鄒 鋮

(中國石化廣州分公司，廣東廣州 510726)

某石化公司乙烯裝置采用Stone & Webster公司順序分離后加氫技術(shù)，原設(shè)計年產(chǎn)聚合級乙烯130 kt。2003年2月乙烯裝置進(jìn)行了擴能改造，乙烯生產(chǎn)能力增加到200 kt/a。裝置主要采用石腦油、輕石腦油、加氫尾油、丙丁烷作為裂解原料，循環(huán)乙烷、丙烷作為裂解爐循環(huán)原料。設(shè)置有6臺35 kt/a的USC-28型裂解爐和1臺40 kt/a的國產(chǎn)30U型裂解爐，生產(chǎn)聚合級乙烯、聚合級丙烯、氫氣、混合碳四、粗裂解汽油和裂解燃料油等產(chǎn)品。

近年來，隨著國內(nèi)環(huán)保排放管控指標(biāo)日益嚴(yán)格，乙烯裝置傳統(tǒng)開工過程中產(chǎn)生的大量火炬排放不僅造成物料損失，還會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響[1]，此外，開工期間火炬燃燒火焰較大，甚至發(fā)生不完全燃燒產(chǎn)生黑煙，還會對企業(yè)附近居民帶來視覺和噪聲污染，嚴(yán)重影響企業(yè)形象[2]。乙烯行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的低排放開工目標(biāo)主要體現(xiàn)在減少物料排放火炬和縮短開工時間2個方面。

1 國內(nèi)乙烯裝置主要開工減排技術(shù)

為了減少開工過程火炬排放和縮短開工時間，國內(nèi)乙烯裝置不斷嘗試各種低排放開工方法，取得較好的效果。例如，普遍采用的冷箱預(yù)冷開工，主要采用的介質(zhì)為氮氣[3-5]，預(yù)冷溫度從-80～-120 ℃不等，近年來，天然氣[6，7]因其性質(zhì)接近工藝介質(zhì)、預(yù)冷溫度較氮氣低、可以置換系統(tǒng)不凝氣等特點，逐漸被行業(yè)接受，預(yù)冷溫度降低至-140 ℃，另外，通過向天然氣中配入一定比例的氫氣、乙烯、丙烯等介質(zhì)[8]，可以使預(yù)冷效果更接近實際操作條件。分離系統(tǒng)通常采用倒開工的方式縮短各系統(tǒng)合格時間，除了普遍使用的乙烯和丙烯精餾塔提前全回流運行外，部分企業(yè)根據(jù)自身流程特點新增開工流程，將甲烷、乙烯、丙烯、碳四按一定比例配比后引入系統(tǒng)，可以將脫甲烷塔、脫乙烷塔、脫丙烷塔提前運行[9，10]。對于部分預(yù)冷條件不佳、采用后加氫工藝的乙烯裝置，在氫氣合格前可以通過外引氫氣對反應(yīng)器配氫，縮短乙烯、丙烯合格時間[11]。降低開工過程產(chǎn)品合格所需要的最低負(fù)荷是減少火炬排放最根本的措施，通過研究裂解氣壓縮機低負(fù)荷工況、冷箱、干燥器、反應(yīng)器最低流量，將開工負(fù)荷由70%～80%降至50%～70%[12，13]。此外，通過調(diào)整返回閥穩(wěn)定壓縮機運行也是低排放開工的重要基礎(chǔ)[14]?；厥崭飨到y(tǒng)在合格前的物料排放是減排的直接措施，目前對于擁有兩套或多套乙烯的企業(yè)，一般采取錯開開工技術(shù)[15]，對于煉化一體的企業(yè)，可以將排放物料回收至煉油瓦斯管網(wǎng)[16]，具備不合格物料存儲條件的企業(yè)，可以將不合格產(chǎn)品暫存，待正常運行后回?zé)抂17]。

2 乙烯裝置工藝流程及傳統(tǒng)開工過程、火炬排放點

2.1 乙烯裝置工藝流程簡介

乙烯裝置主要工藝流程見圖1。裂解原料在高溫低壓下的USC型管式裂解爐中裂解成裂解氣，經(jīng)過線性廢熱鍋爐回收高位能熱量，產(chǎn)生11 MPa蒸汽，再經(jīng)油急冷、水急冷系統(tǒng)回收中、低位能熱量后，分離出輕、重質(zhì)燃料油、粗裂解汽油及工藝水，其中工藝水經(jīng)除油后循環(huán)使用，用來發(fā)生稀釋蒸汽。裂解氣經(jīng)過四段壓縮式裂解氣壓縮機升壓至3.53 MPa，干燥后進(jìn)入采用預(yù)分氫技術(shù)的順序分離系統(tǒng)。碳二加氫采用后加氫的氣相加氫技術(shù)，脫甲烷系統(tǒng)采用高壓脫甲烷工藝。分離過程所需冷量由乙烯制冷壓縮機和丙烯制冷壓縮機機組成的復(fù)疊制冷系統(tǒng)提供。

圖1 乙烯裝置主要工藝流程示意

2.2 傳統(tǒng)開工過程

a) 急冷水塔引脫鹽水循環(huán)運行，所需熱量通過煮塔蒸汽線引入0.3 MPa蒸汽提供，當(dāng)系統(tǒng)升溫至70～80 ℃時，可為用戶提供熱工質(zhì)，丙烯精餾塔全回流運行。急冷油塔引調(diào)質(zhì)油建立液位后開泵循環(huán)運行，所需熱量通過稀釋蒸汽發(fā)生器與1.0 MPa蒸汽換熱獲得，當(dāng)中質(zhì)油溫度升至120 ℃后，脫丁烷塔全回流運行。

b) 當(dāng)丙烯制冷壓縮機和乙烯制冷壓縮機開機并調(diào)整穩(wěn)定后，部分冷劑換熱器建立液位，乙烯精餾塔、脫丙烷塔全回流運行。

c) 當(dāng)7臺裂解爐升溫至熱備狀態(tài)，產(chǎn)生的11 MPa蒸汽可供裂解氣壓縮機氮氣運行，穩(wěn)定后裂解爐具備投料條件。投第2臺爐后，裂解氣壓縮機開始接受裂解氣，壓縮機出口放火炬，投第3臺爐后，開始向分離送料，脫甲烷塔塔頂高壓甲烷放火炬，冷箱出口的氫氣和低壓甲烷放火炬。脫乙烷塔進(jìn)料后，碳二組分從碳二加氫出口放火炬。

d) 投第4臺爐后，當(dāng)脫甲烷塔頂溫度低于-80 ℃時，高壓甲烷并網(wǎng)，當(dāng)氫氣分離罐溫度低于-160 ℃后，甲烷化系統(tǒng)開工，低壓甲烷并網(wǎng)，甲烷化出口氫氣合格后，碳二加氫和碳三加氫反應(yīng)器開始配氫，合格后碳二組分停止排放火炬，進(jìn)入乙烯精餾塔，合格乙烯產(chǎn)品采出。

2.3 傳統(tǒng)開工主要火炬排放點

a) 裂解爐開始投料至分離進(jìn)料過程中，物料通過裂解氣壓縮機出口排放至火炬，該過程持續(xù)時間一般在4 h左右，排放量約為67 t。由于11 MPa蒸汽全部由裂解爐提供，為了使壓縮機正常升轉(zhuǎn)速并提高出口壓力，在分離進(jìn)料前，2臺裂解爐必須投料，因此，不可避免地導(dǎo)致部分物料通過壓縮機出口和凝液汽提塔釜排放火炬。

b) 分離進(jìn)料至高壓甲烷并網(wǎng)，脫甲烷塔塔頂高壓甲烷排放火炬約7 h，火炬排放量約為36 t。

c) 脫乙烷塔開始進(jìn)料至碳二加氫配氫合格，碳二組分通過碳二加氫出口放火炬約為10 h，排放量約為213.5 t。

d) 分離進(jìn)料至氫氣分離罐溫度合格，不合格氫氣和低壓甲烷均排放火炬，排放時間約為8 h，排放量分別約為33.5 t。

上述排放點排放量所占總排放量的比例見圖2。可以看出，碳二加氫合格前的不合格碳二排放占總排放量的60%以上，是減排工作的主要對象，其次是裂解氣壓縮機出口的裂解氣，高、低壓甲烷占比相對較少。

圖2 傳統(tǒng)開工過程主要火炬排放的物料比例

3 低排放開工策略研究

乙烯裝置沒有外供的11 MPa蒸汽，給開工過程中裂解氣壓縮機的穩(wěn)定運行帶來一定挑戰(zhàn)，但“大煉油、小乙烯”的配置，也給乙烯裝置開工期間回收物料至煉油瓦斯管網(wǎng)創(chuàng)造了條件。結(jié)合裝置特點，提出以下5項低排放策略。

3.1 前冷脫甲烷塔天然氣預(yù)冷

在裂解爐投料前，前冷脫甲烷塔與裂解氣壓縮機通過高壓甲烷、低壓甲烷、循環(huán)甲烷和氫氣線形成循環(huán)流程，氮氣預(yù)冷結(jié)束后改為天然氣預(yù)冷繼續(xù)使冷箱和脫甲烷塔降溫，天然氣預(yù)冷既節(jié)省了充壓時間，也可以預(yù)冷至更低的溫度，縮短脫甲烷塔和氫氣合格的時間。

3.2 分離系統(tǒng)提前運行

除傳統(tǒng)的乙烯精餾塔、丙烯精餾塔提前全回流外，以合適的物料配比引實物料至脫乙烷塔、脫丙烷塔和脫丁烷塔，使其提前全回流運行，減少合格時間，碳二加氫反應(yīng)器和甲烷化反應(yīng)器氮氣升溫備用，碳三加氫系統(tǒng)引液相丙烯循環(huán)運行。

3.3 裂解爐低負(fù)荷投料與裂解氣壓縮機穩(wěn)定運行

在整個開工過程，全部裂解爐熱備，多產(chǎn)10 MPa蒸汽，保證裂解氣透平進(jìn)汽、抽汽閥開度在合理范圍，壓縮機轉(zhuǎn)速能夠滿足分離進(jìn)料要求。根據(jù)裂解爐投料情況，及時調(diào)整壓縮機轉(zhuǎn)速和返回閥開度，返回閥盡量卡邊操作，既減少壓縮機負(fù)荷，又保證機組不發(fā)生喘振。裂解爐低負(fù)荷投料，確保不發(fā)生波動，避免急冷水塔放火炬。

3.4 回收排放物料

投用物料回收系統(tǒng)，分別將裂解氣壓縮機出口物料、高壓甲烷物料、碳二加氫出口不合格乙烯物料和凝液汽提塔釜物料回收至煉油瓦斯管網(wǎng)，根據(jù)裂解爐運行情況，適當(dāng)提前將高壓甲烷和低壓甲烷并入燃料管網(wǎng)。

3.5 引外界氫氣開加氫反應(yīng)器

受預(yù)冷溫度限制，前冷氫氣合格時間一般較慢，提前引入外界氫氣，可以在脫乙烷塔和脫丙烷塔合格后立刻對加氫反應(yīng)器配氫，縮短產(chǎn)品合格時間。

4 低排放開工實踐和效果

4.1 低排放開工方案實施情況

4.1.1分離流程倒開

提前3 d丙烯精餾塔全回流運行。提前2 d丙烯制冷壓縮機開工，甲烷化反應(yīng)器氮氣升溫，脫乙烷塔塔釜引入液相丙烯，乙烯制冷壓縮機開工，脫丁烷塔引液相碳四；提前1 d乙烯精餾塔全回流運行，脫丙烷塔全回流運行，碳二加氫氮氣升溫，碳三加氫引丙烯循環(huán)，裂解氣壓縮機氮氣開工，脫乙烷塔塔頂通過回?zé)捑€引入乙烯，回流罐建立液位，脫乙烷塔全回流運行。

4.1.2天然氣預(yù)冷

裂解投料前14 h分離前冷系統(tǒng)從裂解氣壓縮

機入口引天然氣充壓，充壓至1.5 MPa后，打開冷箱出口循環(huán)甲烷線、高壓甲烷、低壓甲烷、氫氣線兩位閥，投用前冷3臺預(yù)冷器的丙烯冷劑，投料前12 h開始天然氣預(yù)冷。前10 h，裂解氣壓縮機轉(zhuǎn)速提高，出口壓力達(dá)到1.7 MPa，遇冷效果明顯提高，投用乙烯冷劑，脫甲烷塔回流泵氣相預(yù)冷。天然氣預(yù)冷各系統(tǒng)達(dá)到的最低溫度點與操作溫度對比見表1。

表1 投料前預(yù)冷溫度點與操作溫度對比 ℃

4.1.3投料至乙烯合格

2臺裂解爐投料后，裂解氣壓縮機出口物料回收至煉油高壓瓦斯管網(wǎng)，1 h后分離充壓，脫乙烷塔給碳二加氫充壓，投料后2 h分離進(jìn)料，1 h后，脫甲烷塔建立回流。投料后3 h 20 min高壓甲烷并網(wǎng)，脫甲烷塔頂溫度為-75 ℃，投料后5 h 10 min，第3臺爐投料，10 min后低壓甲烷并網(wǎng)；碳二加氫進(jìn)料，進(jìn)料量約10 t/h，投料約6 h后，碳二加氫引苯乙烯氫氣配氫，脫丙烷塔進(jìn)料開工；10 min后碳三加氫進(jìn)料，引苯乙烯氫氣配氫。投料約7 h后脫丁烷塔進(jìn)料開工。同時，碳二加氫合格進(jìn)乙烯精餾塔，乙烯產(chǎn)品合格，進(jìn)產(chǎn)品合格罐。1 h后，第4臺爐投料，投料后約9.5 h后，甲烷化進(jìn)料，1.5 h后甲烷化出口氫氣產(chǎn)品合格，氫氣切回自產(chǎn)氫氣。投料約12 h后，碳三進(jìn)丙烯精餾塔，2 h后，丙烯產(chǎn)品合格。

4.2 實施效果

4.2.1開工進(jìn)度對比分析

實施低排放開工后，開工時間較傳統(tǒng)開工大幅縮減，各主要節(jié)點均有所調(diào)整，具體進(jìn)度對比見圖3。

圖3 開工主要進(jìn)度對比

相較傳統(tǒng)開工，此次低排放開工有以下幾點區(qū)別：①高壓甲烷并網(wǎng)是在投2臺爐的情況下，時間上也比傳統(tǒng)開工提前了約7 h；②低壓甲烷并網(wǎng)是在投3臺爐的情況下，時間上比傳統(tǒng)開工提前了約6 h，減少火炬排放約27 t；③通過新增流程按比例將丙烯和乙烯引入脫乙烷塔，在投料前一天，脫乙烷塔全回流運轉(zhuǎn)。脫乙烷塔進(jìn)料后，1 h內(nèi)脫乙烷塔合格，開始碳二加氫配氫，開始配氫的時間比傳統(tǒng)開工提前了8 h；④碳二加氫引入苯乙烯氫氣低負(fù)荷提前配氫合格。將苯乙烯氫氣中CO含量控制在3 μmol/mol以內(nèi)，并提前引入氫氣罐，穩(wěn)定配氫時氫氣管網(wǎng)壓力。碳二加氫在裂解投3臺爐的情況下配氫合格，產(chǎn)出合格乙烯。

4.2.2減排效果

傳統(tǒng)開工火炬排放量約為350 t，而低排放開工火炬排放量僅為11 t，火炬排放量大幅減少，此外，從圖4可以看出，由于開工各階段排放峰值的全面降低，更利于火炬氣通過氣柜緩沖，在合適的消煙蒸汽注入下，火炬基本消滅黑煙。

圖4 開工火炬排放量對比

5 結(jié)語

低排放開工期間，共排放火炬11 t，較傳統(tǒng)開工排放總量350 t，減少96%。開工時間從15 h左右降低至7 h。整個開工過程時間短、火炬排放量大幅降低，基本實現(xiàn)了低排放的目標(biāo)。