雷偉偉 劉正明 史云偉 徐沛 殷新（四川石化有限責(zé)任公司）

四川石化煉化一體化項(xiàng)目乙烯裝置采用S&W工藝，原設(shè)計(jì)為8臺(tái)裂解爐，其中4臺(tái)重質(zhì)爐，3臺(tái)輕質(zhì)爐，1臺(tái)氣體爐，裝置于2014年3月投料。由于煉化一體化原料優(yōu)化，導(dǎo)致乙烯裝置進(jìn)料情況與原設(shè)計(jì)發(fā)生較大變化，實(shí)際加工情況為：1臺(tái)裂解爐用于裂解HTO原料，3臺(tái)裂解爐用于裂解混合石腦油，2臺(tái)裂解爐用于裂解LPG/C4/C5/新鮮丙烷及循環(huán)丙烷，1臺(tái)氣體爐用于裂解循環(huán)乙烷。由于加工原料變輕，導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)生的甲烷氫總量增加（比設(shè)計(jì)產(chǎn)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(jī)一段吸入罐。如此一來，造成乙烯裝置出現(xiàn)多處瓶頸（裂解氣壓縮機(jī)一段吸入量增大，裂解氣壓縮機(jī)功耗增加；冷區(qū)尾氣精餾塔回流罐滿液位，膨脹機(jī)振動(dòng)上升；脫甲烷塔負(fù)荷增加，塔頂尾氣中乙烯損失超標(biāo)等），嚴(yán)重制約乙烯裝置的投油負(fù)荷；同時(shí)，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(wěn)運(yùn)行。為了減少裝置的泄放量和提高乙烯裝置的投油負(fù)荷，通過將甲烷氫增壓后送至公司燃料氣管網(wǎng)，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(yīng)，在高溫、低烴分壓、短停留時(shí)間的條件下生產(chǎn)出從氫氣到碳十以上的各類產(chǎn)物[2]。乙烯裝置的主產(chǎn)品為乙烯、丙烯，并產(chǎn)生氫氣、甲烷、混合碳四、裂解汽油等副產(chǎn)品。裂解爐裂解產(chǎn)出的裂解氣，經(jīng)過脫除重油、酸性氣體、水、炔烴等雜質(zhì)后，由1臺(tái)裂解氣壓縮機(jī)加壓至3.85 MPa(A)后進(jìn)入分離系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品分離。分離系統(tǒng)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(chǎn)品組份。分離系統(tǒng)可分為冷分和熱分兩個(gè)區(qū)域，冷分系統(tǒng)中，設(shè)置深冷分離系統(tǒng)，其目的主要是將裂解氣中的甲烷和氫氣在-162℃以下進(jìn)行分離，產(chǎn)出95%(vt)以上純度的氫氣產(chǎn)品和高壓甲烷、低壓甲烷氫等產(chǎn)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(tǒng)中的流向

裂解反應(yīng)所產(chǎn)生的甲烷和氫氣，全部進(jìn)入到冷分系統(tǒng)。冷分系統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)品徹底分離，帶入到氫氣產(chǎn)品中，這部分占總甲烷量的0.9%(w)。甲烷在冷分系統(tǒng)中的流向見圖2，直觀反應(yīng)了甲烷在冷分系統(tǒng)中的流向，混合裂解氣進(jìn)入冷分系統(tǒng)后逐級(jí)降溫，脫除碳三組份、碳二組份后進(jìn)入深冷分離系統(tǒng)。SW公司在設(shè)計(jì)時(shí)，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(huán)回裂解氣壓縮機(jī)一段，經(jīng)加壓至3.85 MPa(A)后逐級(jí)節(jié)流，產(chǎn)生制冷冷量。

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

裂解反應(yīng)所產(chǎn)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(chǎn)品（極少量，每小時(shí)約300 kg）外，其余均可送出系統(tǒng)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(jī)段間后，經(jīng)過加壓，和新鮮甲烷一起又循環(huán)回冷分系統(tǒng)。

2 存在問題

2.1 系統(tǒng)中循環(huán)甲烷量過大

自2014年開工以來，四川石化乙烯裝置原料經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化，加之借助煉化一體化項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)，將輕烴回收裝置回收的碳二輕烴干氣、PX裝置異構(gòu)化單元產(chǎn)的富乙烷氣、PX裝置歧化單元富產(chǎn)的歧化氣等并入乙烯裝置，使得乙烯裝置甲烷收率達(dá)到18%以上[3]。甲烷-氫氣分離在整個(gè)深冷分離系統(tǒng)中所占費(fèi)用最大，所耗冷量很大，工藝又復(fù)雜，它的操作效果嚴(yán)重地影響產(chǎn)品的純度和以后的分離工序，所以是裂解氣分離的關(guān)鍵[4]。深冷系統(tǒng)冷量的來源主要有三個(gè)方面：一是甲烷經(jīng)膨脹機(jī)做功進(jìn)行等熵膨脹，提供冷量；二是甲烷經(jīng)節(jié)流閥等焓節(jié)流提供冷量；三是制冷壓縮機(jī)通過冷劑提供冷量。SW之所以在設(shè)計(jì)時(shí)將2#氫氣罐底部甲烷氫返回裂解氣壓縮機(jī)加壓后節(jié)流制冷，是考慮到冷分系統(tǒng)冷量不足的問題，而對(duì)于甲烷收率過高持續(xù)在系統(tǒng)中循環(huán)的問題，存在一定的設(shè)計(jì)缺陷。

由于裝置生產(chǎn)的甲烷較設(shè)計(jì)量增多，在2#氫氣罐底部，有大量甲烷氫節(jié)流后循環(huán)返回裂解氣壓縮機(jī)一段吸入罐。裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，這部分甲烷循環(huán)量達(dá)到9 000 kg/h，持續(xù)在裂解氣壓縮機(jī)至分離系統(tǒng)之間循環(huán)。該股甲烷氫壓力為0.167 MPa(A)，經(jīng)裂解氣壓縮機(jī)加壓后壓力為3.85 MPa(A)，導(dǎo)致裂解氣壓縮機(jī)功耗增加。

2.2 甲烷積累

原設(shè)計(jì)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(jī)一段吸入罐。投油負(fù)荷300 t/h工況下，冷分系統(tǒng)由于甲烷進(jìn)料增加，尾氣精餾塔頂（3.4 MPa(A)，-113℃）回流罐長(zhǎng)期處于滿罐狀態(tài)，極易觸發(fā)塔頂氣相至膨脹機(jī)的聯(lián)鎖電磁閥動(dòng)作，對(duì)膨脹機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的安全隱患。脫甲烷塔出現(xiàn)超負(fù)荷120%以上運(yùn)行（設(shè)計(jì)裕量為110%）的工況，塔頂甲烷尾氣中，乙烯損失達(dá)到1%以上，處于超標(biāo)狀態(tài)，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(jī)振動(dòng)值持續(xù)偏高，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量合格、膨脹機(jī)、脫甲烷塔及HRS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，每過一段時(shí)間，不得不將系統(tǒng)中積累的多余甲烷通過火炬系統(tǒng)進(jìn)行排放燃燒，不符合我國(guó)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)綠色低碳發(fā)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(jìn)行火炬燃燒，造成了極大的能源浪費(fèi)。

2.3 甲烷收率過高

四川石化乙烯裝置設(shè)計(jì)投油負(fù)荷為300 t/h，但因甲烷收率過高，分離系統(tǒng)中各塔和冷箱系統(tǒng)均處于超負(fù)荷狀態(tài)，為保證裝置安全運(yùn)行，不得不降低投油負(fù)荷，未改造前，乙烯裝置平均投油負(fù)荷為295 t/h，嚴(yán)重制約了乙烯裝置經(jīng)濟(jì)效益的提升。

3 技術(shù)改造

3.1 流程改造

該項(xiàng)目改造主要涉及乙烯裝置中分離單元的低壓甲烷氫系統(tǒng)，改造內(nèi)容為新增設(shè)1臺(tái)螺桿式甲烷氫壓縮機(jī)。通過將冷箱出口返回裂解氣壓縮機(jī)一段的低壓甲烷氫引至新增的甲烷氫壓縮機(jī)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(wǎng)。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(wǎng)，可以減少低壓甲烷氫在裝置內(nèi)的循環(huán)，增加裝置的操作靈活性，節(jié)能降耗，消除乙烯裝置的高負(fù)荷瓶頸，為裝置繼續(xù)進(jìn)行原料輕質(zhì)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(jī)管道施工及運(yùn)行情況

新增甲烷氫壓縮機(jī)（K-1430）為螺桿壓縮機(jī)，該流程改造難點(diǎn)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(jī)吸入罐管道、循環(huán)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(fēng)險(xiǎn)，所以未在裝置正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行改造，而是借大檢修物料倒空的時(shí)機(jī)，進(jìn)行了設(shè)備的安裝及管線的開孔焊接工作。

壓縮機(jī)投入使用后，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值[6]。2018年8月1日該項(xiàng)目具備投用條件，在防喘振閥全開的情況下，啟動(dòng)壓縮機(jī)，使物料全循環(huán)，通過逐漸關(guān)小返回壓縮的調(diào)節(jié)閥PICA14062和最小回流閥PICA14901，提高K-1430出口壓力，當(dāng)壓力高于燃料氣管網(wǎng)壓力后，緩慢打開送管網(wǎng)手閥，保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。直到返回壓縮調(diào)節(jié)閥PICA14062全部關(guān)閉，將低壓甲烷氫全部送往燃料氣管網(wǎng)。K-1430投用后，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，燃料氣送出量達(dá)8.5 t/h，最高可達(dá)10 t/h。甲烷氫壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)見表1。

表1 甲烷氫壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)Tab.1 Operation state of methane hydrogen compressor

3.3 改造影響

正常運(yùn)行時(shí)，要調(diào)整好壓縮機(jī)吸入壓力，既要防止壓縮比過高，造成壓縮機(jī)排出溫度高聯(lián)鎖，同時(shí)又要防止吸入壓力過高，冷箱物料節(jié)流制冷效果不好，影響冷箱溫度，造成氫氣產(chǎn)品純度下降。

裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，及時(shí)調(diào)整，將低壓甲烷氫返回裂解氣壓縮機(jī)，利用低壓甲烷氫物料的節(jié)流膨脹制冷作用，為冷箱提供高等級(jí)的冷量。

該機(jī)組設(shè)置有干氣密封系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)等，增加了崗位操作難度。

受公司燃料氣管網(wǎng)總?cè)萘康挠绊懀?dāng)甲烷氫壓縮機(jī)排出量過大時(shí)，會(huì)影響火炬崗位2臺(tái)水環(huán)式火炬氣回收壓縮機(jī)的運(yùn)行情況，需要及時(shí)精確對(duì)甲烷氫壓縮機(jī)排氣量進(jìn)行控制，避免造成火炬崗位的火炬氣回收壓縮機(jī)不上量。

4 節(jié)能減排效果評(píng)價(jià)

4.1 裂解氣壓縮機(jī)吸入量降低抽氣量增加

2018年8月1日下午17點(diǎn)14分，K1430運(yùn)轉(zhuǎn)正常。返回裂解氣壓縮機(jī)一段吸入罐的低壓甲烷氫全部回收送燃料氣外管網(wǎng)。2018年8月1日投用甲烷氫壓縮機(jī)后裂解氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)見圖4。裂解氣壓縮機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速SE13805由4 257 r/min降低至4 197 r/min，轉(zhuǎn)速降低60 r/min。

中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司的用SPYRO軟件對(duì)裂解氣壓縮機(jī)一段吸入組份進(jìn)行模擬，計(jì)算了一段吸入壓力對(duì)乙烯裝置效益的影響[7]。當(dāng)裂解氣壓縮機(jī)一段吸入氣體組份變輕，壓力會(huì)明顯上升，為保證裂解反應(yīng)在低烴分壓下進(jìn)行，必須提高裂解氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來降低一段吸入壓力，從而導(dǎo)致裂解氣壓縮機(jī)功耗增加，乙烯裝置能耗上升。因而，將冷分系統(tǒng)返至裂解氣壓縮機(jī)一段的甲烷經(jīng)甲烷氫壓縮機(jī)加壓外送后，裂解氣壓縮機(jī)段間循環(huán)量明顯減少，可有效降低裝置能耗，增產(chǎn)高壓蒸汽。由圖4可看出，該壓縮機(jī)投用后，裂解氣壓縮機(jī)多抽出高壓蒸汽約7 t/h，即管網(wǎng)少接7 t/h的高壓蒸汽，折算為能耗節(jié)省6.16 kgoe/t乙烯。

圖4 投用甲烷氫壓縮機(jī)后裂解氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)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(jī)加壓并入燃料氣管網(wǎng)的甲烷氫量，在流程未改造前，需要通過火炬排放進(jìn)行燃料，造成了優(yōu)質(zhì)燃料的浪費(fèi)[8]?；厥者@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(shí)減少重質(zhì)燃料的燃燒，達(dá)到降低碳排放的目的。

4.3 乙烯裝置負(fù)荷提高

2018年8月底對(duì)K-1430進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定期間7臺(tái)爐運(yùn)行。投油負(fù)荷308 t/h，其中石腦油進(jìn)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(huán)乙烷/丙烷進(jìn)料18 t/h，碳二輕烴5 t/h。甲烷氫壓縮機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2。

由標(biāo)定數(shù)據(jù)表2可看出，增設(shè)的甲烷氫壓縮機(jī)達(dá)到預(yù)期目的，乙烯裝置投油負(fù)荷可提高至308 t/h。2021年11月，為給裝置擴(kuò)能改造提供可靠數(shù)據(jù)，四川石化乙烯裝置進(jìn)行了一次為期24 h的大負(fù)荷標(biāo)定，裝置投油負(fù)荷最高提至330 t/h，制約乙烯裝置負(fù)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(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.2 Calibration data of methane hydrogen compressor

4.4 節(jié)能降耗分析

乙烯產(chǎn)量按設(shè)計(jì)負(fù)荷100%計(jì)算。單位乙烯能耗[9-10]按式（1）計(jì)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(chǎn)量，t。

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

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

冷分系統(tǒng)返回裂解氣壓縮機(jī)一段的甲烷量減少，裂解氣壓縮機(jī)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(jié)省乙烯裝置能耗為6.16 kgoe/t乙烯[10]。

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

5 結(jié)論

四川石化煉化一體化項(xiàng)目乙烯裝置通過增設(shè)1臺(tái)螺桿式甲烷氫壓縮機(jī)，對(duì)低壓甲烷氫進(jìn)行流程改造，達(dá)到如下效果：

1）低壓甲烷氫流程改造，解決了乙烯裝置負(fù)荷無法提高的瓶頸問題，投油負(fù)荷由300 t/h提高至310 t/h，產(chǎn)生邊際效益5 000元/h，為裝置擴(kuò)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(huán)保運(yùn)行，回收大量甲烷作為燃料氣，提高經(jīng)濟(jì)效益14 140元/h，減少公司燃料氣系統(tǒng)對(duì)天然氣的依賴量，降低重質(zhì)燃料使用量，為減少CO2排放做出貢獻(xiàn)。

3）通過改造，壓縮工段裂解氣氣相干燥器和冷分系統(tǒng)脫甲烷塔，HRS系統(tǒng)，膨脹機(jī)系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)得以消除，保證了設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。

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