乙烯裝置增設甲烷氫壓縮機節能效果評價

雷偉偉 劉正明 史云偉 徐沛 殷新（四川石化有限責任公司）

四川石化煉化一體化項目乙烯裝置采用S&W工藝，原設計為8臺裂解爐，其中4臺重質爐，3臺輕質爐，1臺氣體爐，裝置于2014年3月投料。由于煉化一體化原料優化，導致乙烯裝置進料情況與原設計發生較大變化，實際加工情況為：1臺裂解爐用于裂解HTO原料，3臺裂解爐用于裂解混合石腦油，2臺裂解爐用于裂解LPG/C4/C5/新鮮丙烷及循環丙烷，1臺氣體爐用于裂解循環乙烷。由于加工原料變輕，導致實際產生的甲烷氫總量增加（比設計產量高出18%）[1]。此股甲烷氫的壓力較低，難以被送出利用，通常返回裂解氣壓縮機一段吸入罐。如此一來，造成乙烯裝置出現多處瓶頸（裂解氣壓縮機一段吸入量增大，裂解氣壓縮機功耗增加；冷區尾氣精餾塔回流罐滿液位，膨脹機振動上升；脫甲烷塔負荷增加，塔頂尾氣中乙烯損失超標等），嚴重制約乙烯裝置的投油負荷；同時，累積到一定程度之后需要放火炬燃燒，否則將影響裝置安全平穩運行。為了減少裝置的泄放量和提高乙烯裝置的投油負荷，通過將甲烷氫增壓后送至公司燃料氣管網，回收利用此股低壓甲烷氫作為煉化一體化燃料使用。

1 工藝流程

1.1 乙烯裝置流程

乙烯裝置由裂解、急冷、壓縮、分離、汽油加氫、廢堿氧化等工藝單元組成，原料通過裂解反應，在高溫、低烴分壓、短停留時間的條件下生產出從氫氣到碳十以上的各類產物[2]。乙烯裝置的主產品為乙烯、丙烯，并產生氫氣、甲烷、混合碳四、裂解汽油等副產品。裂解爐裂解產出的裂解氣，經過脫除重油、酸性氣體、水、炔烴等雜質后，由1臺裂解氣壓縮機加壓至3.85 MPa(A)后進入分離系統進行產品分離。分離系統主要采用精餾法和深冷分離法將混合裂解氣分離成滿足不同工藝要求的產品組份。分離系統可分為冷分和熱分兩個區域，冷分系統中，設置深冷分離系統，其目的主要是將裂解氣中的甲烷和氫氣在-162℃以下進行分離，產出95%(vt)以上純度的氫氣產品和高壓甲烷、低壓甲烷氫等產物。乙烯裝置流程見圖1。

圖1 乙烯裝置流程Fig.1 Flow diagram of ethylene unit

1.2 甲烷在冷分系統中的流向

裂解反應所產生的甲烷和氫氣，全部進入到冷分系統。冷分系統中，甲烷主要分布情況如下：脫甲烷塔頂氣相，占總甲烷量的48.5%(wt)；甲烷產品外供，占總甲烷量的1.3%(wt)；1#氫氣罐底部，占總甲烷量的39%(w)；2#氫氣罐底部，占總甲烷量的10.3%(w)；還有部分甲烷無法與氫氣產品徹底分離，帶入到氫氣產品中，這部分占總甲烷量的0.9%(w)。甲烷在冷分系統中的流向見圖2，直觀反應了甲烷在冷分系統中的流向，混合裂解氣進入冷分系統后逐級降溫，脫除碳三組份、碳二組份后進入深冷分離系統。SW公司在設計時，考慮到冷箱冷量的匹配問題，將2#氫氣罐底部分離出的壓力為0.167 MPa(A)的低壓甲烷氫全部循環回裂解氣壓縮機一段，經加壓至3.85 MPa(A)后逐級節流，產生制冷冷量。

圖2 甲烷在冷分系統中流向Fig.2 Flow direction of methane in the separation cold zone

裂解反應所產出的甲烷，除2#氫氣罐底部的甲烷氫和脫甲烷塔回流線采出的甲烷外送產品（極少量，每小時約300 kg）外，其余均可送出系統作為裂解爐的燃料氣使用，而2#氫氣罐底部甲烷氫返回裂解氣壓縮機段間后，經過加壓，和新鮮甲烷一起又循環回冷分系統。

2 存在問題

2.1 系統中循環甲烷量過大

自2014年開工以來，四川石化乙烯裝置原料經過數次優化，加之借助煉化一體化項目優勢，將輕烴回收裝置回收的碳二輕烴干氣、PX裝置異構化單元產的富乙烷氣、PX裝置歧化單元富產的歧化氣等并入乙烯裝置，使得乙烯裝置甲烷收率達到18%以上[3]。甲烷-氫氣分離在整個深冷分離系統中所占費用最大，所耗冷量很大，工藝又復雜，它的操作效果嚴重地影響產品的純度和以后的分離工序，所以是裂解氣分離的關鍵[4]。深冷系統冷量的來源主要有三個方面：一是甲烷經膨脹機做功進行等熵膨脹，提供冷量；二是甲烷經節流閥等焓節流提供冷量；三是制冷壓縮機通過冷劑提供冷量。SW之所以在設計時將2#氫氣罐底部甲烷氫返回裂解氣壓縮機加壓后節流制冷，是考慮到冷分系統冷量不足的問題，而對于甲烷收率過高持續在系統中循環的問題，存在一定的設計缺陷。

由于裝置生產的甲烷較設計量增多，在2#氫氣罐底部，有大量甲烷氫節流后循環返回裂解氣壓縮機一段吸入罐。裝置滿負荷生產時，這部分甲烷循環量達到9 000 kg/h，持續在裂解氣壓縮機至分離系統之間循環。該股甲烷氫壓力為0.167 MPa(A)，經裂解氣壓縮機加壓后壓力為3.85 MPa(A)，導致裂解氣壓縮機功耗增加。

2.2 甲烷積累

原設計中冷箱末端的2#氫氣罐底部低壓甲烷氫通過冷箱回收完冷量后返回裂解氣壓縮機一段吸入罐。投油負荷300 t/h工況下，冷分系統由于甲烷進料增加，尾氣精餾塔頂（3.4 MPa(A)，-113℃）回流罐長期處于滿罐狀態，極易觸發塔頂氣相至膨脹機的聯鎖電磁閥動作，對膨脹機的穩定運行帶來一定的安全隱患。脫甲烷塔出現超負荷120%以上運行（設計裕量為110%）的工況，塔頂甲烷尾氣中，乙烯損失達到1%以上，處于超標狀態，且由于該路甲烷尾氣中乙烯含量高，在-100℃、3.1 MPa(A)條件下，膨脹機振動值持續偏高，嚴重影響了系統的安全平穩運行。

為了保證產品質量合格、膨脹機、脫甲烷塔及HRS系統的穩定運行，每過一段時間，不得不將系統中積累的多余甲烷通過火炬系統進行排放燃燒，不符合我國“碳達峰碳中和”目標綠色低碳發展的方向[5]。甲烷作為一種極好的燃料，未加以利用而直接進行火炬燃燒，造成了極大的能源浪費。

2.3 甲烷收率過高

四川石化乙烯裝置設計投油負荷為300 t/h，但因甲烷收率過高，分離系統中各塔和冷箱系統均處于超負荷狀態，為保證裝置安全運行，不得不降低投油負荷，未改造前，乙烯裝置平均投油負荷為295 t/h，嚴重制約了乙烯裝置經濟效益的提升。

3 技術改造

3.1 流程改造

該項目改造主要涉及乙烯裝置中分離單元的低壓甲烷氫系統，改造內容為新增設1臺螺桿式甲烷氫壓縮機。通過將冷箱出口返回裂解氣壓縮機一段的低壓甲烷氫引至新增的甲烷氫壓縮機K-1430，將其從0.167 MPa(A)增壓至0.55 MPa(A)，增壓后的燃料氣并入全廠燃料氣管網。通過提升低壓甲烷氫的壓力，將該股甲烷氫回收至燃料氣管網，可以減少低壓甲烷氫在裝置內的循環，增加裝置的操作靈活性，節能降耗，消除乙烯裝置的高負荷瓶頸，為裝置繼續進行原料輕質化提供幫助。低壓甲烷氫流程改造見圖3。

圖3 低壓甲烷氫流程改造Fig.3 Process transformation of low pressure methane hydrogen

3.2 甲烷氫壓縮機管道施工及運行情況

新增甲烷氫壓縮機（K-1430）為螺桿壓縮機，該流程改造難點主要在新增管道與原有管道的碰頭上，涉及的管道有：火炬氣總管、甲烷氫返裂解氣壓縮機吸入罐管道、循環水管道、燃料氣總管、公用工程管道等。因帶壓開孔存在較大安全風險，所以未在裝置正常運行時進行改造，而是借大檢修物料倒空的時機，進行了設備的安裝及管線的開孔焊接工作。

壓縮機投入使用后，各項運行指標均優于設計值[6]。2018年8月1日該項目具備投用條件，在防喘振閥全開的情況下，啟動壓縮機，使物料全循環，通過逐漸關小返回壓縮的調節閥PICA14062和最小回流閥PICA14901，提高K-1430出口壓力，當壓力高于燃料氣管網壓力后，緩慢打開送管網手閥，保持管網壓力穩定。直到返回壓縮調節閥PICA14062全部關閉，將低壓甲烷氫全部送往燃料氣管網。K-1430投用后，機組運行平穩，燃料氣送出量達8.5 t/h，最高可達10 t/h。甲烷氫壓縮機運行狀態見表1。

表1 甲烷氫壓縮機運行狀態Tab.1 Operation state of methane hydrogen compressor

3.3 改造影響

正常運行時，要調整好壓縮機吸入壓力，既要防止壓縮比過高，造成壓縮機排出溫度高聯鎖，同時又要防止吸入壓力過高，冷箱物料節流制冷效果不好，影響冷箱溫度，造成氫氣產品純度下降。

裝置低負荷運行時，及時調整，將低壓甲烷氫返回裂解氣壓縮機，利用低壓甲烷氫物料的節流膨脹制冷作用，為冷箱提供高等級的冷量。

該機組設置有干氣密封系統、潤滑油系統、安全儀表系統等，增加了崗位操作難度。

受公司燃料氣管網總容量的影響，當甲烷氫壓縮機排出量過大時，會影響火炬崗位2臺水環式火炬氣回收壓縮機的運行情況，需要及時精確對甲烷氫壓縮機排氣量進行控制，避免造成火炬崗位的火炬氣回收壓縮機不上量。

4 節能減排效果評價

4.1 裂解氣壓縮機吸入量降低抽氣量增加

2018年8月1日下午17點14分，K1430運轉正常。返回裂解氣壓縮機一段吸入罐的低壓甲烷氫全部回收送燃料氣外管網。2018年8月1日投用甲烷氫壓縮機后裂解氣壓縮機運行狀態見圖4。裂解氣壓縮機一段排出量FI13001由332.074 t/h降低至323.638 t/h，段間返回量減少8.4 t/h。裂解氣壓縮機轉速SE13805由4 257 r/min降低至4 197 r/min，轉速降低60 r/min。

中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司的用SPYRO軟件對裂解氣壓縮機一段吸入組份進行模擬，計算了一段吸入壓力對乙烯裝置效益的影響[7]。當裂解氣壓縮機一段吸入氣體組份變輕，壓力會明顯上升，為保證裂解反應在低烴分壓下進行，必須提高裂解氣壓縮機轉速來降低一段吸入壓力，從而導致裂解氣壓縮機功耗增加，乙烯裝置能耗上升。因而，將冷分系統返至裂解氣壓縮機一段的甲烷經甲烷氫壓縮機加壓外送后，裂解氣壓縮機段間循環量明顯減少，可有效降低裝置能耗，增產高壓蒸汽。由圖4可看出，該壓縮機投用后，裂解氣壓縮機多抽出高壓蒸汽約7 t/h，即管網少接7 t/h的高壓蒸汽，折算為能耗節省6.16 kgoe/t乙烯。

圖4 投用甲烷氫壓縮機后裂解氣壓縮機運行狀態Fig.4 Operation state of cracking gas compressor after putting methane hydrogen compressor

4.2 回收甲烷氫減少火炬排放

甲烷氫壓縮機加壓并入燃料氣管網的甲烷氫量，在流程未改造前，需要通過火炬排放進行燃料，造成了優質燃料的浪費[8]。回收這部分甲烷氫并入燃料氣總管，可減少公司天然氣的接入量，同時減少重質燃料的燃燒，達到降低碳排放的目的。

4.3 乙烯裝置負荷提高

2018年8月底對K-1430進行了標定，標定期間7臺爐運行。投油負荷308 t/h，其中石腦油進料163.5 t/h，加氫尾油51 t/h，LPG 42.5 t/h，加氫碳四碳五39 t/h，歧化氣6 t/h，新鮮丙烷6 t/h。8#爐為循環乙烷/丙烷進料18 t/h，碳二輕烴5 t/h。甲烷氫壓縮機標定數據見表2。

由標定數據表2可看出，增設的甲烷氫壓縮機達到預期目的，乙烯裝置投油負荷可提高至308 t/h。2021年11月，為給裝置擴能改造提供可靠數據，四川石化乙烯裝置進行了一次為期24 h的大負荷標定，裝置投油負荷最高提至330 t/h，制約乙烯裝置負荷提升的甲烷收率過高問題最終得以消除。

表2 甲烷氫壓縮機標定數據Tab.2 Calibration data of methane hydrogen compressor

4.4 節能降耗分析

乙烯產量按設計負荷100%計算。單位乙烯能耗[9-10]按式（1）計算：

式中：ee為單位乙烯能耗，kgoe/t；E為乙烯裝置能耗，kgoe；Ge為合格乙烯產量，t。

甲烷氫壓縮機綜合能耗見表3。通過甲烷氫壓縮機K-1430回收放火炬的低壓甲烷氫作為公司燃料，可節省乙烯裝置能耗6.95 kgoe/t乙烯。

表3 甲烷氫壓縮機綜合能耗Tab.3 Comprehensive energy consumption of methane hydrogen compressor

冷分系統返回裂解氣壓縮機一段的甲烷量減少，裂解氣壓縮機功耗降低，做功用的超高蒸汽量減少，可通過透平抽氣多抽出7 t/h的高壓蒸汽，折算節省乙烯裝置能耗為6.16 kgoe/t乙烯[10]。

綜合以上兩項，該壓縮機的投用，可降低乙烯裝置能耗為13.11 kgoe/t乙烯。

5 結論

四川石化煉化一體化項目乙烯裝置通過增設1臺螺桿式甲烷氫壓縮機，對低壓甲烷氫進行流程改造，達到如下效果：

1）低壓甲烷氫流程改造，解決了乙烯裝置負荷無法提高的瓶頸問題，投油負荷由300 t/h提高至310 t/h，產生邊際效益5 000元/h，為裝置擴能改造提供了先決條件。

2）低壓甲烷氫流程改造，解決了乙烯裝置低壓甲烷氫排火炬的問題，保證了裝置安全、環保運行，回收大量甲烷作為燃料氣，提高經濟效益14 140元/h，減少公司燃料氣系統對天然氣的依賴量，降低重質燃料使用量，為減少CO2排放做出貢獻。

3）通過改造，壓縮工段裂解氣氣相干燥器和冷分系統脫甲烷塔，HRS系統，膨脹機系統超負荷運行風險得以消除，保證了設備安全平穩運行。

4）低壓甲烷氫流程改造，促進了乙烯裝置節能降耗，降低乙烯裝置能耗約13.11 kgoe/t乙烯。