乙烯裝置停開(kāi)車(chē)降低火炬排放措施探討

袁欣，衣桂娟，董湘軍

（中國(guó)石油吉林石化公司乙烯廠，吉林 132022）

1 概述

隨著國(guó)家環(huán)保管控力度不斷加大，無(wú)論是新建還是已投入商業(yè)運(yùn)行的化工裝置均面臨著裝置在停開(kāi)車(chē)及正常運(yùn)行過(guò)程中如何做到“低碳排放，環(huán)保達(dá)標(biāo)”問(wèn)題。乙烯裝置作為化工裝置的“龍頭”，體量巨大，低碳排放涉及的范圍很廣，按照生產(chǎn)狀況劃分，可分為裝置正常運(yùn)行、停開(kāi)車(chē)、檢維修及局部試車(chē)排放等；按照介質(zhì)狀態(tài)劃分，可分為氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)排放。為了實(shí)現(xiàn)“低碳排放，環(huán)保達(dá)標(biāo)”企業(yè)根據(jù)各自實(shí)際情況采取措施，如裂解爐低NOx燒嘴改造、廢堿氧化系統(tǒng)改造、增設(shè)火炬氣回收壓縮機(jī)等，并收到了很好的效果。

2 乙烯裝置停開(kāi)車(chē)降低火炬排放的方案分析

吉林石化公司70萬(wàn)噸/年乙烯裝置始建于1993年，2005年進(jìn)行了擴(kuò)能改造。該裝置采用林德工藝，整體上分為新老兩個(gè)區(qū)，共用一臺(tái)裂解氣壓縮機(jī)。這種布局設(shè)計(jì)相當(dāng)于兩套小的乙烯裝置合在一起，與一套相同能力的乙烯裝置相比在投資、運(yùn)行及維護(hù)等方面均處于劣勢(shì)，但是在物料回收方面則具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橄嗤僮鲉卧梢越诲e(cuò)停車(chē)。

該裝置受上下游整體平衡影響，每年有2～3次低負(fù)荷運(yùn)行階段，持續(xù)時(shí)間為7～15天，利用該時(shí)機(jī)可對(duì)局部單元進(jìn)行新催化劑開(kāi)車(chē)、換熱器消漏等工作。期間，不可避免地涉及到產(chǎn)品不合格及火炬排放問(wèn)題，通過(guò)多次總結(jié)摸索，碳排放量逐步降低。

2.1 不合格物料的回收

該裝置在脫除乙烯產(chǎn)品中乙炔雜質(zhì)方面，老區(qū)采用乙炔吸收技術(shù)，用二甲基甲酰胺作為吸收劑，通過(guò)溫度和壓力的變化將乙炔從碳二組分中分離出來(lái)，并作為產(chǎn)品外送；新區(qū)采用乙炔前加氫技術(shù)，有兩臺(tái)等溫列管式碳二前加氫反應(yīng)器，將乙炔轉(zhuǎn)變成乙烯和乙烷。碳二前加氫反應(yīng)器開(kāi)車(chē)是整個(gè)裝置開(kāi)車(chē)的難點(diǎn)，一是反應(yīng)器升溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響裝置開(kāi)車(chē)進(jìn)度；二是開(kāi)車(chē)過(guò)程產(chǎn)生大量不合格碳二組分，無(wú)法作為產(chǎn)品外送。

這部分不合格碳二組分，主要是乙炔含量超標(biāo)，最初的處理方式為通過(guò)乙烯機(jī)液化，暫時(shí)存入兩臺(tái)2 000 m3乙烯儲(chǔ)罐，待系統(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)逐步返回裂解氣壓縮機(jī)升壓送入后部精餾。這種方式受制于儲(chǔ)罐罐容，當(dāng)兩臺(tái)罐均達(dá)到儲(chǔ)存上限時(shí)，在系統(tǒng)乙炔含量仍超標(biāo)情況下，只能將不合格碳二組分向火炬排放。

針對(duì)這種情況，按照高壓側(cè)向低壓側(cè)排放的原則，綜合考慮各種因素，采取以下三項(xiàng)措施回收這部分不合格碳二組分：①按照裂解氣壓縮機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，將反應(yīng)器進(jìn)料量的50%返回壓縮機(jī)低壓段吸入罐，相當(dāng)于在反應(yīng)器和壓縮機(jī)之間建立一股閉路循環(huán)物流，這樣既可以保證前加氫反應(yīng)器開(kāi)車(chē)階段最低負(fù)荷，又能滿(mǎn)足不合格碳二組分后續(xù)處理要求。②在乙烯精餾單元之前將物料引入老區(qū)正常運(yùn)行的乙炔吸收單元，約占反應(yīng)器進(jìn)料量45%的不合格碳二組分經(jīng)過(guò)碳一/碳二分離單元后，除去氫氣和甲烷，僅剩余乙炔、乙烯和乙烷三種純碳二物料，由于乙炔含量超標(biāo)，如進(jìn)入乙烯精餾單元，只能液化至不合格乙烯儲(chǔ)罐，通過(guò)壓差將其引入老區(qū)乙炔吸收單元，利用吸收劑二甲基甲酰胺把其中的乙炔吸收掉，剩余的乙烯和乙烷再進(jìn)入老區(qū)的乙烯精餾系統(tǒng)生產(chǎn)合格乙烯產(chǎn)品。③將約占反應(yīng)器進(jìn)料量5%的無(wú)法回收不合格碳二組分并入燃料氣系統(tǒng)，作為裂解燃料，達(dá)到燃料氣系統(tǒng)節(jié)約天然氣的目的。通過(guò)以上三項(xiàng)措施，碳二加氫反應(yīng)器開(kāi)車(chē)階段的不合格碳二物料實(shí)現(xiàn)了向火炬的“零排放”，并且95%轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚁┑犬a(chǎn)品，受裝置能力限制，只有5%作為燃料燒掉。

2.2 合格物料的回收

該裝置老區(qū)乙烯制冷壓縮機(jī)三段出口冷卻器由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致循環(huán)水垢下腐蝕，發(fā)現(xiàn)大面積內(nèi)漏，需要對(duì)換熱器進(jìn)行整體更換。按照正常處理方式，整個(gè)分離系統(tǒng)老區(qū)與該壓縮機(jī)提供乙烯冷劑相關(guān)的各個(gè)單元均要停車(chē)，待壓縮機(jī)三段出口冷卻器更換完畢后重新開(kāi)車(chē)，但是開(kāi)車(chē)過(guò)程不可避免產(chǎn)生大量廢料，無(wú)法回收，需要向火炬排放。

受老區(qū)乙烯制冷壓縮機(jī)停車(chē)影響，老區(qū)碳一/碳二分離單元、乙炔吸收單元的乙烯冷劑無(wú)法使用，老區(qū)乙烯精餾單元由于與乙烯制冷壓縮機(jī)形成開(kāi)式熱泵也需要局部隔離置換。當(dāng)乙烯制冷壓縮機(jī)停車(chē)時(shí)，單元設(shè)備、管線外部均有保冷材料，切斷單元進(jìn)料，短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)部物料保液保壓儲(chǔ)存。但是就老區(qū)碳一/碳二分離單元來(lái)說(shuō)，停車(chē)時(shí)儲(chǔ)存的物料含有乙炔，下游乙炔吸收單元在開(kāi)車(chē)過(guò)程中需要逐漸升溫置換，必然送火炬排放。

針對(duì)這種情況，優(yōu)化乙烯壓縮機(jī)換熱器檢修方案，利用裝置降負(fù)荷，同時(shí)新區(qū)碳二加氫單元運(yùn)行的條件，將老區(qū)預(yù)冷干燥單元的物料引入碳二加氫單元，與新區(qū)預(yù)冷干燥單元的物料混合后脫除乙炔，再分出相同量的物料回到老區(qū)碳一/碳二分離單元，在停車(chē)前正常運(yùn)行階段對(duì)老區(qū)含乙炔各單元進(jìn)行乙炔置換，至老區(qū)各單元乙炔達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)始逐步停車(chē)。雖然該方式延長(zhǎng)停車(chē)時(shí)間3小時(shí)，但縮短開(kāi)車(chē)時(shí)間5小時(shí)，整體上不但縮短低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，而且大大降低物料排放量，最終成本損失降低評(píng)估見(jiàn)表1。

損失評(píng)估是按照該乙烯裝置當(dāng)月《乙烯產(chǎn)品單位成本計(jì)算表》中各產(chǎn)品財(cái)務(wù)金額與各階段操作減少的物料損失，結(jié)合該裝置設(shè)計(jì)物料平衡表中的組分含量計(jì)算得出，總計(jì)減少損失310.37萬(wàn)元。

表1 優(yōu)化乙烯壓縮機(jī)換熱器檢修方案后降低最終成本損失評(píng)估

2.3 停車(chē)時(shí)產(chǎn)品外送產(chǎn)品儲(chǔ)罐

丙烯壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)及與之相連的用戶(hù)內(nèi)部?jī)?chǔ)存大量聚合級(jí)丙烯，純度在99.6%（v）以上，這部分丙烯在壓縮機(jī)停車(chē)前及停車(chē)后可以通過(guò)泵升壓送入丙烯儲(chǔ)罐。停車(chē)前需要預(yù)估出丙烯量以便儲(chǔ)罐有足夠的儲(chǔ)存空間。同時(shí)，丙烯精餾塔所產(chǎn)聚合級(jí)丙烯在保證質(zhì)量合格情況下也可以通過(guò)該線送往儲(chǔ)罐。利用一次大檢修老區(qū)丙烯壓縮機(jī)系統(tǒng)停車(chē)倒空時(shí)機(jī)，對(duì)該系統(tǒng)內(nèi)的聚合級(jí)丙烯進(jìn)行升壓回收，整個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)罐及管線體積約為500 m3，按照丙烯儲(chǔ)量40%，液態(tài)丙烯密度0.5 t/m3計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)存丙烯量約為100 t，通過(guò)實(shí)施該操作，丙烯儲(chǔ)罐儲(chǔ)存量增加48 t，回收率大體在40%以上。

2.4 開(kāi)車(chē)外引

目前，各乙烯裝置通過(guò)改造，均采用開(kāi)車(chē)提前引入合格產(chǎn)品方式建立回流，當(dāng)精餾塔、吸收塔進(jìn)料時(shí)，直接使用該回流產(chǎn)生合格產(chǎn)品，以縮短開(kāi)車(chē)調(diào)整時(shí)間，減少火炬排放量。如脫乙烷塔引入聚合級(jí)乙烯產(chǎn)品，脫丙烷塔引入聚合級(jí)丙烯產(chǎn)品，乙炔吸收塔引入聚合級(jí)乙烯產(chǎn)品等。另外，有的裝置采用乙烯精餾塔與乙烯壓縮機(jī)形成開(kāi)式熱泵設(shè)置，在裝置投料之前，通過(guò)乙烯儲(chǔ)罐將乙烯產(chǎn)品返回乙烯精餾塔，通過(guò)壓縮機(jī)制冷，建立液相乙烯，使塔達(dá)到正常操作溫度和壓力，也是縮短開(kāi)車(chē)時(shí)間的較好方式。

2.5 作為燃料氣回收利用

裝置在緊急停車(chē)或恢復(fù)開(kāi)車(chē)過(guò)程中，不可避免要涉及到超溫、超壓及不合格產(chǎn)品的置換問(wèn)題，這部分物料一般都是直接排往火炬系統(tǒng)。通過(guò)不斷改造，將可作為裂解爐燃料使用的碳四以下組分相應(yīng)放火炬點(diǎn)配置了聯(lián)通線，引至燃料氣系統(tǒng)，這樣既可以減少火炬排放量，同時(shí)也可以減少裝置燃料氣外補(bǔ)量。需要注意的是，該方式并不是替代各單元的壓力控制，而是在壓力控制正常投用情況下，盡量減少火炬排放量。同時(shí)，燃料氣系統(tǒng)管線多為普通碳鋼材質(zhì)，最低安全使用溫度只有-40℃，還要注意排放溫度不能過(guò)低，最好是在燃料氣系統(tǒng)之前增設(shè)加熱器和溫度報(bào)警設(shè)施，利用低等級(jí)蒸汽或熱水對(duì)低溫物料進(jìn)行加熱，保證排放的物料進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)之前不低于-40℃。

3 結(jié)論

乙烯裝置停開(kāi)車(chē)階段的低火炬排放是行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，以上幾種具體措施可以綜合應(yīng)用。對(duì)于新建裝置，可以借鑒以上幾種做法在設(shè)計(jì)階段考慮運(yùn)行時(shí)的物料回收問(wèn)題；對(duì)于已投入生產(chǎn)運(yùn)行的裝置，可以利用停車(chē)時(shí)機(jī)對(duì)可回收的物料進(jìn)行局部改造，根據(jù)實(shí)際情況和物料狀態(tài)，按照規(guī)范要求配置聯(lián)通線，設(shè)置相應(yīng)的操作和安全監(jiān)控設(shè)施，使裝置的運(yùn)行更為科學(xué)合理，最大程度實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行和低碳排放的目的。