燕山乙烯裝置急冷水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整

彭冠宇，劉鋒，張海泉，余仁杰，王勇

（中國石化燕山分公司，北京102200）

中國石化燕山分公司乙烯裝置（以下簡稱燕山乙烯）為我國首套由國外引進，產(chǎn)能30萬t/a。該裝置采用魯姆斯（Lummus）順序分離工藝，經(jīng)過兩次大規(guī)模擴能改造，設計乙烯產(chǎn)能達到80萬t/a，形成了“兩頭一尾”的格局，老區(qū)與新區(qū)分別擁有一套裂解爐、急冷、壓縮系統(tǒng)，裂解氣加壓至3.61 MPa后匯合進入分離單元進行深冷分離。裂解單元急冷水系統(tǒng)處于老區(qū)裂解爐區(qū)和壓縮工序之間，作為裂解氣預分餾裝置的一部分，能夠冷卻裂解氣，回收低位熱能，同時分離出裂解氣中的絕大部分水和汽油，其運行狀況對壓縮系統(tǒng)、稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)以及汽油分餾塔熱負荷分布等有重要影響[1]。

1 急冷水系統(tǒng)

1.1 工藝流程

裂解老區(qū)急冷水系統(tǒng)的主要任務是通過兩段急冷水循環(huán)將汽油分餾塔送來的裂解氣進一步降溫，同時將稀釋蒸汽冷凝，進行循環(huán)使用，多余部分用于發(fā)生稀釋蒸汽或排污。冷卻的裂解氣輸送至后系統(tǒng)升壓后再逐步進行分離。從裂解氣中冷凝下來的水和裂解汽油在塔釜通過自然沉降進行油水分離。汽油槽內(nèi)的裂解汽油經(jīng)汽油循環(huán)泵送至汽油分餾塔作回流，部分作為重汽油產(chǎn)品送出界區(qū)；塔釜熱的急冷水大部分用于裂解原料預熱及冷區(qū)部分分離塔再沸器的熱源，再通過冷卻水換熱器進一步冷卻返回急冷水塔。少部分急冷水經(jīng)過加料泵（GA-106A/B/C）加壓輸送至工藝水汽提塔塔，經(jīng)過汽提后的工藝水送入稀釋蒸汽發(fā)生器汽包，產(chǎn)生稀釋蒸汽。工藝流程見圖1。

1.2 存在問題

1）原料輕質(zhì)化后急冷水系統(tǒng)偏離設計工況

近年來，隨著乙烯裝置原料結(jié)構(gòu)的調(diào)整，原料品質(zhì)逐漸趨向于輕質(zhì)化，輕石腦油、氣體原料的占比越來越高，因此裂解氣中輕組分收率增加，攜帶熱量進入后系統(tǒng)，使急冷系統(tǒng)的熱負荷后移，偏離原始設計工況，給操作帶來較大困難。

2）急冷水乳化趨勢明顯

急冷水乳化是指急冷水呈乳白色，在急冷水塔DA-103內(nèi)油水混合不能分層。引起急冷水乳化的原因主要有急冷油塔塔頂溫度過高、急冷水pH值過高、急冷水塔回流溫度過高、重油進入急冷水系統(tǒng)等。2017年11月14日，DA-103曾出現(xiàn)玻璃板內(nèi)油水界面消失的情況，通過及時補入新鮮水，界面得到暫時恢復。

輕度的乳化會造成汽油帶水、工藝水帶油而使急冷系統(tǒng)大面積紊亂，如果引發(fā)稀釋蒸汽帶油較多還會影響裂解爐的燒焦進程，同時也會對急冷水用戶的加熱能力造成影響。重度的急冷水乳化將造成外排水嚴重超標甚至裝置被迫大面積停車的生產(chǎn)事故。

圖1 燕山乙烯裝置急冷水系統(tǒng)流程

2 技術(shù)分析與解決措施

2.1 維持汽油分餾塔回流量

根據(jù)SPYRO模擬結(jié)果，急冷重質(zhì)裂解汽油組分收率隨原料變化相差較大，裂解NAP、LNAP、LPG產(chǎn)生的C9含量分別為1.77%、0.36%、0.035%。因此，原料輕質(zhì)化后重汽油不僅產(chǎn)量明顯減少，而且由于分子量變小，C9重組分在急冷水塔中的冷凝量也減少，影響汽油分餾塔DA-101的汽油回流量。在DA-101回流量不足時，過多的重組分會隨塔頂裂解氣進入DA-103塔，增加了急冷水乳化的趨勢。2017年10月以來，DA-103塔汽油干點數(shù)據(jù)如圖2所示，均高于設計值205℃，是急冷水出現(xiàn)乳化的潛在原因之一。

為保證DA-101塔的回流量，尤其是在裝置低負荷運行過程中，裂解單元在DA-103塔汽油界面低時，從儲運廠油品車間返接重汽油到DA-103塔。當油品車間重汽油庫存較低時，會摻入部分碳八裝置抽余油（C8組分）送乙烯裝置。通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上海石化乙烯裝置返接汽油的位置為裂解汽油泵進口，再通過汽油分餾塔塔頂回流管線進入汽油分餾塔頂部，經(jīng)汽化后隨裂解氣進入到急冷水塔并冷凝下來，從而避免將汽油直接補入急冷水塔造成急冷水乳化的問題，該流程值得借鑒[4]。

圖2 DA-103汽油干點變化趨勢

2.2 急冷水換熱器流程優(yōu)化

急冷水塔塔頂溫度控制塔頂出口裂解氣的組成，通常控制在40℃以下。該溫度越低，帶入裂解氣壓縮機的水分及汽油餾分越少，裂解氣平均分子量越低，裂解氣壓縮機功耗越低，吸入量提高。塔頂溫度過高，塔頂裂解氣將夾帶過量水蒸氣和裂解重質(zhì)汽油，給壓縮系統(tǒng)操作帶來困難，并增加壓縮機內(nèi)部結(jié)垢的可能性，還為分離系統(tǒng)裂解氣干燥器增加負荷。

受急冷水泵GA-104輸送能力的限制，DA-103塔急冷水循環(huán)量在高負荷時沒有太多提升空間。因此，控制DA-103塔頂回流急冷水的溫度是控制頂溫的有效手段。裂解單元急冷水循環(huán)原有流程為：從1#丙烯精餾塔DA-406的再沸器EA-424A/B/C和2#丙烯精餾塔DA-456的再沸器EA-474A/B等急冷水用戶返回的急冷水充分混合后，分別進入EA-130A/B/C/D/E和EA-131B使用二次水（IW）冷卻，其中，EA-131A/B經(jīng)過流程改造后，與EA-151A/B串聯(lián)，急冷水在EA-151A/B內(nèi)用冷卻水（SW）進一步冷卻。由于各用戶急冷水側(cè)的壓降不同，因此可能出現(xiàn)競爭關系，并且EA-151A/B的冷卻能力不能充分發(fā)揮。

為解決該問題，對急冷水冷卻流程進行了變更，如圖3所示，開啟B閥，關閉A閥及C閥，EA-424A/B/C等急冷水用戶返回的急冷水經(jīng)EA-130A/B流向EA-151A/B后，送DA-103塔回流。EA-474A/B等急冷水用戶返回的急冷水送入EA-130D/E及EA-131B，冷卻后送DA-103塔回流。變更后，DA-103塔頂溫度明顯降低，由37℃將至33℃。流程切換過程中，為避免DA-406與DA-456兩個大的急冷水用戶局部聯(lián)鎖停車對急冷水系統(tǒng)造成沖擊，特制定了相應的應急預案。

為驗證流程變更后各換熱器的熱負荷分布，及時發(fā)現(xiàn)偏流等非理想工況，使用超聲波測量冷卻水和急冷水的流速，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)測量結(jié)果，并聯(lián)的換熱器組合，包括EA-130A/B，EA-130E/D，EA-151A/B，急冷水側(cè)流量基本一致，未出現(xiàn)明顯偏流。在下一步的工作中，為保障急冷水各換熱器的換熱效果良好，建立急冷水換熱器臺賬，及時判斷換熱器的換熱器效果，對換熱效果變差的換熱器，及時切出清焦，以保障急冷熱量能得到有效回收，防止熱量在急冷水塔內(nèi)積累，造成急冷水溫度過高。同時，由于EA-130A/B出口的急冷水在EA-151B入口前出現(xiàn)了逆流，即部分急冷水流向FIC-125，未能進入EA-151B充分冷卻，若能將該管段進行封堵，可以進一步提高DA-103塔頂、塔釜溫度的操作彈性。

2.3 急冷水pH值的控制

圖3 急冷水冷卻系統(tǒng)變更后流程

影響急冷水pH值的主要因素有裂解原料中酸性物質(zhì)含量、裂解過程中有機硫的注入量、裂解過程中生成的酸性氣體量、急冷系統(tǒng)中注入的NaOH堿液量等[2]。

表1 各急冷水冷卻器負荷分布情況

原料中攜帶的硫化物和裂解過程中注入的DMDS（如：硫醇、硫醚、噻吩等）在高溫條件下可與氫或水蒸氣反應生成H2S和CO2：

裂解過程中爐管表面的焦炭與水蒸氣可以反應生成CO和CO2：

可以看出，伴隨裂解過程生成的酸性物質(zhì)與氣相裂解原料中的CO2隨裂解氣進入急冷水系統(tǒng)，最終溶解到急冷水中。酸性氣體溶解到急冷水中后形成的碳酸、亞硫酸、硫酸、H2S等酸液與注入到急冷水系統(tǒng)中的堿性藥劑（NaOH）直接影響著急冷水的酸堿度。

裝置原有的pH值控制方案為根據(jù)離線分析數(shù)據(jù)調(diào)整注堿量。由于不能及時掌握急冷水的pH值變化情況，注堿量調(diào)整相對滯后，造成pH值波動明顯，影響急冷水水質(zhì)。為探索優(yōu)化操作方案，將DA-103塔釜急冷水離線取樣點數(shù)據(jù)S-2110與在線pH計AI-2102對比，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，AI-2102的變化趨勢與S-2110一致，可以作為調(diào)整注堿量的參考標準。實施新的調(diào)整方案后，S-2110的pH值能夠穩(wěn)定在8.3，如圖5所示，超標次數(shù)明顯減少。

圖4 在線AI-2102與S-2110數(shù)據(jù)對比

圖5 調(diào)整方案實施前后急冷水pH值變化趨勢

2.4 破乳劑的使用

為盡快改善急冷水的乳化趨勢，選用某公司新型破乳劑，使用計量泵按照工藝水中破乳劑濃度保持2μg/g的標準，向急冷水中注入。配合pH值優(yōu)化調(diào)整方案，急冷水的乳化情況得到明顯緩解。對比調(diào)整前后所取的急冷水樣品可以看出，調(diào)整后，急冷水清澈透亮，無明顯帶油。

2.5 優(yōu)化調(diào)整對后系統(tǒng)的影響

采用調(diào)整汽油分餾塔回流量、優(yōu)化變更急冷水冷卻器流程、優(yōu)化急冷水pH值調(diào)節(jié)方法等措施后，急冷水系統(tǒng)的運行狀況得到顯著改善，汽油分餾塔DA-101、急冷水塔DA-103塔頂溫度得到控制，急冷水系統(tǒng)pH值趨于穩(wěn)定，急冷水乳化趨勢緩解。同時改善了乙烯裝置后系統(tǒng)的運行狀況。

如圖6所示，急冷水塔DA-103塔頂溫度降低后，冷卻和捕捉裂解氣中汽油和水的能力增強，隨裂解氣進入壓縮分離系統(tǒng)的汽油組分減少，從而減少了裂解氣壓縮機GB-201的負荷。

急冷水水質(zhì)改善后，急冷水中油含量減少，明顯增強其在丙烯精餾塔再沸器內(nèi)的傳熱能力。在滿足相同傳熱量的前提下，所需要的急冷水熱源的用量明顯減少。這不僅保證了丙烯精餾塔有更好的操作彈性，也降低了丙烯精餾塔所需要的急冷水的入口溫度，即降低了急冷水塔DA-103的塔釜溫度。

圖6 分離單元裂解汽油送出量變化

3 結(jié)論

在燕山乙烯裝置老區(qū)急冷水系統(tǒng)運行不平穩(wěn)，出現(xiàn)乳化的趨勢后，采取了向系統(tǒng)內(nèi)補入汽油維持汽油分餾塔回流量、優(yōu)化變更急冷水冷卻器流程、優(yōu)化急冷水pH值調(diào)節(jié)方案、注入破乳劑等措施，急冷系統(tǒng)的運行狀況得到顯著優(yōu)化，不僅抑制了急冷水的乳化趨勢，同時降低了分離壓縮系統(tǒng)的運行負荷，增強了裝置的操作彈性，為乙烯裝置的長周期滿負荷運行提供了保障。