冷卻至300℃，經過閃蒸，液相進入換熱器去副產高壓蒸汽，氣相進入二級急冷器與急冷油直接接觸噴淋冷卻，冷卻到210 ℃后進入油洗塔進行分離。

新流程急冷部分的模擬結果見表2。由表2可看出，急冷需要循環油約1 050 t/h，循環油與裂解氣混合后將裂解氣冷卻到約300 ℃，而高溫循環油去換熱器發生高壓蒸汽，冷卻到260 ℃再次進入循環。該過程給出熱量約30 MW，發生高壓蒸汽約61 t/h。

表2 新流程急冷部分的模擬結果Table 2 Calculated results of the simulated quench process

裂解氣與減三線循環油在一級急冷器中冷卻后，后續冷卻分離系統與原工藝一致。油洗塔塔釜循環急冷油與裂解氣在二級急冷器中噴淋冷卻至210 ℃左右進入油洗塔，在油洗塔中繼續冷卻取熱。油洗塔底部循環急冷油取熱用來發生稀釋蒸汽，中部盤油循環取熱直接供給裝置的工藝用戶以替代低壓蒸汽，塔頂裂解氣冷卻至105 ℃左右進入水洗塔。

使用Aspen Plus軟件對新工藝流程和原流程進行模擬，模擬結果的對比見表3和表4。

從表3可看出，通過油洗塔塔頂去水洗塔的裂解氣流量和組成均改變很小，對后續分離系統幾乎沒有影響。

從表4可看出，原流程可發生稀釋蒸汽的熱量為52 MW，并提供替代低壓蒸汽熱量20 MW；而新流程可發生稀釋蒸汽的熱量僅有12 MW，并提供替代低壓蒸汽熱量28 MW，但新流程可同時提供發生高壓蒸汽的熱量30 MW。新工藝流程相當于把原流程中用于發生稀釋蒸汽的熱量大部分用來發生了高壓蒸汽。

蒸汽品位和價格見表5。企業對稀釋蒸汽無價格核算，由于稀釋蒸汽替代的是中壓蒸汽，故取中壓蒸汽的價格174元/t，根據表4和表5的數據計算發生蒸汽的效益，原流程發生蒸汽的效益：25×102+90×174=18 210元/h；新流程發生蒸汽的效益：36×102+21×174+61×194=19 160元/h，新流程提高了高溫余熱的價值，減少了能量的降級利用損失。采用新流程可增加效益950元/h，按每年開工8 400 h計算，每年增加收益798萬元。由于本研究中所述蒸汽都是飽和蒸汽，其價格會略低些，但不影響結論的相對準確性。

表3 新流程與原流程對后續系統的影響Table 3 Effects of the new and original processes on subsequent system

表4 新流程與原流程對油洗塔系統操作狀況的影響Table 4 Effects of the new and original processes on the operation parameters of oil washing tower

表5 蒸汽品位和價格Table 5 Prices of different steam grade

4 結論

1）針對乙烯裝置裂解氣余熱的回收，提出了增加減三線油對高溫裂解氣噴淋急冷，逐級降溫利用其熱量的新流程，可以合理利用高溫余熱間接發生高壓蒸汽。

2）新流程避開了裂解氣在露點處無法通過換熱器換熱回收高溫熱量的問題，對原流程改變較小，對裂解氣后續分離系統基本無影響，具有工業可操作性。

3）通過使用Aspen Plus軟件對急冷系統進行模擬，對系統所產生的不同品位的蒸汽價值進行核算，與原工藝流程相比，新流程可獲得顯著的經濟效益。以640 kt/a乙烯裝置為例，每年可增加收益798萬元。

［1］ 肖雪軍，何細藕. 乙烯裝置裂解爐的節能技術［J］. 石油化工，2003，32（3）：254 - 257.

［2］ 孫曉. 乙烯裝置急冷系統能量回收工藝特點分析［J］. 乙烯工業，2003，15（4）：46 - 47.

［3］ 曹新波，湯志剛，段占庭，等. 乙烯急冷-延遲焦化集成節能流程［J］. 過程工程學報，2006，6（2）：267 - 271.

［4］ 楊春生. 乙烯裝置急冷油系統的設計和節能改造［J］. 中外能源，2011，16（1）：106 - 111.

［5］ 吳興松，楊春生. 乙烯裝置急冷系統流程模擬計算方法的探討［J］. 乙烯工業，2003，15（2）：9 - 15.

［6］ 朱懋斌，馮霄. 乙烯裝置汽油分餾塔系統中循環急冷油流量對產品的影響［J］. 計算機與應用化學，2009，25（4）：399 -404.

（編輯 王 萍）

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Zhang Xiaofeng，Zhan Shihui，Feng Xiao
（Institute of New Energy，China University of Petroleum，Beijing，Beijing 102249，China）

Aimed at the unreasonable waste heat recovery of ethylene plants，namely that the heat of the cracking gas with high temperature（420 ℃) was degraded directly to lower temperature（220 ℃) during the recovery，a new process was proposed，in which vacuum gas oil was sprayed into the hot cracking gas to recover the heat of the cracking gas from waste heat boilers. In the new process，both high pressure steam and dilution steam can be generated，which results in multi-level heat recovery and reasonable energy utilization. The new and original processes were simulated by Aspen Plus software and the economic beneft was signifcant.

cracking gas； waste heat recovery； vacuum gas oil； ethylene plants

1000 - 8144（2014）10 - 1190 - 06

TQ 021.8

A

2014 - 04 - 18；［修改稿日期］ 2014 - 06 - 26。

張小鋒（1986—），男，新疆維吾爾自治區哈密市人，碩士生。聯系人：馮霄，電話 010 - 89739113，電郵 xfeng@ cup.edu.cn。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB720500）。