乙烯裝置急冷系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化方法

辛江，張來勇，趙唯，隋蕾

（中國寰球工程有限公司，北京 100012）

乙烯技術(shù)包括裂解、急冷、壓縮、分離和產(chǎn)品精制等工藝，工藝復(fù)雜，溫度跨度大（-160～850℃），技術(shù)集成難，關(guān)鍵裝備制造難，技術(shù)壁壘高。中國寰球工程有限公司根據(jù)國家重要戰(zhàn)略需求，于2000 年左右開展乙烯成套技術(shù)開發(fā)工作，開發(fā)的百萬噸級大型乙烯成套技術(shù)于2012 年實現(xiàn)首套工業(yè)應(yīng)用，各項指標達國際先進水平。此后，為適應(yīng)原料多樣化、輕質(zhì)化的發(fā)展趨勢，又相繼開發(fā)出煤基原料裂解制乙烯成套技術(shù)和乙烷裂解制乙烯成套技術(shù)，形成從乙烷、輕烴、石腦油到柴油和原油等完整的、適應(yīng)不同復(fù)雜原料的系列乙烯成套技術(shù)。兩個乙烷制乙烯國家示范工程——蘭州石化長慶公司80萬噸/年乙烷制乙烯項目和獨山子石化公司塔里木60萬噸/年乙烷制乙烯項目于2021 年8 月相繼一次開車成功，裝置連續(xù)平穩(wěn)運行，并填補了國內(nèi)技術(shù)空白。

裂解原料的變化推動了乙烯技術(shù)的發(fā)展，由于急冷系統(tǒng)處于裂解爐和分離系統(tǒng)的銜接部位，要適應(yīng)不同原料的裂解氣，因此不同特色的急冷技術(shù)發(fā)展迅速。本文著重對乙烯急冷技術(shù)進展進行闡述，突出自主乙烯技術(shù)的急冷技術(shù)特點。

急冷系統(tǒng)主要由急冷油塔、急冷水塔、工藝水回收系統(tǒng)等組成，擔(dān)負著乙烯裂解氣初分餾功能，主要目的是實現(xiàn)油品預(yù)分餾、較低品位熱量回收以及循環(huán)回收工藝水。由于其處理的裂解氣組分復(fù)雜、操作條件要求高、長周期運行瓶頸多等特點，是乙烯裝置平穩(wěn)運行的關(guān)鍵單元。

裂解氣由氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁二烯，其余碳四、碳五、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、其余C～C等確切組分和C以上復(fù)雜組分構(gòu)成。C以上組分為汽油、柴油、燃料油等，為簡化一般采用虛擬組分進行替代，虛擬組分切割為裂解汽油（C-NBP 為205℃）、輕燃料油（NBP 為205～281℃）、重燃料油（NBP＞281℃）。急冷區(qū)的目的是將絕大部分汽油、全部燃料油切割下來。

由于裂解原料的差別，裂解氣進入急冷區(qū)的溫度存在較大差別。裂解過程是強吸熱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為830～870℃的氣相，為減少二次反應(yīng)和實現(xiàn)高品位熱量的利用，高溫裂解氣一般降溫到350～550℃。裂解氣經(jīng)過一急冷、二急冷或者三急冷回收熱量，具體配置因原料輕重不同而異。一般來說，裂解原料越重，裂解產(chǎn)物中重組分含量越多，對應(yīng)的露點溫度越高，通過急冷換熱器只能獲得較窄溫度范圍的熱量。根據(jù)裂解原料的不同，分為重質(zhì)液體原料、輕質(zhì)液體原料、氣體原料（乙烷、丙烷）的急冷流程。裂解產(chǎn)物中重組分含量不同，急冷油塔釜溫維持不同溫度。氣體原料的裂解產(chǎn)物中重組分非常少，裂解氣以氣相形式進入急冷區(qū)，僅設(shè)置急冷水塔，不設(shè)置急冷油塔，難點在于如何脫除夾帶的少量重組分和焦粉。不同急冷流程對比見表1。本文根據(jù)急冷系統(tǒng)的特點，分析不同流程技術(shù)應(yīng)注意的設(shè)置原則和優(yōu)化要點。

表1 不同急冷流程的差別對比

1 液體裂解原料急冷區(qū)技術(shù)要點

相比輕質(zhì)原料，重質(zhì)液體原料的急冷流程較為復(fù)雜，控制參數(shù)多，是目前乙烯裝置較為常見的流程。圖1所示為典型的重質(zhì)液體原料急冷流程，在急冷油塔中，裂解氣依次與急冷油、中油、汽油逆流接觸換熱而被冷卻，重燃料油（含焦粉）、輕燃料油被脫除，熱量被回收。塔頂餾出物是汽油及輕于汽油的餾分。系統(tǒng)設(shè)有兩個油循環(huán)回路，分別是急冷油循環(huán)和中油循環(huán)，二者溫位不同，目的是最大限度地回收熱量。急冷油和中油是裂解氣中重餾分油和中間餾分油冷凝、分離而成的。

圖1 典型的重質(zhì)液體原料急冷系統(tǒng)示意圖

急冷油塔塔底為重燃料油和焦粒的混合物，稱為急冷油，其一部分作為回流，另一部分作為裂解爐急冷器的急冷介質(zhì)。急冷油循環(huán)中積累的多余重餾分油在黏度控制塔處理后作為重燃料油，其與來自中油段累積的輕燃料油合并為燃料油產(chǎn)品輸送至裝置界區(qū)外，通常調(diào)整兩者的采出量控制急冷油的黏度。焦粒通過濾器被除去。

來自急冷油塔的裂解氣在急冷水塔中依次與一級急冷水和二級急冷水逆流接觸換熱被冷卻，冷卻后的裂解氣進入裂解氣壓縮機一段吸入罐。冷凝下來的稀釋蒸汽和裂解汽油組分進入油水分離器，分離出的大量急冷水進入急冷水循環(huán)系統(tǒng)，只有少量急冷水作為工藝水送去稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)；大量油相作為回流汽油返回急冷油塔塔頂，少量去汽油汽提塔。

1.1 熱量分配原則

通常裂解氣經(jīng)過一急冷后，初期溫度為400℃左右，在急冷區(qū)依次通過急冷油塔、急冷水塔，熱量得到回收，最終40℃左右的裂解氣進入壓縮單元。

急冷油塔頂溫控制在105℃左右，高于裂解氣水露點，因此400～105℃的裂解氣熱量在急冷油塔中回收。為實現(xiàn)熱量的高品位利用，急冷油塔設(shè)有急冷油循環(huán)和中油循環(huán)。通常將急冷油塔釜溫維持在200℃以上，急冷油循環(huán)實現(xiàn)200～180℃的熱量利用，此部分熱量優(yōu)先用于發(fā)生稀釋蒸汽。當裂解原料偏輕時，裂解氣中重組分含量偏低，急冷油塔釜溫難以維持高溫，通常補充富含重芳烴的調(diào)質(zhì)油以維持較高的急冷油溫度，此情況下油塔釜溫通常維持在較為經(jīng)濟的140～160℃。對于重質(zhì)原料裂解氣，為更好控制急冷油塔的溫度梯度，優(yōu)化熱量分配，通常設(shè)置中油循環(huán)段，回收裂解氣120～170℃的熱量。在計算急冷油塔時，在保證中油循環(huán)的熱量滿足主要再沸器和預(yù)熱器的最低要求后，應(yīng)盡量提高急冷油循環(huán)的撤熱量，通常急冷油的撤熱量是中油撤熱量的2～3倍。

急冷水塔進料含有裂解汽油、水和較輕的組分，急冷水塔的目的是將稀釋蒸汽和裂解汽油冷凝。被冷凝的稀釋蒸汽稱為工藝水，經(jīng)稀釋蒸汽發(fā)生器汽化后循環(huán)回裂解爐。為將廢熱盡可能利用，急冷水塔釜溫控制在80℃，以兩段循環(huán)形式實現(xiàn)廢熱梯級利用，減少循環(huán)冷卻水用量。在計算急冷水塔時，應(yīng)充分考慮裂解爐熱備工況對急冷水塔負荷的影響，急冷水循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有足夠的撤熱能力，為減少頂部循環(huán)所需的冷卻水用量，底部循環(huán)量一般為頂部循環(huán)量的3倍。急冷系統(tǒng)不同撤熱循環(huán)對比見表2。

表2 急冷系統(tǒng)各撤熱循環(huán)對比表

以100萬噸乙烯裝置為例，采用重質(zhì)原料和輕質(zhì)原料急冷區(qū)各循環(huán)系統(tǒng)的撤熱量如表3所示。由表3可知，采用重質(zhì)原料的乙烯裝置裂解氣在急冷區(qū)的撤熱量是采用輕質(zhì)原料的3倍以上，所以撤熱比例分配有較大不同，同時對后分離流程的取熱影響也較大。

表3 100萬噸乙烯裝置急冷系統(tǒng)各循環(huán)撤熱量對比表

1.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

在模擬計算時，應(yīng)以減少高品位熱量后移、減少重組分后移為控制點，急冷區(qū)兩塔體系相互關(guān)聯(lián)，尤以控制急冷油塔的頂溫最為關(guān)鍵，其控制效果是由急冷油循環(huán)和急冷水循環(huán)的撤熱量決定。

急冷油塔頂溫是設(shè)計和操作尤其關(guān)注的參數(shù)，此溫度是稀釋蒸汽、裂解汽油與輕燃料油實現(xiàn)分離的主要控制參數(shù)。急冷油塔的頂溫與塔頂壓力、塔頂裂解氣組成有關(guān)，應(yīng)重點控制裂解氣組成，避免輕燃料油過多進入頂部，并防止汽油組分進入燃料油中。通常調(diào)整裂解汽油回流量、輕燃料油采出量、中油撤熱量以達到控制目的。部分研究者也對急冷系統(tǒng)進行了靈敏度分析，考察了主要變量對急冷系統(tǒng)的影響。

三個控制變量相互影響，尤其以輕燃料油采出量最為關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)裂解氣中輕燃料油含量，合理確定采出量。為實現(xiàn)急冷油塔的操作穩(wěn)定性和可調(diào)整性，一般應(yīng)保證急冷油塔的回流量稍高，通常是塔頂裂解氣量的1/3左右。當裂解原料偏輕時，汽油組分含量下降，出現(xiàn)回流量不足，應(yīng)從汽油汽提塔或者下游汽油加氫裝置返回裂解汽油組分，實現(xiàn)裂解汽油組分的大循環(huán)，保證回流量。

1.3 輕質(zhì)化原料急冷區(qū)能量優(yōu)化

近年來，為提高煉化一體化的經(jīng)濟性，部分乙烯裝置的原料除考慮上游煉油裝置供來的石腦油、尾油及少量輕質(zhì)原料外，還盡量利用可得的液化石油氣（LPG）、乙烷、丙烷等輕質(zhì)原料，加大乙烯裝置輕質(zhì)原料比例，以提高乙烯收率，實現(xiàn)更好經(jīng)濟效益。有別于傳統(tǒng)重質(zhì)液體原料乙烯裝置，輕質(zhì)化原料對急冷區(qū)的熱量分配合理性提出了新要求。

某乙烯裝置裂解原料為混合石腦油、LPG、丙烷和乙烷，乙烯收率高達43%，燃料油在裂解氣中的質(zhì)量含量低于2%。基于裂解氣組分輕的特點，在裂解爐設(shè)計時，可實現(xiàn)裂解氣熱量的最大利用，液體爐的裂解氣溫度利用至240℃，氣體爐的裂解氣溫度利用至180℃，裂解氣均干式輸送至急冷油塔。

急冷油塔釜溫的確定是關(guān)鍵。典型輕質(zhì)原料的裂解氣組成中燃料油以上重組分（NBP＞205℃）質(zhì)量分數(shù)約為1.4%，相比重質(zhì)原料裂解氣重組分質(zhì)量分數(shù)4%明顯偏少，裂解氣的重組分留存在急冷油塔釜的難度加大，塔釜溫度難以維持180～200℃，已不具備產(chǎn)生170℃的稀釋蒸汽的能力。從急冷油的用戶溫位考慮，塔釜溫度保持在140～160℃范圍內(nèi)是合適的，此溫位急冷油可替代部分低壓蒸汽，也可用于發(fā)生110℃低低壓蒸汽。如圖2所示，采用輕質(zhì)化原料裂解的乙烯項目，其急冷油為汽油汽提塔再沸器提供熱量，剩余部分發(fā)生110℃的低低壓蒸汽為原料預(yù)熱，間接替換低壓蒸汽，并設(shè)置急冷油與急冷水的調(diào)溫換熱器平衡熱量。

圖2 某輕質(zhì)化原料乙烯裝置急冷油撤熱情況示意圖

2 氣體裂解原料急冷區(qū)技術(shù)要點

氣體裂解原料是指以乙烷、丙烷或者是乙烷和丙烷的混合物為主要組分的裂解原料。氣體原料的急冷區(qū)主要特征為僅設(shè)置急冷水塔，不設(shè)置急冷油塔，采用中壓蒸汽間接換熱發(fā)生稀釋蒸汽以滿足原料稀釋比要求，也可采用原料增濕塔使工藝水直接接觸過熱原料氣滿足稀釋比要求。不同于液體原料裂解氣，氣體原料的裂解氣組成較輕，其中乙烷裂解氣最輕，裂解產(chǎn)物中C以上重組分占比非常低，僅為0.7%左右。氣體原料的裂解氣可利用的溫位能低至175℃，裂解氣的撤熱不再是主要關(guān)注點。急冷區(qū)取消急冷油系統(tǒng)，僅通過設(shè)置急冷水循環(huán)回收余熱便可達到裂解氣熱量利用的目的。

裂解過程中所生成的焦粉、重質(zhì)油品等直接進入了急冷水塔，使得該塔組分較傳統(tǒng)液體原料乙烯裝置更復(fù)雜，焦粉、重質(zhì)油和水共存。因此如何保證急冷水、工藝水的水質(zhì)是氣體原料急冷區(qū)操作的關(guān)鍵。

下文以乙烷裂解的急冷流程為例，說明氣體原料急冷流程的技術(shù)特點，乙烷裂解急冷流程較為簡單，不設(shè)置急冷油塔，如圖3所示。為解決裂解氣的除焦問題，按照逐級除焦、分步凈化的原則，在流程中依次采用3種除焦措施。在裂解氣一級急冷器出口、二級急冷器入口的裂解氣總管上設(shè)置豎管捕焦器，在急冷水塔下部設(shè)置預(yù)飽和段，最后對工藝水采用“氣浮+聚結(jié)”組合凈化技術(shù)。

圖3 典型的乙烷裂解急冷系統(tǒng)示意圖

2.1 捕焦器實現(xiàn)焦粉的初步分離

利用“水靴”原理，在裂解氣輸送過程中，在水平管線下方設(shè)置一段類似于“水靴”的豎管，將大量焦粉收集，減少對下游急冷水系統(tǒng)影響；而收集的焦粉在裂解爐切出燒焦時，排入清焦罐，再經(jīng)排焦閥排放至焦渣收集池清理。

2.2 急冷水塔技術(shù)

裂解氣直接進入急冷水塔的下部預(yù)飽和段，采用飽和的熱水洗滌裂解氣，減少焦粉帶入急冷水中；設(shè)置篩板塔盤強化預(yù)飽和段的沖洗效果，減少焦粉進入急冷水系統(tǒng)。為保證預(yù)飽和段的洗滌效果，應(yīng)加大洗滌水的循環(huán)量。預(yù)飽和段的洗滌水進入油水分離器進行沉降分離，澄清后的洗滌水返回預(yù)飽和段，沉降后的焦油、焦粉和水的混合物進入焦油沉降罐，濃縮后的焦油焦粉最終進入焦渣過濾器過濾后外送。

洗滌后的裂解氣進入常規(guī)的急冷水塔中上部，經(jīng)過兩段水洗后，溫度降低到40℃以下進入裂解氣壓縮機。

2.3 “氣浮+聚結(jié)”的凈化技術(shù)

氣體原料急冷區(qū)由于缺少急冷油塔，僅通過急冷水塔難以有效去除裂解氣中的焦油和焦粉，導(dǎo)致工藝水中含有微量的焦油和焦粉，這些組分與水的密度相近，表面張力較小，工藝水的凈化難度加大，容易造成急冷水塔乳化，加劇稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕。

氣體原料的工藝水常規(guī)凈化處理方法為“過濾加聚結(jié)”及“氣浮加核桃殼過濾”。從實際運行情況看，過濾器和聚結(jié)器極易堵塞，頻繁切換過濾器，難以保證聚結(jié)器長周期運行，而且濾芯式過濾器和聚結(jié)器難以再生利用，頻繁更換，導(dǎo)致運行費用高；另一種常規(guī)的凈化處理方法為氣浮加核桃殼過濾，氣浮方法多用于廢水處理工藝，對焦油、焦粉有一定的處理效果。剩余的焦粉和焦油，需進一步通過核桃殼過濾器去除，核桃殼過濾器需設(shè)置多臺串聯(lián)操作，并且需反沖洗再生，占地和投資較大，運行費用高。

為了保證工藝水的凈化效果，開發(fā)了“氣浮+聚結(jié)”的凈化技術(shù)，見圖4。該技術(shù)通過油水分離器，將密度比水低的燃料油和比水重的焦油初步沉降分離，進入氣浮設(shè)備，將裂解氣通入工藝水中，以微小氣泡形式從水中析出，作為載體將急冷水中的焦油焦粉黏附在氣泡上，隨著氣泡一起上浮到水面實現(xiàn)分離。工藝水中大部分的焦粉和游離油經(jīng)氣浮設(shè)備脫除后，再經(jīng)過濾器和聚結(jié)器聚結(jié)分離出游離油，達到指標要求。本技術(shù)充分利用氣浮和聚結(jié)原理，實現(xiàn)工藝水水質(zhì)的梯級深度凈化，保證裝置長周期運行。

圖4 氣體裂解原料工藝水凈化流程示意圖

2.4 某乙烷制乙烯項目除焦運行情況

某乙烷制乙烯項目于2021 年開車，急冷區(qū)采用了上述三種除焦措施，實際運行情況良好。通過在裂解氣總管上設(shè)置短管捕焦器、急冷水塔下部設(shè)置預(yù)飽和段及“氣浮+過濾+聚結(jié)”的組合工藝起到了很好的除焦效果。

3 結(jié)語

由于裂解原料的變化，急冷區(qū)的工藝流程需針對性設(shè)計，以實現(xiàn)熱量利用的最大化。本文介紹了急冷技術(shù)在乙烯生產(chǎn)中的作用，以及不同原料急冷流程的設(shè)計技術(shù)要點和優(yōu)化方法。文章詳細分析了液體原料的急冷油塔撤熱原則和塔頂溫度控制原則，提出了主要控制和優(yōu)化要點，并給出實際案例。

隨著原料輕質(zhì)化，乙烷裂解的急冷流程受到關(guān)注，本文針對乙烷裂解氣的焦油、焦渣脫除，提出了三種技術(shù)方案，系統(tǒng)全面地解決了工藝水凈化問題，保證裝置長期穩(wěn)定運行。

未來，乙烯裝置急冷技術(shù)還有進一步優(yōu)化的空間，如可設(shè)置低溫?zé)峄厥障到y(tǒng)，回收60℃以下的急冷水熱量。減少冷卻水消耗、優(yōu)化急冷油除焦系統(tǒng)、降低急冷油黏度、避免急冷水乳化等問題都是值得持續(xù)研究的內(nèi)容，為乙烯行業(yè)進一步節(jié)能降耗、綠色低碳發(fā)展做出貢獻。