首套國產化乙烯裝置工程技術開發(fā)及應用

劉家明

（中國石化工程建設公司，北京 100101）

特約評述

首套國產化乙烯裝置工程技術開發(fā)及應用

劉家明

（中國石化工程建設公司，北京 100101）

武漢800 kt/a乙烯裝置是我國第一套完全采用我國自主知識產權的乙烯技術建設的乙烯裝置。針對該套乙烯裝置應用的裂解技術、分離技術和低溫儲存技術等，全面分析了乙烯裝置國產化技術所取得的進步與突破。其中，裂解系統(tǒng)采用中國石化開發(fā)的中國北方爐（CBL）技術，改進2 - 1型爐管結合扭曲片技術不僅使熱效率提高，而且清焦周期延長50%以上；分離系統(tǒng)采用中國石化的低能耗乙烯分離工藝（LECT）技術，利用分配分離原理結合專利設備分凝分餾塔（CFT）改進深冷分離流程，使裝置能耗進一步降低，三機總功率較國外技術低3%～5%。裝置單位產品能耗為23.556 GJ/t，較2009年國內乙烯行業(yè)平均值低8%。關鍵設備如裂解氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機、乙烯制冷壓縮機和冷箱等首次在一套乙烯裝置中全部國產化。

乙烯裝置；裂解；分離；回收

自20世紀60年代我國建成第一套乙烯裝置以來，經過幾十年的發(fā)展，到2011年我國共建設乙烯裝置30套，乙烯產能已達到15.065 Mt/a，僅次于美國，位居世界第二。但是，這30套乙烯裝置大多采用國外五大乙烯專利商的成套技術，除部分裝置中的裂解爐采用了中國石化開發(fā)的中國北方爐（CBL）技術外，基本處于依靠國外技術的狀況。據預測，未來我國乙烯需求量仍穩(wěn)步增長，到2020年乙烯生產能力將達到25 Mt/a以上。因此，乙烯自有技術的開發(fā)和應用對于中國石化工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

中國石化歷來重視乙烯技術的開發(fā)。20世紀80年代，中國石化工程建設公司（SEI）與中國石化北京化工研究院、南京工業(yè)爐設計研究所利用各自在工程設計、研究和裝備技術上的優(yōu)勢進行了合作，開展了大量的基礎研究，于1984年開發(fā)了適合液體原料裂解的2 - 1型爐管構型（即CBL）［1］。之后又相繼推出4 - 1型、改進2 - 1型和改進1 - 1型等不同的爐管構型，均實現(xiàn)了工業(yè)應用。2002年開發(fā)了適合氣體原料裂解的2 - 1 - 1 - 1型爐管［1］。150 kt/a 裂解爐在2009年實現(xiàn)了工業(yè)化，200 kt/a裂解爐技術通過了國家科技部驗收，CBL技術在2010年首次出口到國外。

在分離技術方面，SEI與中國石化北京化工研究院對工藝技術、關鍵設備和催化劑進行了長期技術攻關，先后開發(fā)出碳三加氫催化劑［2］、碳二前/后加氫催化劑［3］、分凝分餾塔（CFT）［4］、低能耗乙烯分離工藝（LECT）技術［5］、先進的固定閥塔板［6］和低溫甲烷化催化劑［7-8］。2003年，以低能耗、低投資為技術特色的“800 kt/a乙烯成套分離技術”通過國家科技部驗收，其研究成果在國內近期建設的大型乙烯裝置和技術改造中得到了應用和驗證，標志著中國石化不僅掌握了乙烯裂解技術，也擁有了先進的乙烯分離技術，具備了乙烯裝置成套技術全面國產化的能力。2007年，中國石化決定“十一五”重點項目——武漢800 kt/a乙烯工程的裂解、分離裝置和乙烯低溫儲存系統(tǒng)采用國產技術，使乙烯裝置的建設技術全面實現(xiàn)了國產化。

本文介紹了武漢800 kt/a乙烯項目的概況，重點介紹了國產裂解爐技術和分離技術的特點以及設備國產化水平。

1 武漢800 kt/a乙烯工藝裝置

武漢800 kt/a乙烯及其配套工程共建設10套工藝裝置（見表1）。

表 1 武漢800 kt/a乙烯工程工藝裝置Table 1 Plant of Wuhan 800 kt/a ethylene complex

其中包括800 kt/a乙烯裝置、300 kt/a線型低密度聚乙烯裝置和200 kt/a聚丙烯裝置等核心裝置在內的8套裝置采用了中國石化自有技術。裝置原料為：混合石腦油、加氫尾油、丙烷和液化天然氣，整個工程將在2012年全面建成并投產。

2 裂解和分離技術的特點

2.1 裂解技術

根據裝置的產能要求及原料的性質，武漢800 kt/a乙烯裝置新建8臺大型CBL裂解爐。一臺為循環(huán)氣體裂解爐（CBL - R型），設計裂解原料為乙烷，裂解深度為乙烷轉化率65%（w）；5臺為輕液體裂解爐（CBL - V型），設計裂解原料為石腦油，其中兩臺可以在氣體裂解爐清焦時作為氣體裂解爐的備用爐；兩臺為重液體裂解爐（CBL - V型），設計裂解原料為加氫尾油和石腦油。所有裂解爐年運轉時間均按8 000 h計，乙烯生產能力為120 kt/a；操作彈性為70% ～ 110%。

2.1.1 裂解爐的技術特點

CBL-R型氣體裂解爐的主要特點：（1）單輻射段結構，采用2 - 1 - 1 - 1型爐管結構；（2）高溫裂解氣新型線性急冷鍋爐，壓降小，與傳統(tǒng)急冷鍋爐相比更能抑制二次反應；（3）熱效率高達94%。

根據裂解原料的不同，液體裂解爐設輕油爐和重油爐。輕油爐可裂解輕烴和石腦油；重油爐可裂解石腦油和加氫尾油。兩種爐型的輻射段結構相同，對流段結構有一定差別。液體裂解爐的主要特點：（1）單輻射段結構，高選擇性兩程爐管，采用改進2 - 1型爐管及大彎管連接結構，停留時間短、烴分壓低，有較大的比表面積和良好的機械性能；（2）對原料及操作具有較大的靈活性，每種爐型可裂解兩種不同的原料；（3）輕油爐對流段采用一次注汽，重油爐對流段采用二次注汽，在對流段設有超高壓蒸汽過熱段回收煙氣廢熱；（4）熱效率可達95%。

這些裂解爐輻射段爐管均采用了強化傳熱技術，可以減少滯流層厚度，增強傳熱效率，同時可有效降低結焦速率，延長清焦周期；底部與側壁聯(lián)合供熱，底部供熱占70%，爐膛溫度場分布均勻。引風機采用變頻調速，進一步降低能耗。

2.1.2 裂解爐的主要技術指標

在裂解爐乙烯生產能力為120 kt/a的設計工況下，不同原料裂解爐的主要技術指標見表2。

表 2 不同原料裂解爐的主要技術指標（設計值）Table 2 The main technical indexes for different feedstock cracking furnace（design)

由表2可看出，無扭曲片裂解爐的設計清焦周期為 60～80 d。應用強化傳熱技術后，目前在運行的液體原料裂解爐清焦周期基本達100 d以上。如石腦油裂解爐：中國石化與沙比克合資的1 Mt/a乙烯裝置中的100 kt/a CBL - Ⅲ型裂解爐達120 d，中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司1 Mt/a乙烯裝置中的100 kt/a CBL - Ⅲ型裂解爐達119 d、150 kt/a CBL - Ⅶ型裂解爐達120 d，中國石化揚子分公司乙烯裝置中的CBL - Ⅵ型裂解爐達116 d；加氫尾油裂解爐：中國石化與沙比克合資的1 Mt/a乙烯裝置中達96 d，中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司1 Mt/a乙烯裝置中達121 d。氣體裂解爐的清焦周期在120 d以上，如：中國石化與沙比克合資的1 Mt/a乙烯裝置中達122 d，中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司乙烯裝置中達133 d。以上清焦周期指標明顯比目前國內引進的國外專利技術的裂解爐運行周期長，國外技術目前大多為45～60 d。

圖 1 武漢800 kt/a乙烯裝置工藝流程Fig.1 Wuhan 800 kt/a ethylene plant process fl ow.

2.2 分離技術

分離技術主要有三大類，分別是順序分離技術、前脫丙烷前加氫技術和前脫乙烷前加氫技術。王振維［9-11］對不同技術的優(yōu)缺點進行了分析，指出了用戶需綜合考慮投資、能耗和穩(wěn)定性等各方面的因素，并結合原料情況選擇合適的分離技術。我國是一個裂解原料缺乏的國家，乙烯裝置的裂解原料多以石腦油和加氫尾油為主，因此適宜采用前脫丙烷技術。2003年，中國石化開發(fā)的LECT技術通過了國家科技部驗收，使大型乙烯技術全面國產化成為可能。武漢800 kt/a乙烯裝置是采用LECT技術的首套工業(yè)化裝置，其工藝流程見圖1。

LECT技術采用前脫丙烷技術方案，在急冷系統(tǒng)、冷分離和熱分離系統(tǒng)充分考慮了能量的合理利用，利用先進的分配分離原理［11］開發(fā)的冷箱及脫甲烷系統(tǒng)可使三機總功率較國外技術降低3%～5%，同時通過對流程的優(yōu)化降低了裝置的投資。

2.2.1 急冷系統(tǒng)

急冷系統(tǒng)包括原料預熱系統(tǒng)、汽油分餾塔、急冷塔、輕燃料油汽提塔、重燃料油汽提塔和稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

急冷系統(tǒng)的特點：（1）汽油分餾塔設置盤油循環(huán)取熱，使塔內的溫度分布更合理，同時也可為下游的脫丙烷塔提供再沸器熱源。以往的設計僅采用底部的急冷油取熱和頂部的回流汽油取熱，效果不佳，塔頂部和底部溫度常常偏離設計值，成為裝置長周期運轉的瓶頸。其原因是進入該塔的物料組成非常復雜，相對分子質量分布范圍從2至300以上，不同相對分子質量的重組分在塔內從底部往上陸續(xù)放熱，采用適當的介質及時取熱才能確保塔內溫度分布合理，實現(xiàn)長周期運行。增加盤油取熱后可以更有效地取出裂解氣的熱量，塔釜溫度可提高5～10 ℃；頂部回流汽油量可減少20%以上。（2）使用重燃料油汽提塔作為減黏塔，用高溫乙烷爐裂解氣對急冷油進行汽提，使黏度較低的中間組分返回急冷系統(tǒng)循環(huán)，重質組分裂解燃料油作為產品采出，從而達到控制急冷油黏度、提高汽油分餾塔釜溫度的目的。通過研究蒸汽汽提法、真空閃蒸法、液體爐裂解氣汽提法和乙烷爐裂解氣汽提法等4種降低急冷油黏度的方法，發(fā)現(xiàn)蒸汽汽提法效果較差；真空閃蒸法雖效果不錯，但其對真空度的要求不適用于大型乙烯裝置；液體爐裂解氣汽提法由于汽提介質本身組成復雜，效果一般，且容易發(fā)生堵塞。因此最后確定采用高溫乙烷爐裂解氣汽提法以控制急冷油黏度。（3）針對汽油分餾塔氣體通量大、易結垢的特點，SEI開發(fā)了SFV-I型固定閥塔板（見圖2）。

圖 2 SFV - I型固定閥塔板Fig.2 SFV-I fi xed valve tower tray.

該塔板具有壓降低、傳質效率高、可有效抗堵的特點，且加工方便、造價低，適用于汽油分餾塔。

2.2.2 壓縮及前脫丙烷前加氫系統(tǒng)

裂解氣經過五段壓縮，將壓力提高到3.81 MPa，以滿足深冷系統(tǒng)的要求。高壓脫丙烷塔將全部的碳二和部分碳三餾分分離到塔頂，塔釜不含碳二的物料進入低壓脫丙烷塔。高壓脫丙烷塔與裂解氣壓縮機五段形成開式熱泵系統(tǒng)，碳二加氫反應器位于壓縮機五段下游的熱泵回路內，這樣可保證反應器的空速不會過低。加氫后的物料經冷卻、冷凝后進入高壓脫丙烷塔回流罐，回流罐內閃蒸出的氣相進入下游的冷分離系統(tǒng)，液相一部分作為高壓脫丙烷塔的回流，另一部分也進入冷分離系統(tǒng)。低壓脫丙烷塔塔頂的碳三餾分返回高壓脫丙烷塔。

壓縮及前脫丙烷前加氫系統(tǒng)的主要技術特點：（1）裂解氣壓縮機采用五段，壓縮比低，減緩了裂解氣在壓縮機內的結焦；裂解氣壓縮機前四段采用注水冷卻技術降低壓縮機內部裂解氣溫度，從根本上抑制壓縮機內的結焦趨勢，并結合壓縮機注油技術可延長壓縮機連續(xù)運行的周期。（2）采用雙塔雙壓前脫丙烷系統(tǒng)減緩了塔釜再沸器的結焦；通過將低壓脫丙烷塔塔頂碳三餾分返回高壓脫丙烷塔的措施，在碳二前加氫系統(tǒng)中不僅脫除了全部的乙炔，同時也脫除了50%以上的甲基乙炔和丙二烯（MAPD），降低了碳三加氫系統(tǒng)的負荷；在LECT技術中，碳二加氫反應器采用三段串聯(lián)的絕熱固定床反應器，比國外專利商采用的等溫反應器投資低約20%。（3）在碳二加氫系統(tǒng)中采用中國石化北京化工研究院開發(fā)的碳二加氫技術，該技術具有投資少、選擇性高等優(yōu)點；同時，裝置開車期間不需要深冷系統(tǒng)分離出的氫氣，也不需要從界外引氫氣，開車方便。

2.2.3 冷分離系統(tǒng)

冷分離系統(tǒng)是LECT技術的核心，包括冷箱、碳一分離和碳二分離。通過對液體原料裂解氣組成特點的研究，結合分配分離的原理對冷分離流程進行改進，SEI于2001年開發(fā)出先進的冷分離流程。其主要思路是：來自高壓脫丙烷塔回流罐的氣相經進一步冷卻后進入碳三洗滌塔，該塔將進料中的全部碳三、大部分碳二和部分碳一洗滌到塔底，使塔頂氣相中僅含有碳二、甲烷、氫氣和少量CO，以降低下游負荷；塔頂氣相經冷箱和乙烯冷劑冷卻后經兩級閃蒸，閃蒸后的液相進入脫甲烷塔，氣相經冷箱冷卻后進入碳二洗滌塔。碳二洗滌塔采用SEI開發(fā)的專利設備CFT，其頂部的板翅式換熱器具有同時傳熱和傳質的功能，可最大限度地回收高等級冷量。該塔將進料中的全部碳二洗滌到塔釜，并送入脫甲烷塔上部，塔頂氣相進入下游的氫氣分離系統(tǒng)。碳三洗滌塔的釜液和高壓脫丙烷塔回流罐的液相進入預脫甲烷塔的不同部位。

預脫甲烷塔分出不含碳三的塔頂氣相和不含碳一的釜液，分別進入脫甲烷塔和脫乙烷塔。脫甲烷塔將碳一和碳二分離，塔頂甲烷經冷箱回收冷量后作為裂解爐燃料，塔釜碳二進入乙烯塔。脫乙烷塔將碳二和碳三分離，塔頂碳二進入乙烯塔，塔釜碳三進入碳三加氫系統(tǒng)。由于脫乙烷塔的進料只來自預脫甲烷塔釜，所以其處理量只是全部碳二的20%～45%（摩爾分數），比常規(guī)脫乙烷塔的負荷小。

利用熱泵技術可大幅度降低精餾塔系統(tǒng)的能耗［12-13］，SEI對開式熱泵技術進行了深入的研究［14］。在碳二分離方面，探索了熱泵系統(tǒng)不同參數變化對分離能耗的影響，優(yōu)化了乙烯塔和乙烯制冷壓縮機組成的開式熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)較國外類似分離系統(tǒng)能耗低約5%，較傳統(tǒng)的高壓乙烯塔分離系統(tǒng)能耗低30%。

冷分離系統(tǒng)的技術特點：（1）冷區(qū)采用碳三洗滌塔、碳二洗滌塔、冷箱、預脫甲烷塔和脫甲烷塔構成的新流程，使物料分配更合理，能量利用更充分，既減少了冷量消耗也減少了乙烯的損失。（2）采用CFT，該塔不僅有傳熱也有傳質作用，既使物料得到分離，同時也更有效地回收了系統(tǒng)的冷量。（3）乙烯塔和乙烯制冷壓縮機組成開式熱泵系統(tǒng)，乙烯塔在低壓下操作，回流比降低；熱泵系統(tǒng)使制冷機總功率減??；乙烯塔的熱泵壓縮機與乙烯制冷壓縮機共用一臺壓縮機，減少一套壓縮機組。（4）采用中國石化開發(fā)的低溫甲烷化催化劑，該催化劑空速大，為國外同類產品的兩倍左右，操作條件緩和［7-8］，反應器尺寸小。

2.2.4 熱分離系統(tǒng)

熱分離系統(tǒng)包括碳三加氫、丙烯塔和脫丁烷塔。碳三加氫采用一段加氫技術和滴流床反應器，并采用中國石化北京化工研究院開發(fā)的催化劑，具有投資少、選擇性高、再生周期長的特點。丙烯塔和脫丁烷塔與現(xiàn)有技術的流程相同。

2.2.5 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)采用乙烯和丙烯復迭制冷流程，其中丙烯冷劑設4個溫度級位，分別為25，-1，-21，-40 ℃。由于脫甲烷塔塔釜液相可為碳三洗滌塔和預脫甲烷塔提供冷量，所以乙烯冷劑設3個溫度級位，分別為-62.5，-82，-101 ℃，并和乙烯塔組成開式熱泵系統(tǒng)。

2.2.6 裝備研發(fā)和應用

在LECT技術的研發(fā)過程中，技術研發(fā)和裝備研發(fā)緊密結合，對乙烯裝置的三大機組、冷箱等進行了攻關和應用，取得了初步的成果。在武漢800 kt/a乙烯裝置的應用中，根據原料和技術的具體情況進行了大量的研究和改進，在實現(xiàn)工藝技術國產化的同時，在設備國產化方面也有所突破，實現(xiàn)了包括裂解氣壓縮機組、丙烯制冷壓縮機組、乙烯制冷壓縮機組和大型冷箱在內的核心設備的全面國產化。

據統(tǒng)計，武漢800 kt/a乙烯裝置共有主要動靜設備 485 臺/（套），供貨范圍見下表。

表 3 設備分交一覽表Table 3 Onshore/offshore equipment summary

3 裝置的性能指標

3.1 生產能力

武漢800 kt/a乙烯裝置設計的乙烯生產能力不小于100 t/h聚合級乙烯和50 t/h聚合級丙烯。

3.2 能耗

當在設計進料流量和設計裂解深度下操作，且各公用工程系統(tǒng)與設計值一致時，每生產1 t乙烯，裝置的總能耗為23.556 GJ，較2009年國內乙烯行業(yè)平均值低8%左右。武漢800 kt/a乙烯裝置的能耗計算見表4。

4 低溫儲存技術

為了更好地實施有乙烯開車和乙烯產品的貿易，武漢800 kt/a乙烯裝置設置了一臺20 000 m3的乙烯產品常壓低溫儲罐，位于中間罐區(qū)。由SEI承擔全部設計工作。

表 4 武漢800 kt/a乙烯裝置的能耗計算Table 4 Speci fi c energy consumption of Wuhan 800 kt/a ethylene plant

常壓低溫儲罐分為3種類型，按照投資由高到低的順序依次為全包容儲罐、雙包容儲罐和單包容儲罐。出于降低費用的考慮，該項目采用單包容儲罐。

低溫儲存系統(tǒng)包括儲罐、泡點氣回收系統(tǒng)和乙烯產品外送系統(tǒng)（見圖3）。

圖 3 乙烯產品儲存系統(tǒng)Fig.3 The storage system for the ethylene product.

來自乙烯裝置和碼頭的液相乙烯在罐內儲存，儲存溫度-104 ℃。因環(huán)境傳熱被汽化的乙烯經壓縮后通過丙烯冷劑冷凝為液體再返回儲罐。液相乙烯經乙烯產品泵提壓并通過低壓蒸汽加熱汽化和過熱后，送下游裝置。為儲存不合格乙烯，還設置了一臺2 000 m3的不合格乙烯球罐。

5 結語

武漢800 kt/a乙烯裝置是我國第一套完全采用自主知識產權技術建設的乙烯裝置。該裝置實現(xiàn)了多項突破：首次實現(xiàn)乙烯裝置兩大部分──裂解和分離技術的全部國產化；乙烯裝置三大機組即裂解氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機和乙烯制冷壓縮機組首次全部由國內制造；乙烯裝置3種關鍵催化劑，即碳二加氫催化劑、碳三加氫催化劑和甲烷化催化劑首次全部采用國內自主開發(fā)的催化劑。該裝置真正實現(xiàn)了乙烯成套技術的國產化，填補了國內空白，標志著中國從此打破了國外公司對乙烯技術的壟斷，在我國乙烯工業(yè)發(fā)展史上具有重要意義。

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Engineering Development and Application of the First Chinese Ethylene Plant Technology

Liu Jiaming
（SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing 100101，China）

The Wuhan 800 kt/a ethylene plant have been the fi rst plant designed using the Chinese technology with the proprietary intellectual properties. The technical progresses and breakthrough in the process，including pyrolysis，separation and recovery，and low temperature storage，were analyzed. The cracking furnaces designed with the SINOPEC CBL cracking furnace technology were adopted，in which modified 2-1 coils combined with SINOPEC （swirling) element radiant technology（SERT) increased the thermal ef fi ciency and prolonged the coke cleaning period more than 50%. The recovery system using SINOPEC low energy consumption technology（LECT) decreased the energy consumption because of the advanced process based on distribution theory combined with proprietary equipment condensating fractionating tower（CFT). The specific energy consumption of ethylene product was 23.556 GJ/t ，which was less 8% than the average level in 2009 in China. It was also the fi rst time that the key equipments such as charge gas compressor，propylene compressor，ethylene compressor and cold box were localized in one plant.

ethylene plant；pyrolysis；separation；recovery

1000 - 8144（2012）02 - 0125 - 06

TQ 221.211

A

2011 - 11 - 28；［修改稿日期］2011 - 12 - 29。

劉家明（1960—），男，遼寧省大連市人，大學，教授級高級工程師，電話 010 - 84876001，電郵 liujm.sei@sinopec.com。

（編輯 安 靜）