乙烯装置节能技术现状及进展

何英华，朱丽娜，邢 光，路 明，詹海容，李洪涛，刘 龙，张德顺

（1.中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，黑龙江 大庆 163714；2.中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京 100195）

乙烯装置节能技术现状及进展

何英华1，朱丽娜1，邢 光1，路 明2，詹海容1，李洪涛1，刘 龙1，张德顺1

（1.中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，黑龙江 大庆 163714；2.中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京 100195）

对裂解炉、急冷、压缩、分离及辅助设施等几个系统的节能技术现状进行了详细描述，并对乙烯装置节能技术的进展情况进行了介绍。

乙烯装置；节能技术；裂解炉；急冷；压缩

石油化工是我国的支柱产业之一，而乙烯工业则是石化行业的龙头。目前，乙烯生产的主导技术是采用烃类经过裂解炉蒸汽裂解制取烯烃的技术，蒸汽裂解生产乙烯是一个高耗能的产业。在资源、能源形势日益严峻的情况下，乙烯装置作为能源和石油资源消耗的大户将面临着巨大的挑战，“节能、降耗、减排”将成为乙烯装置现在和未来重要的课题［1］。

1 节能技术现状

乙烯装置主要包括裂解炉、急冷、压缩、分离及辅助设施等几个系统。近年来针对这几个主要系统的各种节能技术的研究非常活跃，并取得了一定的成果，开发出一些新技术，这些技术的应用在一定程度上降低了乙烯装置的能耗［1］。

1.1 提高裂解炉热效率

1.1.1 炉管强化传热技术［2］

应用炉管强化传热技术不仅可以提高炉管的传热效率，节省燃料消耗，而且使炉管内气体流动状态得到改善，炉管管壁温度下降，有利于延长裂解炉运转周期。目前国内普遍使用的是由中科院沈阳金属所和北京化工研究院合作开发的扭曲片构件。它是通过安装在炉管不同部位的内扭曲片管改变物料流动状态，起到增强传热的效果。扬子石化在1台SRT-Ⅲ型裂解炉上的应用情况表明，炉管处理量增加了10%，炉管管壁温度下降了20～30℃。国外如Lummus公司在1987年推出的SRT-Ⅵ型炉，将二程分枝变径8-1型炉管的第一程炉管采用螺旋梅花形炉管，使炉管热通量增加33%，管壁温度降低10℃。

1.1.2 结焦抑制技术

应用结焦抑制技术可以大幅减少辐射段炉管结焦速率，延长裂解炉运转周期；同时提高炉管传热效率，减少燃料消耗。其主要包括炉管内表面处理、添加结焦抑制剂等。炉管内表面处理是在炉管内表面涂覆一层对结焦催化效应少的物质（如氧化硅、氧化铬等）。加拿大Westaim表面工程产品公司1997年开发的Coat Alloy稳定氧化物形成技术，结焦速率可以降低至原来的10%～25%。添加结焦抑制剂是在裂解原料中加入一种钝化炉管表面金属的物质（如有机硫化物、亚磷化合物等）。扬子石化650kt·a-1乙烯装置2台乙烷炉使用一种含硫结焦抑制剂后，结焦速率大幅下降，运行周期由原来45d延长至120d以上。

1.2 急冷系统节能

1.2.1 急冷油塔增加中间回流［3］

国内自主开发的急冷油塔中间热量回收工艺，将急冷油塔第15块板抽出一股148℃盘油（PO）作为工艺水汽提塔再沸器热源，同时盘油被冷却到130℃后从第14块板再返回急冷油塔中段；裂解柴油从第12块板抽出，经汽提以后，气相返回第9块板。增加盘油中间回流换热器后，急冷油塔的中段塔板气、液分布趋于合理，中段塔板的板效率也得到提高，不仅改善了“质”量的传递过程，而且也改善了“热”量的传递过程。可降低能耗43.95kg油· （tC2

=） -1以上。该技术在某乙烯装置平稳运行了近20年。

Shaw S&W工艺的盘油循环系统将急冷油塔第18块板抽出一股168℃盘油作为热源回收热量，同时，盘油被冷却到121℃后从第11块板再返回急冷油塔中段变径处；裂解柴油从第10块板抽出，经汽提后，气相返回第8块板。根据盘油冷却温度分布曲线设置了6台换热器以回收不同等级的热量，使裂解气余热的有效能利用更趋完美，而且使急冷油塔内中段塔板气、液分布更加合理，板效率也进一步提高。急冷油塔中间回流合计回收热量71.051GJ·h-1，相当于乙烯装置综合能耗下降45.25kg油· （tC2=）-1以上。1.2.2 优化急冷油减黏系统，减少外补蒸汽

急冷油的黏度主要取决于其350℃以下轻质馏分的含量，急冷油350℃以上馏分越多黏度较高，反之则黏度较低。特别是急冷油中280～350℃馏分本身就是黏度较低的调质馏分，设法使急冷油中保持较多350℃以下轻质馏分并使其在运转过程中始终占有一定比例，则循环急冷油的黏度也就可以稳定在较低的水平而维持较高的汽油分馏塔塔釜温度。

乙烷炉裂解气减黏技术就是利用该原理进行的。乙烷炉来的500～550℃裂解气在急冷器中用急冷油急冷到250～270℃后送入减黏塔。在减黏塔中气相与液相旋风分离，由此将其中的350℃以下轻质馏分汽提返回汽油分馏塔，塔釜采出重质燃料油产品。经过一段时间的运转，急冷油系统达到平衡后，将有一定量的轻质馏分在急冷油系统中循环，从而达到降低急冷油黏度的效果。采用此减黏方法在运行比较好的情况下，可将急冷油的黏度从1000mm2·s-1（50℃）降低并保持在50 mm2·s-1（50℃）以下，可有效地提高急冷油的操作温度，降低装置能耗。目前国内乙烯装置中仅不足50%的装置采用此减黏技术。为节能降耗应尽快进行急冷区的改造，特别是增设乙烷炉裂解气减黏系统［1］。

1.3 裂解气压缩系统的节能

1.3.1 压缩机五段凝液二次闪蒸

将裂解气压缩机五段出口的冷凝液一次闪蒸改为二次闪蒸，将第一次闪蒸的气体返回压缩机五段出口，将第二次闪蒸的气体返回五段入口，这样可降低压缩机和凝液蒸出塔的负荷，对于300kt·a-1的乙烯装置，每t乙烯可降低能耗19260kJ。

近来设计的五段出口流程，有干燥器加料洗涤塔，可使裂解气中苯的含量低于2×10-6，以防在低温下苯等重组分冻结。釜液在过去的设计中多为一次闪蒸，其二次闪蒸流程为一次闪蒸的气体回到裂解气压缩机五段出口，可降低五段压缩机负荷，同样也可以得到较好的节能效果。

1.3.2 降低裂解气压缩机段间冷却压力降

在正常情况下，前三段压缩能耗占63%，因此从节能来看，降低段间压降是很重要的。鲁姆斯公司采用低压力降水冷器，可使压降减少70%，节省能耗5%～8%。林德公司在前三段采用直接水冷，可使压缩机能耗降低7%～10%。若在压缩机段间采用美国菲利浦公司20世纪70年代开发的折流杆高效换热器，将具有传热效率高，压力降小，抗污垢能力强，防振性能好，表面温度均匀等特点。这种换热器阻力减少60%，而且设备质量减轻。凯洛格公司采用把段间换热器与吸入罐合二为一，即把段间冷却器置入吸入罐中以减少管线压力降的方法，以达到降低裂解气段间冷却压力降的目的。

降低段间阻力降不仅可以减少压缩机的功耗，而且可以在相同总压比之下降低每段的出口温度，压缩机总功耗可降低约4.5%，其中前三段段间阻力降降低所节约的功耗约占节约总功率的89.4%。

1.3.3 压缩机段间喷水

压缩机注洗油一般使用抽余油（通常芳烃含量大于或等于85%，沸点在204～343℃之间，低硫，无砷），会使大量的C9进入压缩机组循环，年消耗C9原料超过30kt（240kt·a-1乙烯装置），造成大量C9的浪费。注入C9仅能在机组叶轮形成湿润的通道，预防聚合物在叶轮和隔板粘附，但无法降低压缩机出口温度。因此，乙烯装置裂解气压缩机组预防结垢的注油方式逐渐转向湿压缩注水技术。然而注水应控制好碱洗塔的操作，避免液泛与雾沫夹带，并控制好水洗段的操作，防止碱液带入后系统，腐蚀气封。特别是对流程位于碱洗水洗塔之后的四段，其气封应做防腐处理。另外注水后，压缩机出口温度不可过低，温度过低将可能因注水量过大，损坏设备。一般情况下控制各出口温度不低于75℃。目前，当裂解气压缩机段间温度正常，无偏高现象（≥95℃）时，一般采用注油的保守方式。

1.3.4 改进干燥系统

美国菲利普斯公司将原有两套乙烯装置的裂解气干燥系统进行改造，取得了显著的经济效益。原有两套装置均采用活性氧化铝作为干燥剂，每套共有3个干燥器，其中2个串联操作，一个再生。改为3A分子筛后，其吸附孔径小，只吸附烃类，因此可防止在吸附表面形成聚合物以致结碳所造成的干燥剂失效问题。同时由于分子筛吸附容量大，吸附速率高，因此可将2个干燥器串联操作改为并联操作，使压降减小，降低裂解气压缩机的功耗。该公司经进一步改造，在干燥器内充填2种不同粒径（3.18mm和4.36mm）分子筛而形成混合床，使床层压降进一步降至0.014～0.017MPa（原来的活性氧化铝干燥系统运转6个月后，压降超过0.21MPa）。分子筛可使用两年，为活性氧化铝使用寿命的几倍。

1.3.5 碱洗塔采用填料塔

碱洗塔在过去的设计中，一般采用浮阀塔，就年产300kt·a-1乙烯装置而言，塔径为2.8m，塔的切线高度为48m，共有48块实际塔板。最近，国内外的一些乙烯装置已把碱洗塔改为填料塔，并且鲁姆斯等一些公司的设计中也采用了填料塔。碱洗塔采用浮阀塔，一般阻力为0.06～0.12MPa，若采用填料塔，阻力一般为0.02～0.03MPa。300kt·a-1乙烯装置，约节省能耗200kWh，若采用不锈钢填料，约5年就能回收投资。

1.4 精馏塔的节能

1.4.1 采用中间再沸器和中间冷凝器

非正规金融是相对于正规金融而言的，至今还没有统一的界定。世界银行认为，非正规金融是指那些没有被中央银行监管当局所控制的金融活动，即不在中央银行监管下的金融活动统称为非正规金融。非正规金融的形式是多种多样的，但是，有些是有组织的，以组织的方式存在，并开展活动的；也有一些属于个人与个人之间，或者个人与企业之间、企业与企业之间一种偶然发生，或者临时发生的一种行为[1]。

所谓中间再沸器是在精馏塔提馏段的某处加入一定热量，以代替一部分原来从塔底加入的热量。由于精馏塔的温度是沿着塔高而下降的，在中间再沸器处的温度比塔底的温度低，所以在中间再沸器中可以用比塔底加热剂温度低的加热剂来加热。这和多进料的作用基本上是类似的，即可以提高精馏塔的热力学效率，降低能量消耗。同样，如果某一塔塔底温度较低，塔底再沸器本身就是一种回收冷量的手段，那么有可能在提馏段的适当地方回收温度更低的冷量，这一部分冷量与塔底相比，能为较高，回收功率较大。

以年产300kt·a-1乙烯塔为例，采用中间再沸器，节省电能为960kWh。脱丙烷塔和脱丁烷塔及丙烯塔采用中间再沸器，是用急冷水作中间再沸器的热源，脱丙烷塔中间再沸器占再沸器负荷的30%，每kg乙烯可降低能耗150kJ。对脱丁烷塔而言，可降低能耗75kJ，同时可节省冷却水约200t·h-1。另外，乙烯塔可采用两个温度等级的中间再沸器，这样裂解气可以冷却到更低温度，回收更多能量。

1.4.2 进料状态

进料状态和进料位置与回流比和塔板数之间有很密切的关系。预热进料可利用低位热源，能代替部分再沸器所需要的高质量热源。预热的热源可以是工艺过程的排热，或低压蒸汽。这样可减少再沸器的供热，以达到节能之目的。从低位热源的利用来看，是个很有效的方法。

1.5 辅助设施节能

乙烯装置蒸汽系统的平衡与优化对乙烯装置的节能降耗有显著影响。在实际生产中，种种原因使得蒸汽系统不平衡、高压蒸汽直接减温降压使用和低压蒸汽放空的现象普遍存在。

为有效降低乙烯装置的能耗，蒸汽系统可采取以下措施：一是要进一步优化设计，对大型透平抽/凝汽方案和电/汽泵运行匹配进行优化，使设计的蒸汽平衡在实际生产过程中更容易实现，操作更灵活，减少通过减温降压的蒸汽量，减少低压蒸汽的放空量；二是采取补救措施充分利用过剩的低压蒸汽。

1.5.2 采用先进控制

先进控制是在现有DCS和模拟仪表的基础上，加上部分上层软件，使其自动优化和稳定装置的操作。

华东理工大学与国内多家乙烯装置合作，对乙烯装置的先进控制和在线优化操作系统联合进行了研究，取得了显著效果［4-5］。

目前，先进控制的研究在裂解炉的操作上应用较多，积累了一定的数据和经验，主要包括裂解炉出口温度控制技术、裂解炉汽/烃质量流量比在线校正控制技术、裂解炉总通量控制技术等。

先进控制在分离系统仅对部分装置的乙烯精馏塔和丙烯精馏塔进行了研究，主要包括塔顶乙烷（丙烷）浓度推断控制系统、塔釜乙烯（丙烯）浓度推断控制系统等。其他系统的先进控制在国内应用很少，还需要进一步开发应用，或在设计阶段就加以考虑，减少重复投资，同时可以有效地提高装置的操作水平，降低装置能耗。

2 乙烯装置节能技术前沿

近年来，随着新的乙烯装置建设及老装置的扩能改造，新技术、新工艺及相关系统设计优化的应用，我国乙烯装置能耗显著下降。随着国家“节能、降耗、减排”的要求提高，作为石油化工企业耗能大户的乙烯装置将面临更大的节能降耗压力。因此，为进一步降低乙烯装置能耗，应加大节能降耗新工艺、新技术的开发和推广应用。

2.1 优化原料节能

原料的裂解性能在很大程度上决定了乙烯生产的能耗水平，但乙烯装置原料的优化和其上游炼厂的配制有很大关系。大炼油小乙烯的配制，乙烯装置的原料就有很大的灵活性，相反小炼油或自身没有炼厂的乙烯装置其对原料就没有多少选择的余地。我国优化裂解原料的重要措施就是实行“炼油化工一体化”，采用“宜烯则烯，宜油则油，宜芳则芳”的原则，它有利于炼厂和乙烯装置之间的原料互供和优化。除在资源配套上采取措施外，原料优化还有以下新工艺可采用。

2.1.1 石脑油加氢预处理

我国大部分装置都有石脑油原料，将石脑油首先送加氢装置，然后将加氢石脑油送裂解炉以提高乙烯、丙烯产量。由于石脑油原料仅含少量芳烃和极少量单烯烃，几乎不含二烯烃和烯基芳烃，故将加氢装置分成2条线：一条为二段加氢流程处理裂解汽油，另一条为一段加氢流程处理石脑油。目前，加氢装置的公称能力最大达2.00～5.00Mt·a-1，故加氢装置设计无“放大”问题。

2.1.2 石脑油抽提预处理

裂解炉中的芳烃分别来自裂解反应过程生成的芳烃和裂解原料自身带入的芳烃。首先将石脑油送芳烃抽提装置抽提出芳烃，然后将抽余石脑油送裂解炉，以降低燃料消耗，使乙烯装置能耗下降。目前，芳烃抽提装置的公称能力最大已达2.10Mt·a-1，萃取精馏塔直径工程设计达3～8m，故芳烃抽提装置设计也无“放大”问题［6］。

对石脑油进行预处理，饱和石脑油中的烯烃，分离掉芳烃等裂解性能较差的烃组分，降低原料的BMCI值，对改善裂解性能，提高乙烯收率，降低能耗有很大益处。同时分离出的芳烃可作为炼厂很好的原料。

2.2 裂解炉节能

2.2.1 裂解炉与燃气轮机联合

热效率达94%的裂解炉直接节能效果极其有限，从20世纪70年代开始，由于航机陆用技术迅速发展，工业用燃气轮机的制造技术日臻完善。首先发展了燃气轮机与锅炉结合热电联产，而后又发展了燃气轮机和生产工艺用热相结合技术，利用燃气轮机温度达到500℃的燃料气热量用以发电并投放到裂解炉内。如乙烯装置中裂解炉和蒸汽过热炉与燃气轮机结合，可使装置能耗降低8%～22%［3］。目前国内还没有使用此类技术的装置，在日本和韩国有许多乙烯装置已使用裂解炉和燃气轮机联合的技术。此技术对燃气轮机和电网要求很高，一旦出现问题可能造成全装置停车，损失较大。但随着燃气轮机技术的成熟和智能电网的发展，该技术将会在国内得到推广应用。

2.2.2 裂解炉-IGCC-SOFC联合

固体氧化物燃料电池SOFC是采用廉价固体氧化物电化学反应直接将化学能转电能，裂解炉-SOFC联合是节能降耗的新技术。整体煤气化联合循环IGCC发电系统是将煤气化和联合循环结合的工艺。IGCC是将煤气化和净化送燃气轮机并驱动燃气透平作功，排气进余热锅炉产生蒸汽驱动蒸汽轮机。故裂解炉-IGCC-SOFC联合不仅“以煤代油”少用燃油而且提高热效率。但联合工艺正处于研究阶段，尚无工业应用实例［7］。

2.3 低压蒸汽回收利用技术

除可利用过剩的低压蒸汽来预热裂解炉燃烧空气外，目前正在研究采用氨吸收制冷技术将低压蒸汽的热量转换成冷量，以弥补乙烯装置在夏季丙烯制冷压缩机能力的不足。另外利用低压蒸汽发电的技术使乙烯装置多出的低压蒸汽产生电能，以降低乙烯装置能耗的研究也在进行中。

3 结论

近10年来，乙烯工艺不断开发出新的单元技术，并应用于新建的乙烯装置或对老装置进行技术改造，对降低装置能耗起到了积极的作用。我国大多数新建大规模乙烯装置采用的工艺技术均处于国际领先水平。但国内小乙烯装置综合能耗仍然偏高，仍有很大的节能降耗空间。小乙烯要想立足，必须不断通过新技术和新工艺的应用，来解决装置自身存在的问题，进一步节能降耗，优化经济技术指标，增强企业的竞争力。随着科技的不断进步及科研院所的不懈努力，在未来一定会出现更多、更好的新技术，使乙烯装置的能耗进一步降低［8］。

［1］ 盛在行.乙烯装置节能技术进展［J］.乙烯工业，2010，22（4）：59-64.

［2］ 胡天生.提高裂解炉热效率的措施［J］.乙烯工业，2010，22（1）：49-53.

［3］ 王松汉.乙烯装置技术与运行［M］.北京：中国石化出版社，2009：842-843.

［4］ 崔卫明.齐鲁乙烯装置节能降耗的措施［J］.乙烯工业，2007，19（1）：11.

［5］ 赵治峪.节能降耗技术在扬子乙烯装置上的应用［J］.乙烯工业，2008，20（2）：45.

［6］ 何 琨，吴德荣，马紫峰.乙烯联合装置三种流程优化以降低产品能耗［J］.化学工程，2007，35（6）：74-78.

［7］ 吴德荣，何琨，朱海峰.乙烯联合装置能耗分析和节能技术［J］.化学工程，2007，35（12）：66-70.

［8］ 吴伟，李胜利，叶会亮.乙烯装置节能优化措施及效果［J］.乙烯工业，2011，23（4）：18-20.

Current Situation and Advances of Energy Saving Technology In Ethylene Plant

HE Ying-hua1， ZHU Li-na1， XING Guang1， LU Ming2， ZHAN Hai-rong1， LI Hong-tao1， LIU Long1，ZHANG De-shun1
(1.Petrochina Petrochemical Research Institute，PetroChina, Daqing 163714, China; 2.Petrochina Petrochemical Research Institute，Beijing 100195, China)

The energy saving technology of several systems, such as cracking furnace, quenching, compression, separation and auxiliary facilities, were described in detail, and advances of energy saving technology in ethylene plant was introduced.

ethylene plant; energy saving technology; cracking furnace; quenching; compression

TQ 221.21+1

A

1671-9905（2015）10-0038-04

何英华（1984-），男，河南省夏邑县人，硕士，工程师，主要从事化工工艺流程模拟计算及工艺过程开发，联系电话：13936962152；通信地址：黑龙江省大庆市乙烯呈祥路2号

2015-08-03