GK-VI型裂解爐爐管堵塞原因分析及對策

張穎杰 王 哲 錢利明 沈冬偉

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540)

GK-VI型裂解爐爐管堵塞原因分析及對策

張穎杰 王 哲 錢利明 沈冬偉

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，200540)

結合裝置實際生產情況，對GK-VI型裂解爐的爐管結焦堵塞的原因進行分析，采取了優化原料品質、裂解爐運行模式、儀表控制，調整工藝等措施，解決了GK-VI型裂解爐爐管易堵塞的問題，達到了提高GK-VI型裂解爐運行周期、增加企業經濟效益的目的。

裂解爐 爐管堵塞 運行周期 措施

裂解爐運行過程中，烴類進行裂解反應，同時也伴有烴類聚合，導致焦質產生，使爐管的傳熱系數隨著內壁焦層的增厚而降低，管壁間的傳熱系數也隨之降低，且焦層使爐管內的流通面積減小，導致裂解爐進料負荷降低，嚴重時會發生堵塞現象。近年來，中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)2#烯烴裝置裂解爐爐管結焦堵塞導致被迫停爐檢修的情況時有發生，其中以GK-VI型裂解爐最為嚴重。裂解爐結焦堵塞頻繁會降低裂解爐運行周期，減少產品收率，增加能耗及檢修費用并縮短爐管使用壽命；而裂解爐頻繁停爐檢修又導致在實際運行中乙烯裝置無法充分發揮生產能力，嚴重影響乙烯裝置整體經濟效益。

針對GK-VI型裂解爐爐管容易結焦堵塞的問題，分析其原因并探討解決方法，進一步表明在裂解爐運行中對原料、操作模式、管理、技術等進行優化的重要性。

1 GK-VI型近年來爐管堵塞情況

表1統計了2013年1月至2014年7月期間GK-VI型裂解爐爐管堵塞情況。從表1可以發現：2013年以來GK-VI型裂解爐因爐管結焦堵塞而引起的停車檢修次數居高不下，平均運行周期遠低于設計運行周期。這不僅縮短了爐管的使用壽命、增加了裝置的檢修費用，還減少了產品的收率，影響乙烯裝置乃至整個上海石化的經濟效益。因此，如何減少GK-VI型爐爐管結焦堵塞、提高裂解爐運行周期，成為裝置穩定生產、提高經濟效益的重要途徑。

表1 GK-VI型裂解爐爐管堵塞情況統計

2 GK-VI型裂解爐爐管結焦堵塞原因分析

2.1 原料品質

2.1.1 加氫尾油

眾所周知，GK-VI裂解爐以加氫尾油爐為設計模板，所以采用了二次注汽技術。設計加氫尾油的終餾點為495～515 ℃、關聯指數(BMCI)必須小于13，而上游裝置供給本裝置的加氫尾油品質波動較大—終餾點一度達到570 ℃、BMCI最高達到22.9，具體見圖1(加氫尾油終餾點趨勢)、圖2(加氫尾油BMCI趨勢)所示。這樣的工況與設計工況偏差較大，造成了加氫尾油要在接近橫跨段甚至一部分需要在輻射段才能完全氣化，不僅改變了反應停留時間、影響了反應深度的控制，而且原料終餾點過高又能加劇爐管內物料縮聚反應的速度[1]，加快了爐管結焦；分液相混合導致原料在文丘里管內分配不均勻，進一步加速爐管堵塞。而BMCI愈大，表示原料脂肪性愈弱、芳香性愈強、乙烯收率愈低，并且爐管和廢熱鍋爐中的結焦也愈嚴重。

圖1 加氫尾油終餾點趨勢

圖2 加氫尾油BMCI趨勢

2.1.2 石腦油

石腦油(NAP)組分構成情況見表2。從表2中可以發現：NAP中芳烴質量分數屢次出現偏高的情況，有時甚至超過30%，而設計指標為不大于12%。在500～850 ℃裂解條件下，爐管內的結焦主要通過芳烴途徑即芳烴化合物脫氫縮合成多環芳烴，再進一步縮合為稠環芳烴，之后進一步脫氫為固體瀝青質、碳氫質，最終成為碳。又有研究表明：液體原料中的芳烴化合物在熱裂解時，苯在300 ℃以上就會生成聯苯，400 ℃以上會脫氫縮合為1,4-聚亞苯基，在較高溫度下脫氫聚合為焦；另外，萘、蒽、菲以及含碳五環的茚、苊、苊烯等多環芳烴更易縮合[2]。所以原料中芳烴質量分數越高，結焦速率越快。輕烴裂解時的結焦母體主要是二次反應的生成物；而重質原料裂解時，原料中的芳烴是主要的結焦母體，特別是帶側鏈的芳烴[3]。

表2 NAP組分分析 %(質量分數)

2.2 運行模式變化

2.2.1 原料頻繁切換

由于乙烯原料價格波動較大，從企業整體經濟效益考慮，裂解爐原料會進行較為頻繁的切換，頻繁的切換原料對運行周期的影響在于裂解爐爐管或者廢鍋(TLE)結焦。GK-VI裂解爐一般首先投用NAP，因為NAP組分較輕，結焦一般開始于裂解爐爐管，TLE結焦較慢，但是在目前運行狀況下投用NAP一段時間后由于原料分配等問題需要裂解爐改投加氫尾油。由于加氫尾油的裂解產物中乙烯焦油含量大大增加,除了在爐管內結焦，更會粘附在TLE列管表面形成焦油油膜。同時，由于原料截止閥采用手動切換，在改換原料過程中雖然會降低燃料氣的量，但是爐出口溫度(COT)一般會出現超過100 K的快速上升，造成裂解爐運行不穩定。為了避免此類情況的出現，工藝在操作時一般會將COT下降至720 ℃左右，防止溫升過高。但是COT下降時，裂解氣由于裂解深度不夠，組分變重，焦油含量增加，裂解氣的露點變低，造成大量焦油粘附在TLE管壁無法汽化。原料在線切換結束后，溫度逐漸恢復至設定COT，在溫度上升的情況下，這層焦油膜迅速轉化為焦層，影響TLE的換熱效果[4]。但是若出現再次將加氫尾油改料為NAP時，由于TLE焦層已經形成，TLE出口溫度將繼續升高，并且改料過程中再次出現一個大幅度的溫度變化，結焦程度加劇，不利于裂解爐的穩定運行。

2.2.2 投用輕石腦油

受限于物料平衡，GK-VI有時需要投用輕石腦油。GK-VI裂解爐設計期間是以重油爐為設計模板，而輕石腦油(LNAP)在原料性質方面更接近于液化氣(LPG)，而非NAP。由于GK-VI裂解無LNAP的設計工況，裂解LNAP時裂解深度只能參考NAP。所以無法準確控制裂解深度，也就無法準確地控制二次反應的進行，存在結焦的風險。表3為GK-VI型裂解爐在投用LNAP時的爐管堵塞情況，表4為LNAP與NAP的組分分析對比。

表3 GK-VI型裂解爐投用LNAP的爐管堵塞情況

表4 LNAP與NAP組分分析對比

2.3 儀表控制

每臺GK-VI型裂解爐爐管分為6組，共48根，但只配備了24支爐出口熱電偶，導致無法對所有爐管內的溫度進行全面監控。隨著爐管使用周期的延長，爐管彎曲日趨嚴重，各根爐管的受熱分布不均勻，再加上無法對所有爐管進行溫度監控，容易使部分爐管內過熱而引起二次反應過度導致結焦。

自動控制方面，GK-VI型裂解爐每組的控制溫度取的是4支熱電偶測試值的第二高值。若其中1支熱電偶對應的爐管溫度由于結焦而升高至4支熱電偶測試值的最高值，那么此時就無法通過自動控制來抑制這根爐管溫度繼續升高了，這樣就容易導致這根爐管因溫度過高而最終結焦堵塞。

2.4 工藝調整

按照設計值，GK-VI裂解爐投NAP時滿負荷為30.5 t/h，兩股稀釋蒸汽量分別為510 kg/h和2 500 kg/h，汽烴比為0.6；投加氫尾油時滿負荷為26 t/h，兩股稀釋蒸汽量分別為850 kg/h和2 800 kg/h，汽烴比為0.85。目前實際情況是，投NAP和加氫尾油時投料量只能保證在24 t/h左右，達不到設計滿負荷，而傳統的操作思維是以保證汽烴比為前提，即相應減少稀釋蒸汽量。所以投送NAP時兩股稀釋蒸汽量分別為500 kg/h和2 200 kg/h，投送加氫尾油時兩股稀釋蒸汽量分別為800 kg/h和2 500 kg/h，均低于設計值。但根據最新資料顯示：當原料負荷低于90%時反而要進一步提高稀釋蒸汽量，與原有的操作思路相反。經過反復分析討論，最終發現裂解爐低負荷運行時降低稀釋蒸汽量會帶來兩大危害。

(1)稀釋蒸汽量偏低直接造成文丘里入口壓力偏低，文丘里進出口壓差也偏低。對于所有裂解爐，為了確保各組第一程爐管流量分配均勻，在輻射段爐入口管里設計一個文丘里流量分配器，在操作彈性范圍內能夠保證輻射段爐管入口壓力(即文丘里管出口壓力)從裂解爐運行初期到裂解爐運行末期的過程中文丘里管喉頸出的流速始終要處于臨界狀態[5]。如果不在臨界狀態，正常操作時將導致各輻射段爐管進料量分配不均，裂解反應的選擇性、裂解爐深度和結焦速率不一致，最終的表現是裂解爐運行周期縮短；清焦操作時空氣分配不均，將使清焦不徹底以及空氣量高的爐管過熱，最終導致運行周期縮短和損壞爐管。按照計算，文丘里進出口壓差與文丘里進口絕對壓力比大于0.1，則流速處于臨界狀態；文丘里進出口壓差中文丘里進口絕對壓力比大于0.15文丘里才能起到流量分配均勻的效果。以BA-106為例：當投用NAP時，橫跨段壓力(即文丘里進口壓力)為0.26 MPa(表壓)，由于目前文丘里分配器出口沒有配備壓力表，所以出口壓力只能通過倒推算的方法：裂解氣大閥前的壓力即TLE出口壓力為0.11 MPa，TLE的進出口壓差為0.02 MPa，即TLE進口壓力為0.13 MPa，而輻射段爐管壓差至少為0.1 MPa，所以輻射段進口(即文丘里出口)壓力在0.23 MPa左右，則文丘里進出口壓差為0.03 MPa，文丘里進出口壓差與文丘里進口絕對壓力比為0.03/(0.26+0.1)=0.083<0.1<0.15，可見文丘里遠沒有起到均勻流量分配的作用，這勢必會造成爐管偏流，引起爐管結焦。

(2)根據伯努利方程，文丘里進出口壓差越小，文丘里出口流速(即爐管內流速)越小，這會導致原料在爐管內停留時間比設計值長。停留時間長增加一次反應的深度，但是二次反應也充分進行，這樣使一次反應生成的產品通過二次反應聚合，使乙丙烯收率下降，同時增加了結焦的趨勢。

3 減少GK-VI型爐管結焦堵塞的措施

3.1 優化原料

原料中芳烴含量愈多，結焦速率也就愈快。GK-VI型裂解爐裂解石腦油時的COT為810～845 ℃，結焦主要是通過芳烴途徑。優化石腦油，降低石腦油中的芳烴含量，可以有效延長裂解爐運行周期。通過與上游供料裝置協商，要求上游裝置解決原料品質問題并重新對石腦油及加氫尾油的互供料指標進行修訂，嚴格規定石腦油中芳烴含量不得高于15%、加氫尾油的終餾點不得高于520 ℃[6]、BMCI不得高于13。經過上游供料裝置的技術整改，石腦油和加氫尾油的品質恢復正常。

3.2 運行模式優化

頻繁的切換原料會在過程中引起裂解溫度的大幅度波動，加劇爐管內的結焦，不利于裂解爐的穩定運行。對于運行至末期的GK-VI裂解爐，原則上不進行改料操作。同時根據原料庫存合理地進行原料的切換，避免在裂解爐投用過程中頻繁地進行改換料。

通過與生產部門協商后決定，GK-VI型裂解爐運行40天以后禁止進行切換原料操作，減少因溫度大幅度波動引起結焦堵塞爐管；并且由于GK-VI型設計單位無法提供準確投用輕石腦油的工況，所以禁止再對GK-VI型爐投用輕石腦油，原料平衡問題根據具體情況靈活調整。

3.3 儀表控制優化

由于GK-VI型爐輻射段共有48根爐管，但只有24根爐管配備了熱電偶，導致其余24根爐管的溫度無法得到有效監控。為了解決這個問題，決定將GK-VI型裂解爐未配備熱電偶的全部補齊。這樣能更加仔細更加全面地對裂解爐爐管溫度進行監控，為判斷爐管結焦情況提供幫助，以便提前采取措施防止爐管堵塞，有利于裂解爐穩定長周期運行。

GK-VI裂解爐的單組爐管溫控采用4支熱電偶的第二高作為控制值。但是在實際投用狀態下，由于系統投用先進應用控制(APC)溫度高級控制，原料的增減完全依靠單組爐管的COT。當控制溫度出現異常狀況時，原料也隨之出現不正常的波動。為此在系統中對裂解爐的每支爐管內COT設置了溫度高低報警。同時在巡檢時若發現單組4支熱電偶指示偏差增大，則采取手動設定最低COT指示值到最高值，讓真實值最高的溫度值成為第二高值。這樣就可以使每組平均COT取到真實值最高的熱電偶測試值，在投用APC高級控制后，就能自動對每組溫度最高的爐管進行監控調整，避免了溫度最高的爐管沒有得到及時調整而導致結焦的情況。

3.4 工藝調整

橫跨段文丘里進出口壓差過小導致原料分配不均勻，造成原料偏流，進一步引起爐管結焦。為了解決這個問題，首先利用停爐檢修的機會在橫跨段文丘里出口增加現場壓力表，方便監控文丘里出口壓力。同時提高GK-VI型爐投料后的稀釋蒸汽量。當投用石腦油時，第一股稀釋蒸汽量每組設置在550 kg/h，第二股稀釋蒸汽量每組提高至2 500 kg/h；當投用加氫尾油時，第一股稀釋蒸汽量每組設置在850 kg/h、第二股稀釋蒸汽量每組提高至2 800 kg/h。以BA-106為例，稀釋蒸汽量提高后文丘里分配器入口壓力平均提高至0.32 MPa，出口壓力平均為0.24 MPa，所以文丘里分配器進出口壓差為0.08 MPa。根據文丘里進出口壓差與文丘里進口絕對壓力比大于0.15才能起到流量分配均勻效果的原則來計算，0.08/(0.32+0.1)=0.19>0.15，達到了文丘里流量分配均勻的最低要求。

3.5 調整結果

表5為2014年9月至2015年6月GK-VI型裂解爐爐管運行情況統計。從表5中可以看出：通過對汽烴比的優化調整，同時結合GK-VI裂解爐的切料模式進行詳細的規范，以及一系列的裂解爐特護維護工作，GK-VI裂解爐的運行情況得到了較大的改善：在保證運行周期的前提下，將爐管堵塞故障率降低到了零，確保了裝置的長周期運行。

表5 GK-VI型裂解爐爐管運行情況計

4 結語

通過對GK-VI裂解爐產生爐管堵塞的原因排查，技術人員對工藝參數進行試驗調整，確定了可行的操作方法，同時從原料、儀表控制等方面進行補充優化，使得GK-VI裂解爐的運行質量得到了大大的提升，爐管堵塞故障率降低為零。

[1] 吳志光,蘇穎千.減緩裂解爐結焦的措施[J].廣州化工,2005,33(3):71-73.

[2] Jafar T,Mojtaba S,Aligholi N.Coke formation mechanisms and coke inhibiting methods in pyrolysis furnaces[J].Journal of Chemical Engineering of Japan,2002,35(10):923-937.

[3] 李國威,楊利斌,田亮.乙烯裂解爐的結焦及抑制技術[J].石化技術與應用,2007,25(1):75-79.

[4] 崔新安,鄭戰利,申明周.一種抑制和減緩乙烯裂解爐管結焦的方法:中國,1546609[P].2004-11-17.

[5] 常法群.臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置的不確定度分析[J].中國石油和化工標準與質量,2011(7):124.

[6] 張興福,張春祥,姜昌泉.關于優化乙烯裂解原料的探討.化工科技[J],2004,12(1):50-52.

住友化學NOC永久關閉千葉PO/SM生產裝置

住友化學全資子公司日本環氧乙烷公司(NOC)于2015年5月9日永久性關閉了其位于日本千葉的180 kt/a環氧丙烷(PO)和425 kt/a苯乙烯(SM)生產裝置，并決定于6月停止PO的出口，7月份向先前預定的國內消費商供應PO。所有SM的銷售定于5月份結束。

據悉，2013年住友化學從LyondellBasell手中收購了NOC的所有股份。近幾年,由于國內需求持續下滑,而中國和中東地區裝置的新建和產能擴張日益改變供需結構,導致日本石化行業愈發舉步維艱。住友化學為了強化其石化業務運營,優化生產結構,包括對一些化學衍生物裝置的關停,上述生產裝置屬于關停之列。

(李雅麗摘自ICIS,2015-05-18～24)

埃及Echem完成丙烯/生物乙醇項目的可行性研究

埃及石油化工控股公司(Echem)正在對在埃及亞歷山大港投資15億美元投建丙烯和生物基乙醇項目進行可行性研究，其中丙烯項目的可行性研究擬于2015年底完成，該項目的投資額約為20億美元。此外，該公司也在進行50 kt/a稻草轉化成乙醇項目的可行性研究，其投資額為2億～3億美元，并就該項目正與埃及農業部協商原料供應事宜。

(李雅麗摘自PCN ,2015-06-01)

Analysison Causes of Blockage of GK-VI Cracking Furnace Tube and the Countermeasures

Zhan Yingjie,WangZhe,Qian Liming,Shen Dongwei

(OlefinDivision，SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.，Ltd.200540)

Inassociation withthe practical situation of plant，the causes for coking and blockage of GK-VI cracking furnace tube were analyzed.The problem of blockage of GK-VI cracking furnace tube was solved with the measures of optimizing material quality，operating mode of cracking tube and instrument control，and adjusting process，which achieved the aim of lengthening operation cycle of GK-VI cracking furnace and increase the economic benefits of enterprises.

cracking furnace，blocking the tubes，operation cycle，measures

2015-06-12。

張穎杰，男，1986年出生，2011年畢業于南京工業大學化學工業催化專業，碩士，從事烯烴工藝管理工作。

1674-1099 (2015)04-0043-05

TQ221.21+1

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