烯烃厂裂解炉改造降低NOx技术方案

孙双霜(抚顺市生态环境事务服务中心，辽宁 抚顺 113006)

0 引言

石油石化行业工艺复杂，产物节点较多，属于重点监管和重点管理企业，其排放污染可决定当地环境质量状况。维持长期稳定的环境质量状况，需要长期跟踪石油石化行业技术改造，可使技术持续更新，排放污染物持续达标，同时可降低能耗、节约资源。

1 技术改造目的

石油石化行业的技术提升对国家重要战略资源的节约和优化配置具有重大意义。整体预防的环境战略持续用于生产过程中，不断改进工艺技术、设备，提高资源利用效率，减少污染物排放。不但会使污染物产生量减少，还会使排放管理得到加强，环境管理体系进一步完善，而且生产成本得到优化，经济效益逐步显现，社会和环境效益也明显增加。

2 基本概况

采用较为典型的烯烃厂工艺流程进行分析，提出工艺流程[1]。乙烯工艺主要组成：原料预热、裂解炉系统、汽油分馏塔及急冷油循环、工艺水及稀释蒸汽发生系统、裂解气压缩、碱洗、干燥、高低压双塔脱丙烷、深冷分离、脱甲烷、脱乙烷、乙烯精馏、C3加氢、丙烯精馏、脱丁烷、甲烷化、燃料系统、排入及火炬系统。

乙烯装置主要由3个操作单元组成，即乙烯装置裂解、急冷、工艺水汽提单元，乙烯装置压缩、碱洗、干燥、脱丙烷单元，乙烯装置脱甲烷、深冷、脱乙烷、乙烯精制、丙烷精制、脱丁烷、甲烷化单元。

2.1 乙烯装置裂解、急冷、工艺水汽提单元

新鲜原料经原料预热系统，用急冷水或盘油预热后，进入裂解炉首先经过原料预热处理，原料预先加热。裂解炉系统由裂解炉原料供应系统和燃料供应系统、急冷废热锅炉等组成。

首先原料在对流段预热后，与过热段的稀释蒸汽进行混合预热后，进入辐射段，通过辐射进行裂解，炉口产生的裂解气体在急冷废热炉进行急冷，降低裂解气体温度，使其冷却。冷却后的气体进入冷却单元。

裂解炉在对流段对锅炉给水进行预热，然后进入废热锅炉，在此阶段进行超高压蒸汽，产生的蒸汽进入蒸汽管网。高压汽包连续排污进入污水预处理池。

裂解炉的燃料主要是装置自产的甲烷/氢，燃料燃烧烟气和烧焦气由引风机抽出直排大气。裂解炉清焦水进入污水。预处理池；清焦废渣送固废处置有资质单位处理。由急冷器来的裂解气进入急冷油分馏塔，在塔内裂解气经循环急冷油冷却后，气体通过冷油分馏塔的塔釜到塔顶慢慢冷却，同时燃料油也被分层，重质燃料油被分至底层，轻质燃料油被分至塔顶部，气体则从塔顶出去，到急冷水塔。从塔内抽出一部分循环急冷油，为稀释蒸汽发生器和其他用户提供热量后而被冷却，冷却后的急冷油再返回急冷油分馏塔进一步冷却裂解气。从塔的下部抽出一股物流，作为盘油，加热工艺水后返回分馏塔。

由急冷油分馏塔来的轻质燃料油进到轻质燃料油汽提塔，用蒸汽将燃料油中的轻组分汽提出去，返回到急冷油分馏塔，汽提后的轻质燃料油与重质燃料油混合后送至界区外。重质燃料油汽提塔的进料来自急冷油分馏塔釜，用从裂解炉来的高温裂解气进行汽提，汽提出的轻组分返回到急冷油分馏塔，用于稀释急冷油，降低急冷油的黏度。塔底采出重质燃料油送储罐。

来自急冷油分馏塔的裂解气进入急冷水塔，用低温急冷水冷却，将重质汽油和稀释蒸汽冷凝下来，塔顶采出的裂解气中仅含有部分C5馏分及其以下的全部组分，塔底为冷凝下来的重质汽油和水。

塔釜底部含油很少的水，经系列换热器降温后，再用循环水冷却，并返至急冷水塔作回流，从而构成了急冷水循环回路。裂解汽油分成三股：第一股回流；第二股去废碱液/汽油混合器作萃取剂；第三股与来自脱丁烷塔的轻汽油混合后送出界区。在急冷水塔中，经过水滤器过滤，然后进入提塔，此单元可分离出烃类气体，使其提回在急冷水塔。汽提后的工艺水送至稀释蒸汽发生器中，发生稀释蒸汽。稀释蒸汽发生器废水和汽提塔含油工艺污水排入污水处理设施。

2.2 乙烯装置压缩、碱洗、干燥、脱丙烷单元

急冷水塔顶提来的裂解气进入压缩机第一阶段吸入罐。冷凝下来的水返回急冷水塔，而不凝气体进入裂解气压缩机二段压缩，压缩后气体经中间冷却器水冷，进入二段吸入罐。来自三、四、五段凝液逐段闪蒸来的烃水混合液最终进入二段吸入罐，送至凝液汽提塔。凝液汽提塔中的水返回急冷水塔，汽油去脱丁烷塔。

来自裂解气压缩机第四段排出罐的裂解气进入碱洗塔下部。在碱洗塔内设置了三个碱洗段和一个水洗段。进入碱洗塔的裂解气依次经下段、中段、上段三级碱洗，将其中的酸性气体CO2和H2S全部脱除，并在水洗段洗去所夹带的碱沫后，从塔顶出来至裂解气干燥器。碱洗塔底部碱液送入混合器，与汽油充分混合，使溶解在废碱液中的烃类被洗涤汽油萃取溶解，然后进入油/碱分离罐中，汽油送回急冷水塔，气体送至裂解气压缩机一段吸入罐，废碱液进入废碱液汽提塔。汽提后的废碱液经加热后与空气混合，通过空列废碱溶液混合器混合后送至废碱液氧化反应器进行氧化反应。氧化处理后碱洗废水(W4)送污水处理场处理；氧化废气(G3)排入大气。

由碱洗塔出来的裂解气进入气液分离罐，进行气液分离，气体进入气相干燥器进行脱水干燥，液相进入液相干燥器进行脱水干燥。分离罐分离出的水返回裂解气压缩机三段排出罐。经气、液相干燥后的物流分别进入高压脱丙烷塔。定期更换的废干燥剂(S1、S2、S3)送有固废处置资质的单位处理。

脱丙烷系统采用双塔脱丙烷流程。经过干燥的气、液相物流分别进入高压脱丙烷塔，在高压脱丙烷塔进行“非清晰分割”。高压脱丙烷塔顶的物料进入裂解气压缩机五段，经升压后进入乙炔加氢反应器进行加氢反应。反应后的物料经第二干燥器干燥后进入分离罐。分离罐中液相部分作为高压脱丙烷塔的回流，部分进入预脱甲烷塔。分离罐出来的气体也进入预脱甲烷塔。定期更换的C2加氢脱砷保护床吸附剂送有固废处置资质的单位处理；废碳二加氢催化剂送有固废处置资质的单位处理。自高压脱丙烷塔底部来的仍含有C3组分的釜液进入低压脱丙烷塔，实现C3与C4组分的“清晰分割”。塔顶馏出物冷凝液直接送入丙炔加氢系统。

从高压脱丙烷分离罐来的液相直接进入预脱甲烷塔；气相则经过预冷、闪蒸后气相进入HRSl(预脱甲烷分离罐系统)，从HRSl冷凝的液相经预冷器预冷后进入预脱甲烷塔。预脱甲烷塔底馏分则进入脱乙烷塔。预脱甲烷塔顶馏分进入脱甲烷塔。HRSl的气相馏分进入HRS2(尾气精馏塔)，从HRS2出来的气相几乎不含C2馏分，进入氢气罐进行甲烷、氢的分离。氢气干燥器的废干燥剂送有固废处置资质的单位处理。

2.3 乙烯装置脱甲烷、深冷、脱乙烷、乙烯精制、丙烷精制、脱丁烷

脱甲烷塔顶馏出物加入乙烯冷剂使其冷却，进行液相、气相分离，液相回流，气相为富甲烷气入燃料系统。脱甲烷塔底进行馏分，然后进入乙烯精馏塔。从预脱甲烷塔底来到馏分进入脱乙烷塔。脱乙烷塔塔顶馏出物经冷凝后进入乙烯精馏塔。脱乙烷塔底馏分则送去C3加氢。来自脱甲烷塔的物料和脱乙烷塔的物料分别进入乙烯精馏塔。塔顶馏分经乙烯制冷压缩机冷凝后，作为产品送出。乙烯塔底乙烷作为循环物料返回裂解炉裂解。来自脱乙烷塔底的馏分，和来自低压脱丙烷塔的馏分进入C3加氢反应器中。在此将C3馏分中的甲基乙炔(MA)和丙二烯(PD)加氢转化为丙烯和丙烷。C3加氢废吸附剂送有固废处置资质的单位处理。从反应器流出的C3物流送至C3汽提塔中，在此将C3馏分以及多余的氢气分离出来。分离出来的轻组分送回裂解气压缩机吸入罐，将仅含丙烯和丙烷馏分的C3物流送至丙烯精馏塔进行精馏分离。从C3汽提塔来的物流进入丙烯精馏塔。丙烯精馏塔顶丙烯气冷凝冷却后作为产品送出界区。丙烯精馏塔底丙烷与循环乙烷混合后，作为循环物料送入裂解炉。

来自脱丙烷塔底液进入脱丁烷塔中。塔顶气体冷凝后，液态C4馏分送出界区。塔釜液即为轻裂解汽油馏分，与来自急冷水塔的轻裂解汽油混合后送出界区。粗氢进入甲烷化反应器除CO等杂质，之后进入氢气干燥器干燥。精制氢一部分用于加氢系统，一部分作为产品出界区。定期更换的碳三加氢反应器废干燥剂和甲烷化反应器废催化剂送有固废处置资质的单位处理[2]。

3 主要原料和产品

主要原料有直馏石脑油、加氢尾油、加氢石脑油、减一/减顶油以及辅料碱液、除氧剂、缓蚀剂、破乳剂、阻聚剂等。主要产品乙烯、丙烯、粗氢、混合碳四、裂解汽油、粗C5、加氢C5、裂解C9[3]。

4 污染物产排现状及能源流失情况

(1) SO2、NOx、烟尘。主要由裂解炉烟气产生，排放超标原因主要因为裂解炉燃烧不充分及环保措施设置不到位[4]。

(2) NMCH(其中包括苯、甲苯、乙烯、丙烯、丁二烯等无组织排放废气)。主要原因为裂解炉燃烧不充分。

5 技改方案

裂解炉系统由原料和燃料供应系统裂解炉、急冷废热锅炉组成。首先原料在对流段预热后，与过热段的稀释蒸汽进行混合预热后，进入辐射段，通过辐射进行裂解，炉口产生的裂解气体在急冷废热炉进行急冷，降低裂解气体温度，使其冷却。冷却后的气体进入冷却单元[5]。裂解炉在对流段对锅炉给水进行预热，然后进入废热锅炉，在此阶段进行超高压蒸汽，产生的蒸汽进入蒸汽管网。高压汽包连续排污进入污水预处理池。裂解炉的燃料主要是装置自产的甲烷/氢，燃料燃烧烟气和烧焦气由引风机抽出直排大气。裂解炉清焦水进入污水。一般来说，燃烧设备改进所采取的最主要的措施就是降低燃烧火焰的峰值温度，因为NOx的生成与火焰温度成指数变化关系，火焰温度越高，生成的NOx量成指数增加[6]。随着火焰温度升高，生成的NOx量成指数倍增加：当火焰温度达到1 200 ℃(2200 F)时开始产生NOx，到1 300～1 400 ℃(2 400～2 600 F)后开始急剧增加。所以，目前低NOX燃烧器设计当中采取的最主要的技术措施就是降低火焰温度。为达到降低火焰峰值温度的目的，目前的技术手段包括：

(1)降低助燃空气温度，这样可能会提高排烟温度，牺牲部分热效率。

(2)降低燃烧过剩空气量，减少N2与O2反应生成NOx的机会，但操作不精细也有可能会造成不完全燃烧，增加燃料消耗。

(3)分段(级)燃烧技术：包括燃料分段燃烧和空气分段燃烧，使燃料与空气的燃烧反应处于远离其化学当量比的状态，降低火焰温度，是目前大多数低NOx燃烧器采用的技术。

(4)烟气再循环，通过外部机构(外部再循环)或利用流体内部机制(内部再循环)将相对低温的炉内烟气引入火焰，降低火焰温度，也为许多低NOx燃烧设备采用。

单纯从燃烧器设计上讲，目前比较常用的、比较成熟的技术有三种：分段(级)燃烧技术、烟气内部再循环技术与稀相预混燃烧技术。这些技术可以单独使用，也可以组合起来使用，组合使用的效果更好一些[7]。

燃烧器是化学反应的重要环节，其燃烧层度决定原料转换产品的和次生产品的重要因素，燃烧不充分或者可产生不可预见污染因子。燃烧充分可以使原料充分燃烧，充分反应不仅可是产品质量、数量达标，同时还降低了能耗消耗。

6 结语

随着装置原料和生产工况的变化，部分系统会出现低效和参数不达标的现象，这是造成污染物超标的主要原因。通过乙烯裂解炉燃烧器优化改造，解决了烯烃厂乙烯裂解炉NOx排放量大、用能成本高、VOCs治理不彻底等制约企业可持续发展的关键问题，生产装置运行得到进一步优化。污染物排放需要持续监测，环保技术需要持续更新，定期对工艺流程及污染物节点进行升级改造，可以确保生产工况长期稳定运行，污染物排放稳定达标。

定期进行技术改造，可以确保，一些关键装置平稳、高效、绿色运行、生产。此次技改方案高了乙烯装置运行效率，降低装置运行成本，对装置部分系统进行技术改造是达标排放的有力保障。乙烯裂解炉是烯烃厂生产的重要工艺环节，对进行燃烧器优化改造，进行安全隐患治理，可以把握隐患治理和安全生产主动权，及时有效地消除安全隐患，实现污染物的达标排放。