降低乙烯裝置能耗措施分析

余仁杰，王文海，黎宇章，劉鋒，王勇

（中國(guó)石化北京燕山分公司烯烴部，北京 102500）

燕山石化烯烴部乙烯裝置是我國(guó)首套從國(guó)外引進(jìn)的年產(chǎn)30萬噸的乙烯生產(chǎn)裝置。經(jīng)過兩次大規(guī)模擴(kuò)能改造，形成了“兩頭一尾”的格局，裂解老區(qū)與新區(qū)分別擁有一套裂解爐、急冷、壓縮系統(tǒng)，裂解氣加壓后匯合進(jìn)入分離單元進(jìn)行深冷分離。目前乙烯設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為71萬t/a，最大生產(chǎn)能力已達(dá)84萬t/a。乙烯裝置是化工系統(tǒng)的“龍頭”，其運(yùn)行水平一定程度上反映了整個(gè)石油化工行業(yè)的生產(chǎn)水平，能耗高低直接影響整個(gè)化工系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益，因此，降低乙烯裝置能耗具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 流程簡(jiǎn)介

燕山石化乙烯裝置采用管式爐蒸汽裂解、LUMMUS深冷順序分離流程。來自裝置界區(qū)外的石腦油、加氫尾油、輕烴以及裝置自產(chǎn)的循環(huán)乙烷、循環(huán)丙烷經(jīng)裂解爐蒸汽熱裂解，生成的裂解氣經(jīng)油洗、水洗、裂解氣壓縮機(jī)五段壓縮、三段堿洗，干燥器干燥后進(jìn)入冷箱、脫甲烷塔、脫乙烷塔、脫丙烷塔、脫丁烷塔依次分離出氫氣、甲烷氫、碳二、碳三、碳四、裂解汽油等組分，其中氫氣、碳四、裂解汽油作為產(chǎn)品送往界區(qū)，碳二組分經(jīng)碳二加氫反應(yīng)器、乙烯精餾塔后生成聚合級(jí)乙烯產(chǎn)品送往界區(qū)，碳三組分經(jīng)碳三加氫反應(yīng)器、甲烷汽提塔、丙烯精餾塔后生成聚合級(jí)丙烯產(chǎn)品送往界區(qū)。丙烯制冷壓縮機(jī)、乙烯制冷壓縮機(jī)、二元制冷壓縮機(jī)提供深冷分離的冷量。流程見圖1。

圖1 乙烯裝置工藝流程

2 能耗分析

圖2為2013—2016年乙烯裝置主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化情況。由圖2可知，高附加值產(chǎn)品收率均未達(dá)到60%，乙烯能耗在590~610 kgEO/t范圍內(nèi)，高附收率和能耗距行業(yè)最佳水平62.45%及508 kgEO/t均有明顯差距。

乙烯裝置為化工生產(chǎn)的耗能大戶，圖3為乙烯裝置主要能耗分布，乙烯裝置的能耗主要集中在燃料氣上，其次是水和蒸汽。其中燃料氣包括裝置自產(chǎn)的甲烷氫、火炬氣壓縮機(jī)回收的火炬氣以及少量的制苯尾氣；水消耗絕大部分來自于循環(huán)水、部分除氧水以及少量的除鹽水、新鮮水；蒸汽消耗則主要來自于壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平使用的10 MPa高壓蒸汽、0.3 MPa低壓蒸汽，另外1.5 MPa中壓蒸汽的富余部分作為裝置的蒸汽輸出送往界外。

圖2 2013—2016年乙烯裝置主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

圖3 乙烯裝置主要能耗分布

3 節(jié)能措施及效果

3.1 優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)及品質(zhì)

3.1.1 原料結(jié)構(gòu)調(diào)整

乙烯裝置原料包括石腦油、高壓加氫裂化尾油、煉廠柴油、外接輕烴裂解料等。原料品質(zhì)越輕，通過蒸汽熱裂解后的高附產(chǎn)品收率越高。在實(shí)際運(yùn)行過程中，加氫尾油高附收率最好，單程高附產(chǎn)品收率可達(dá)52%以上；石腦油次之，高附收率為50%左右；柴油最差，高附收率在45%以下，輕烴裂解料的高附收率則主要取決于乙烷、丙烷等物料組成。由圖4可以看到，5年來乙烯裝置的投料比例變化明顯，總體的趨勢(shì)是石腦油、輕烴投料比例逐漸擴(kuò)大，加氫尾油則根據(jù)煉廠的實(shí)際運(yùn)行情況基本保持穩(wěn)定，而高附收率低的柴油在2016年大檢修以后，被大量的外購(gòu)石腦油所取代，同時(shí)輕烴裂解料中又吸收了煉廠飽和氣體回收裝置產(chǎn)出的富乙烷氣（乙烷、丙烷含量可達(dá)80%以上），目前石腦油投料比例75%，加氫尾油約15%，輕烴裂解料10%左右，通過原料結(jié)構(gòu)的調(diào)整，乙烯裝置高附加值產(chǎn)品收率明顯提高。

圖4 乙烯裝置近5年投料比例

3.1.2 原料品質(zhì)優(yōu)化

原料中的飽和烷烴較易裂解生成乙烯和丙烯，其中正構(gòu)烷烴裂解的乙烯收率比異構(gòu)烷烴高，因此石腦油中的烷烴含量和正構(gòu)烷烴含量的高低能夠在一定程度上體現(xiàn)石腦油品質(zhì)的好壞。從圖5可以看出，石腦油品質(zhì)在過去5年發(fā)生了很大變化，2014年石腦油品質(zhì)最差，烷烴含量和正構(gòu)烷烴含量分別為65%和34.8%；經(jīng)過不斷加大外購(gòu)優(yōu)質(zhì)石腦油，2017年，石腦油品質(zhì)大幅度提升，烷烴含量和正構(gòu)烷烴含量分別達(dá)到了71.5%和37.9%。根據(jù)裂解爐Spyro軟件模擬計(jì)算結(jié)果，2017年石腦油優(yōu)化調(diào)整后，乙烯收率、高附加值產(chǎn)品收率對(duì)比2014年分別提高0.126%、0.127%。

圖5 乙烯裝置近5年石腦油中烷烴和正構(gòu)烷烴

關(guān)聯(lián)指數(shù)（BMCI）是相對(duì)密度和沸點(diǎn)的組合參數(shù)，可以表征裂解爐加氫尾油品質(zhì)的變化情況，其值越大，芳香性越高，乙烯收率越低。從圖6可以看出，近5年加氫尾油BMCI值控制在12以下，2016年為10.74，2017年加氫尾油BMCI值平均為9.47，改善明顯。根據(jù)裂解爐Spyro模擬軟件計(jì)算結(jié)果，2017年加氫尾油品質(zhì)優(yōu)化調(diào)整后，乙烯收率、高附加值產(chǎn)品收率對(duì)比2015年，乙烯收率提高約0.1%，高附加值產(chǎn)品收率基本持平。

圖6 乙烯裝置近5年加氫尾油BMCI值

3.2 優(yōu)化裂解爐操作

3.2.1 合理安排裂解爐裂解深度

裂解爐出口溫度（COT）是衡量裂解深度的重要參數(shù)。從裂解反應(yīng)機(jī)理分析，提高裂解爐出口溫度，有利于提高裂解反應(yīng)的選擇性，但出口溫度超過某一值后，乙烯、丙烯等低碳烯烴的收率開始減少，爐管結(jié)焦的程度加劇，裂解爐出口高附加值產(chǎn)品收率下降，同時(shí)，提高裂解溫度也需要消耗更多的燃料氣、爐膛進(jìn)風(fēng)量以及風(fēng)機(jī)能量，因此裂解溫度需要控制在一定范圍內(nèi)。針對(duì)2017年石腦油和加氫尾油的原料變化特點(diǎn)，聯(lián)系北京化工研究院對(duì)石腦油和加氫尾油裂解爐進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖7所示。從圖7a可以看出，COT控制為820~840℃時(shí)，燃料氣消耗和高附加值產(chǎn)品收率不斷升高，但830~840℃范圍內(nèi)燃料氣消耗升高速率明顯高于820~830℃范圍內(nèi)，因此裂解爐COT控制在830℃較為適宜，溫度太高，裝置能耗過大；從圖7b可以看出，COT控制在805~815℃時(shí)，裂解爐高附加值產(chǎn)品收率上升，高于815℃時(shí)，高附加值產(chǎn)品收率下降，因此裂解爐COT控制在815℃。通過標(biāo)定裂解爐以及調(diào)整裂解深度，實(shí)現(xiàn)了裝置高附加值產(chǎn)品收率和能耗的優(yōu)化平衡。

3.2.2 降低裂解爐排煙氧含量

裂解爐排煙氧含量是裂解爐過剩空氣多少的體現(xiàn)。排煙氧含量越高，空氣過剩系數(shù)越大，煙氣帶走的熱量越多，裂解爐熱效率下降。針對(duì)此情況，2017年對(duì)各裂解爐進(jìn)行了調(diào)整，主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)門開度以及裂解爐爐膛風(fēng)壓，目的就是最大程度地保證燃料氣充分燃燒的同時(shí)降低裂解爐排煙氧化量。以裂解爐BA108/109/110為例，如圖8所示，經(jīng)過調(diào)整，煙氣氧含量明顯降低，在燃料氣燃燒充分（CO含量低）的同時(shí)顯著降低了排煙氧含量，由3%以上降低至1%，顯著降低了燃料氣消耗。

圖7 不同COT下裂解爐耗用燃料氣量及裂解氣高附加值產(chǎn)品收率

圖8 裂解爐煙氣氧含量變化趨勢(shì)

3.3 降低裝置蒸汽消耗

3.3.1 降低急冷稀釋蒸汽系統(tǒng)中壓蒸汽補(bǔ)入

老區(qū)急冷稀釋蒸汽系統(tǒng)自2016年大檢修以來存在稀釋蒸汽發(fā)生量不足的問題，導(dǎo)致中壓蒸汽補(bǔ)入量大、外排污水量大，嚴(yán)重影響裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。主要原因是汽油分餾塔熱負(fù)荷分配不均，塔釜急冷油溫度過低。通過調(diào)整汽油分餾塔側(cè)線采出和塔頂回流量，中壓蒸汽補(bǔ)入量不斷降低，如圖9所示，老區(qū)中壓蒸汽補(bǔ)入閥開度（氣關(guān)閥）由72%上升為90%左右，開度大大降低，經(jīng)初步估算，可節(jié)約中壓蒸汽消耗15 t/h以上。

3.3.2 增大高壓蒸汽透平抽汽量

圖9 稀釋蒸汽系統(tǒng)中壓蒸汽補(bǔ)入閥開度和汽油分餾塔塔釜溫度關(guān)系

裂解氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平GT-201和丙烯制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平GT-501為高壓蒸汽抽汽冷凝式透平，正常生產(chǎn)時(shí)可通過抽汽量的調(diào)整來控制外接高壓蒸汽的消耗。以GT-201為例，由于GT-201耗用的高壓蒸汽（SS）無計(jì)量表，可通過外接高壓蒸汽量的增加量體現(xiàn)，GT-201抽汽量增加4.55 t/h，外接SS增加約3.72 t/h，減少凝液排放0.83 t/h，按折標(biāo)系數(shù)計(jì)算，可減少蒸汽能耗約18.73 kgEO/h，如表1所示。同理，根據(jù)測(cè)算，丙烯制冷壓縮機(jī)可減少蒸汽能耗約12.48 kgEO/h。正常生產(chǎn)時(shí)，在熱力410 t鍋爐、1#、4#高壓爐運(yùn)轉(zhuǎn)正常且外接高壓蒸汽量充足的情況下，盡可能進(jìn)行GT-201/501多抽汽操作，控制GT-201抽汽量120 t/h，GT-501抽汽90 t/h，以降低裝置能耗。

表1 GT-201抽汽調(diào)整前后能耗變化

3.3.3 優(yōu)化蒸汽再沸器耗用蒸汽量

1）對(duì)于脫乙烷塔，將DA-401塔負(fù)荷適當(dāng)轉(zhuǎn)移至DA-451塔，充分利用老區(qū)急冷水的熱量進(jìn)行再沸器加熱，降低DA-401塔蒸汽再沸器的低壓蒸汽消耗。因此，DA-401低壓蒸汽用量由4.57 t/h降低為3.96 t/h。

2）對(duì)換熱效果下降的高壓脫丙烷塔再沸器EA-476進(jìn)行了切換。通過切換清理，減少低壓蒸汽消耗約3 t/h，切換前后蒸汽變化如圖10所示。

圖10 EA-476切換前后再沸器蒸汽量

3.4 提高高附加值產(chǎn)品收率

3.4.1 降低裂解氣壓縮機(jī)一段吸入壓力

裂解爐出口高附加值產(chǎn)品收率與裂解爐出口壓力（COP）有關(guān)。COP越低，烴分壓越低，裂解反應(yīng)選擇性越高，裂解爐出口高附加值產(chǎn)品收率越高。裂解爐出口壓力由裂解氣壓縮機(jī)入口壓力控制。入口壓力控制越低，壓縮機(jī)壓縮比越高，透平高壓蒸汽用量越大。為提高裝置高附加值產(chǎn)品收率、降低乙烯裝置能耗，對(duì)裂解氣壓縮機(jī)一段吸入壓力對(duì)高附收率、裝置能耗的影響進(jìn)行了測(cè)試調(diào)整，將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由5 800 r/min提升至6 000 r/min，在裝置8＋2＋3負(fù)荷下將GB-201一段吸入壓力降低了約14 kPa，期間高附收率提高了約0.657%，排除因原料品質(zhì)改善產(chǎn)生的高附收率0.348%外，因裂解爐出口壓力降低選擇性提高產(chǎn)生的高附加值產(chǎn)品效益提高0.309%。同時(shí)為考察一段吸入壓力與裝置能耗的關(guān)系，對(duì)不同吸入壓力下的裝置能耗進(jìn)行了測(cè)試調(diào)整，如表2所示。結(jié)果表明裂解氣壓縮機(jī)一段吸入壓力從50 kPa降低至40 kPa時(shí)，高附收率提高約0.26%，能耗上升約10.2 kgEO/t；從60 kPa降低至50 kPa時(shí)，高附收率提高約0.27%，能耗上升約2.8 kgEO/t；當(dāng)70 kPa降低至60 kPa時(shí)，高附收率提高約0.24%，能耗上升約0.7 kgEO/t。因此，GB-201一段吸入壓力控制在50~60 kPa較為適宜，因?yàn)榈陀诖藟毫r(shí)裝置能耗大幅度升高，高于此壓力時(shí)則不利于裝置高附收率的提高。

表2 GB-201一段吸入壓力與高附收率及能耗關(guān)系

3.4.2 降低分離過程高附產(chǎn)品損失

1）降低丙烯回收塔塔釜丙烯損失

由于裂解新區(qū)急冷水塔DA-1103急冷水溫度低，裝置負(fù)荷高，導(dǎo)致DA-1406負(fù)荷高，塔釜加熱不足，塔釜丙烯損失大，嚴(yán)重影響了乙烯裝置丙烯收率，同時(shí)塔釜損失的丙烯進(jìn)入循環(huán)丙烷系統(tǒng)后將降低裂解爐運(yùn)行周期，同時(shí)導(dǎo)致分離成本增加。針對(duì)此情況，丙烯回收塔DA-1406進(jìn)行了如下調(diào)整：①降低DA-1406塔壓至1.65 MPa；②控制回流量在60 t/h以下；③增開GA-1406，提高塔頂采出量；④控制好DA-406/456回流及加熱，降低DA-1406塔進(jìn)料負(fù)荷；⑤及時(shí)提高急冷水水溫等。通過以上措施，顯著降低了塔釜丙烯損失，如圖11所示。截至2017年11月，通過優(yōu)化操作，同比減少丙烯損失約4 650 t。

2）降低乙烯精餾塔塔釜乙烯和丙烯損失

由于高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)丙烯制冷壓縮機(jī)GB-501/551負(fù)荷大，冷劑冷量不足，導(dǎo)致脫乙烷塔DA-401/451塔頂冷凝效果差，塔頂溫度高，造成大量的丙烯通過碳二加氫反應(yīng)器后進(jìn)入到乙烯精餾塔DA-402/452塔中，丙烯帶入乙烯精餾塔后，在塔釜沉積，一方面造成塔釜循環(huán)乙烷中丙烯損失大，另一方面造成塔釜再沸器加熱效果變差，造成乙烯損失大。針對(duì)此情況，采取了以下措施：①平衡GB-501/551負(fù)荷，降低丙烯制冷壓縮機(jī)一段入口壓力至30 kPa左右；②降低DA-401/451塔靈敏板溫度至25℃。截至2017年11月，比2016年減少乙烯損失約770 t，丙烯損失減少約2 580 t。優(yōu)化調(diào)整前后乙烯精餾塔塔釜乙烯/丙烯損失與脫乙烷塔溫度變化見圖12。

圖11 DA-1406塔釜丙烯含量

3）其他優(yōu)化調(diào)整

為了降低脫丁烷塔DA-405/455塔釜裂解汽油中的碳四含量，提高裂解碳四收率，對(duì)脫丁烷塔系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化操作：①降低DA-405塔塔壓至0.37 MPa，DA-455塔塔壓至0.39 MPa；②提高脫丁烷塔塔釜靈敏板溫度至108℃；③投用DA-430塔等操作，顯著降低了裂解汽油中的碳四含量。

圖12 乙烯精餾塔塔釜乙烯/丙烯含量與脫乙烷塔塔頂溫度

為降低凝液汽提塔塔釜的乙烯損失，對(duì)新區(qū)凝液汽提塔進(jìn)行了檢修，清除了塔盤降液管堵塞，使凝液汽提塔塔釜乙烯損失由2 000 μg/g以上降低為30 μg/g以下。

4 結(jié)論

通過原料結(jié)構(gòu)調(diào)整、原料品質(zhì)優(yōu)化、裂解爐操作優(yōu)化、減少蒸汽消耗、提高高附產(chǎn)品收率等措施，2017—2018年乙烯裝置高附收率、能耗不斷創(chuàng)造近年最佳水平，其中2017年9月實(shí)現(xiàn)乙烯能耗551.58 kgEO/t，高附能耗實(shí)現(xiàn)294 kgEO/t，均創(chuàng)5年內(nèi)最佳水平，2018年實(shí)現(xiàn)累計(jì)高附加值產(chǎn)品收率61.958%，創(chuàng)造歷史新高。

八面來風(fēng)

用餐飲廢油生產(chǎn)生物航煤新技術(shù)

日本Euglena公司2018年10月在日本橫濱建成了日本第一套生產(chǎn)可再生航煤和柴油的示范裝置。投資580萬美元的這套中型裝置建在公司橫濱的試驗(yàn)中心，產(chǎn)能為5桶/日（約合12.5萬升/年），采用生物燃料異構(gòu)轉(zhuǎn)化工藝（BIC）。Euglena公司預(yù)計(jì)，今年夏季就將供應(yīng)新一代可再生柴油，2020年實(shí)現(xiàn)可再生航煤的商業(yè)飛行。這個(gè)項(xiàng)目是Euglena公司與橫濱市、千代田公司、伊藤忠Enex公司、五十鈴汽車公司、ANA控股公司和促進(jìn)政府、科學(xué)界和汽車工業(yè)合作廣島協(xié)會(huì)合作進(jìn)行。示范裝置今年春季開始滿負(fù)荷運(yùn)行，用裸藻、微藻和廢餐飲油作原料。