穩定系統中不凝氣回收利用技術研究

陳繼珍

(中海石油葫蘆島精細化工有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

穩定系統[1]是常壓蒸餾裝置的一部分，是常壓蒸餾裝置輕烴回收的主要裝置，它通過精餾原理回收初餾塔頂拔頭油和三頂油氣中的C3和C4組分。穩定系統的輕烴回收功能用于處理海上終端輕質凝析油，從輕質凝析油中拔出液化石油氣，提高凝析油的飽和蒸氣壓，形成獨立的運行模式。

1 穩定系統生產現狀

穩定系統由穩定塔(T-1)、塔頂冷卻器(E-1A/B)、塔底再沸器(E-2)、穩底冷卻器(E-3A/B)、進料換熱器(E-4、E-5A/B)、供料泵(P-1)、回流罐(D-2)、回流泵(P-2)及工藝管線組成，工藝流程見圖1。

圖1 穩定系統工藝流程圖

穩定塔是穩定系統的核心，塔徑為 Ф600 mm，全塔采用4段ZUPAK3.0規整填料。凝析油通過供料泵加壓至 0.9 MPa，經過換熱器E-4和E-5A/B后溫度提升至 110 ℃，進入穩定塔中部第二層填料上方。在塔內氣液相經過傳質傳熱，輕組分逐漸汽化至塔頂，塔頂氣相經過小于 30 ℃ 冷卻溫度的進入回流罐，然后經過回流泵一部分返回至塔頂，另一部分作為液化石油氣產品輸送至產品罐；重組分逐漸冷凝至塔底，一部分進入塔底再沸器加熱至 130 ℃，氣相返回至塔底部，另外一部分作為穩底油產品，經冷卻溫度降至 30 ℃ 以下自壓至產品罐。穩定系統熱源由2臺蒸汽鍋爐產生的蒸汽提供，蒸汽壓力 0.9 MPa，溫度 160 ℃；系統冷源由循環水系統供應。

穩定系統在100%負荷狀態下，加工海上終端凝析油穩定塔頂將產生 140 m3/d 的不凝氣，占凝析油加工量的2.3‰，此油氣組分見表1。通常情況這部分油氣引入常壓加熱爐進行焚燒處理，但穩定系統獨立運行時常壓系統處于停用狀態，常壓爐并未啟用，常壓爐無法回收利用此氣體。按照《大氣污染防止法》及《石油化學工業污染物排放標準》GB31571-2015等規定，不凝氣不可直接排放至大氣。公司目前未設置有火炬系統，故不能采用火炬焚燒的方式處理此氣體。若不能解決不凝氣的外排問題，穩定塔運行過程中塔壓持續升高，操作參數偏離工藝指標，使穩定塔無法正常運轉，同時存在系統超壓，安全閥起跳，甚至發生泄漏爆炸事故。

表1 穩定塔頂不凝氣組分表

蒸汽鍋爐為臥式內燃雙回程燃氣鍋爐，鍋爐型號WNS2-1.25-Y(Q)、設計出力 2 t/h、設計壓力 1.25 MPa、設計溫度 194 ℃，鍋爐產生的蒸汽通過管輸至穩定系統塔底再沸器和進料換熱器，換熱后蒸汽變成凝結水循環回至蒸汽鍋爐。

鍋爐燃燒器為德國威索燃氣燃燒器，此燃燒器可使用液化氣和天然氣兩種燃料。目前采用天然氣作為燃料，天然氣組成見表2。

表2 天然氣組成

鍋爐運行過程中根據蒸汽壓力，燃燒器自動啟停并自動調節大小火負荷，大火燃燒耗氣量 166.5 m3/h，小火燃燒為 80.2 m3/h，鍋爐日消耗天燃氣 1827 m3/d。

2 方案研究

根據以上生產現狀，穩定系統若要正常運行，必須要解決不凝氣的去向問題。在沒有儲氣設備的情況下，處理不凝氣唯一的辦法就是焚燒變成可排放的二氧化碳和水。方案一：新建火炬系統，不凝氣排放到火炬焚燒；方案二：將不凝氣回收排放至蒸汽鍋爐燃氣管網，不凝氣和天然氣混合后在鍋爐燃燒器燃燒，回收利用不凝氣燃燒熱能給蒸汽加熱。

新建火炬方案需要滿足安全距離要求。按照《石油化工企業設計防火標準》5.5.21規定，“距火炬筒 30 m 范圍內，不應設置可燃氣體放空”。廠區呈正方形，中心布局為主生產裝置，裝置周邊以東為油品收發臺，且緊鄰公路和消防大隊，以南為辦公生活區，以西是壓縮天然氣站，以北為油品罐區，設施間布局緊湊，在廠區內沒有合適的火炬布置位置，故方案一無法實現。

方案二從系統原理、工藝流程、設備設施性能方面均滿足要求，但是存在以下問題：1)不凝氣和天然氣管網屬于不同的壓力等級，并入燃氣管線存在超壓的風險，超壓后容易造成安全事故；2)燃料組成的變化，必將導致燃氣熱值和化學需氧量的不同，燃燒器能否滿足要求須對燃料進行分析。

問題1：(天然氣流程見圖2)。天然氣管網設計從廠區鍋爐房邊界處入廠，經過減壓后，壓力降至 0.2 MPa，支流到鍋爐房和生產區加熱爐。穩定系統不凝氣壓力為 0.9 MPa，在生產區與天然氣主管線并網，和天然氣混合后進入加熱爐燃燒。后期技術革新過程中不凝氣引入油氣回收系統，經油氣回收系統穩壓后，通過管線輸送至加熱爐，新增1個加熱爐火嘴用于不凝氣單獨燃燒。但是后期改造過程中保留了不凝氣至天然氣主管線的原設計流程，這樣為不凝氣進入天然氣管網創造了有利條件。

圖2 天然氣管網流程示意圖

從本質安全角度考慮，防止因燃氣使用終端停用造成燃氣管網超壓，減壓撬自動切斷的情況發生，不凝氣至燃氣主管網須加裝減壓閥，排放壓力從 0.9 MPa 降至天然氣操作管網壓力 0.2 MPa。

問題2：查詢燃燒器相關設計參數[2]，通過查詢此燃燒器可使用天然氣、液化氣和城市煤氣3種燃料，但不同的燃料燃燒器的功率和需氧量區別很大。不凝氣通過組分表分析其主要組成為乙烷、丙烷和丁烷。利用Aspen軟件對燃氣混合組分熱值進行計算，結果見圖3和表3。

圖3 Aspen模擬流程圖

表3 不同燃氣模擬結果

在標況下，天然氣的高位熱值是 39.67 MJ/m3，不凝氣的高位熱值達到 92.81 MJ/m3。如果直接使用不凝氣作為鍋爐的燃料，鍋爐熱負荷將增加2倍，不凝氣的需氧量是天然氣的2倍，這種情況極易發生閃爆事故。根據兩鍋爐正常用氣量和不凝氣正常排放量的混合比例(體積比)76.1∶5.8再次進行軟件模擬計算。通過計算得到混合氣的高位熱值為 42.05 MJ/m3，與天然氣熱值相當。根據熱值推斷出混合氣需氧量略高于天然氣，鍋爐正常操作煙氣氧含量3%～5%，在不做燃氣與空氣調配情況下可滿足要求。問題的關鍵就是保證鍋爐持續運行，這樣管道內的氣體始終處于均勻混合態。

3 改造實施及效果測試

根據燃氣性質和工藝指標，選擇RT2-12/25G型燃氣調壓閥作為高壓不凝氣與天然氣管網的銜接。減壓閥安裝采用現場管線局部拆除，送至安全動火區域預制安裝的辦法。閥門安裝后經測試閥前壓力0.7～0.9 MPa,閥后壓力平穩維持在0.19～0.21 MPa。

計算混合氣流量：由日常生產數據可知天然氣流量 1827 m3/d，高位熱值 39.67 MJ/m3；混合氣高位熱值 42.05 MJ/m3；鍋爐熱效率0.92。

根據計算數據和鍋爐日常操作經驗，調整鍋爐大小火燃氣用量:大火用氣量須滿足大于 71.8 m3/h，小火用氣量須滿足小于 71.8 m3/h 的要求，初步確定大火用氣量為 110 m3/h，小火用氣量為 50 m3/h，并根據確定值對燃氣器進行調整。在鍋爐燃氣器調整完成后進行點火測試，測試過程中進行微調，最終燃氣量為大火 116.5 m3/h，小火 56.6 m3/h。鍋爐開始不停爐持續燃燒運行，運行過程中根據蒸汽壓力自動調整大小火，燃氣情況正常。

在后期操作中，為保證安全，操作規定若鍋爐熄火停運，必須馬上將不凝氣切除，待鍋爐運行正常后方可改入鍋爐燃料管網。

4 結論

此次不凝氣回收利用技術研究和技術革新改造，通過對比分析不凝氣、工藝流程、設備性能等，提出將穩定系統不凝氣回收至蒸汽鍋爐的方案。對方案實施的具體步驟進行工藝核算，對工藝管線上設備進行技術改造，根據燃料情況對燃燒器進行調整，并作出相應的操作規定。在多角度、全方位技術保障下，改造后的燃氣系統順利投用，使穩定系統生產正常進行，解決了制約生產的技術瓶頸。