裂解爐優(yōu)化操作與節(jié)能分析

許建華

摘 要：本文詳細(xì)介紹了乙烯裝置裂解爐圍繞減少燃料消耗、提高乙烯收率和增加超高壓蒸汽發(fā)汽量三方面進(jìn)行的一系列節(jié)能措施，深入剖析優(yōu)化裂解爐操作對(duì)裝置能耗的影響，通過(guò)節(jié)能改造和優(yōu)化操作，以達(dá)到裂解爐挖潛增效的目的。

關(guān)鍵詞：裂解爐；能耗；節(jié)能降耗；熱效率；收率；改造

裂解爐是乙烯裝置的能耗大戶，其能耗占裝置總能耗的80%以上，因此乙烯生產(chǎn)的能耗在很大程度上取決于裂解爐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作。在爐型一定的情況下，降低裂解爐能耗的核心在于使用最少的原料和燃料得到最大收率的目標(biāo)產(chǎn)品，同時(shí)最大限度地回收裂解爐的余熱并加以合理利用。換言之，裂解爐的節(jié)能措施主要圍繞減少燃料消耗、提高乙烯收率和增加超高壓蒸汽發(fā)汽量進(jìn)行的，如圖1所示。本文針對(duì)某乙烯裝置（以下簡(jiǎn)稱乙烯裝置）各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，深入剖析優(yōu)化裂解爐操作對(duì)裝置能耗的影響，尋找裂解爐節(jié)能降耗的可行方法。

1 裂解爐節(jié)能改造

乙烯裝置裂解爐為20世紀(jì)80年代中期的技術(shù)，至今已運(yùn)行30年，耐火材料老化嚴(yán)重，散熱損失大，能耗高，加工能力小，乙烯收率低，各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平有較大差距。近年來(lái)，乙烯裝置大規(guī)模實(shí)施了有針對(duì)性的裂解爐節(jié)能改造升級(jí)，改造主要包括：更換輻射段爐管、對(duì)流段爐管，風(fēng)機(jī)、廢熱鍋爐、汽包、底部燒嘴等更新或改造，配套的儀表電氣等。其中應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)有：

（1）變頻風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)采用變頻器后，可以隨負(fù)荷變化及時(shí)調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓，克服煙道擋板調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，同時(shí)可節(jié)約電能30%～40%。

（2）空氣預(yù)熱器。裂解爐底部燒嘴使用空氣預(yù)熱器后，可節(jié)省2%～3%的燃料量。

（3）線性廢熱鍋爐（SLE）。線性廢熱鍋爐可比普通廢熱鍋爐（TLE）在線運(yùn)轉(zhuǎn)周期提高數(shù)倍，產(chǎn)汽量提高20%以上。

2 裂解爐優(yōu)化操作

當(dāng)前，裂解爐新技術(shù)、新工藝及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用十分廣泛，諸如空氣預(yù)熱器、扭曲片、紅外噴涂、變頻風(fēng)機(jī)等已在設(shè)備硬件方面為節(jié)能降耗提供了有力保障。優(yōu)化操作作為裝置軟實(shí)力，是裂解爐節(jié)能的根本，也是提高裝置競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。

2.1 優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)

原料性質(zhì)在很大程度上決定了裂解的工藝過(guò)程和產(chǎn)品分布，在同一爐型和相同裂解工藝條件下，裂解原料的族組成影響乙烯收率。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)鏈烷烴含量每增減1個(gè)百分點(diǎn)時(shí)，乙烯收率可增減約0.15個(gè)百分點(diǎn)；環(huán)烷烴每增減1個(gè)百分點(diǎn)，乙烯收率減增約0.15個(gè)百分點(diǎn)。

乙烯裝置的裂解原料主要由加氫尾油（HVGO）、石腦油（NAP）、液化石油氣（LPG）等組成，為此，裂解原料品質(zhì)的優(yōu)化必須從優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)入手，適當(dāng)增加NAP、LPG的投入比例，減少HVGO的投入量，以進(jìn)一步提高乙烯收率。

2.2 優(yōu)化裂解深度

由乙烯能耗計(jì)算公式（乙烯能耗=乙烯綜合能耗/乙烯產(chǎn)量=噸原料耗能/乙烯收率）可知，乙烯收率提高1%，則乙烯生產(chǎn)能耗可相應(yīng)降低約1%。決定乙烯收率的因素主要是爐出口溫度（COT）、停留時(shí)間和烴分壓，而裂解爐的這3個(gè)裂解變量是通過(guò)烴進(jìn)料流量、稀釋蒸汽流量、爐管出口壓力和爐管出口溫度這4個(gè)主要操作變量來(lái)調(diào)節(jié)控制的。在實(shí)際生產(chǎn)中，前3個(gè)操作變量是很少變化的，對(duì)乙烯收率的影響很小，只有COT是在一定范圍內(nèi)可做調(diào)節(jié)的操作變量，它是主裂解變量，很小的變化都會(huì)給乙烯收率帶來(lái)顯著變化。因此，不同的原料對(duì)應(yīng)不同的裂解溫度范圍，COT要根據(jù)原料的變化及時(shí)調(diào)整，這樣才能充分發(fā)揮每種原料的裂解潛能。

乙烯裝置的原料變化頻繁、幅度較大，為此，定期對(duì)油品、裂解氣取樣分析，及時(shí)跟蹤原料組成，根據(jù)SPRYO軟件分析的結(jié)果，科學(xué)指導(dǎo)更加合理的爐出口溫度，同時(shí)借助裂解深度優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整最佳的爐出口溫度，最大限度地確保裂解爐經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

2.3 優(yōu)化超高壓蒸汽

超高壓蒸汽（SS）的優(yōu)化工作包括增加廢熱鍋爐發(fā)汽量和減少蒸汽消耗。通常情況下，SS發(fā)汽量與爐出口溫度、投料負(fù)荷、廢鍋清焦質(zhì)量、汽包排污率等因素有關(guān)。一旦裂解爐運(yùn)行，前兩者變化很小，而決定SS發(fā)汽量的可控措施就只有后兩者。

2.3.1 增加廢熱鍋爐發(fā)汽量

廢熱鍋爐換熱的好壞關(guān)鍵是清焦是否徹底，乙烯裝置對(duì)50天以上的裂解爐實(shí)行48小時(shí)程序燒焦，每?jī)蓚€(gè)周期下線水力清焦，以確保廢熱鍋爐發(fā)汽量最大化。在汽包排污率的控制方面，采取如圖1所示的判斷方法。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，汽包間斷排污閥內(nèi)漏現(xiàn)象較為普遍，是造成汽包排污量過(guò)大的主要原因。分析其原因，主要是由于操作不規(guī)范所致，即裂解爐在點(diǎn)火升溫、燒焦、停爐期間，溫度變化頻繁，鍋爐給水量控制不合理，汽包間斷排污閥常常處于小開(kāi)度操作。在這種高溫、高壓、高壓差的苛刻工況下，鍋爐給水流經(jīng)閥體時(shí)足以嚴(yán)重地沖擊損傷閥座、閥芯、閥體，尤其在小開(kāi)度的情況下，巨大的沖刷使閥體的壽命成倍下降。為此，裝置專門(mén)編制了操作注意事項(xiàng)，以規(guī)范裂解爐點(diǎn)火升溫、燒焦、停爐期間的操作，如圖1所示。

2.3.2 減少蒸汽消耗

壓縮機(jī)效率由鍋爐出口蒸汽焓、壓縮機(jī)出口排汽焓和凝結(jié)水焓所決定。由此可知，壓縮機(jī)效率實(shí)際是由鍋爐出口蒸汽壓力、溫度和壓縮機(jī)排汽壓力3個(gè)參數(shù)而定的。根據(jù)水蒸氣的特點(diǎn)可知，蒸汽壓力一定，溫度上升，蒸汽焓值上升，壓縮機(jī)效率提高。年初開(kāi)始，乙烯裝置分步驟將各臺(tái)裂解爐自產(chǎn)SS出口溫度由500℃提升至510℃。從理論上來(lái)說(shuō)，在機(jī)組負(fù)荷不變的情況下，蒸汽消耗量會(huì)下降。實(shí)踐證明，優(yōu)化SS溫度后，在裝置負(fù)荷增加1.49%的情況下，SS消耗只增加了0.74%，如表1所示。

2.4 優(yōu)化燃料氣消耗

乙烯裝置能耗中燃料比重高達(dá)70%以上，因此，減少裂解爐燃料氣消耗是節(jié)能工作的關(guān)鍵。為此，乙烯裝置采取了一系列優(yōu)化措施，以最大限度地減少燃料氣消耗。

2.4.1 提升熱效率

實(shí)踐證明，裂解爐熱效率提高0.5%，燃料氣消耗相應(yīng)下降約0.5%。為此，乙烯裝置通過(guò)加強(qiáng)爐體“防漏堵風(fēng)”、投用底部燒嘴空氣預(yù)熱器、嚴(yán)格控制爐膛負(fù)壓和煙氣氧含量、化學(xué)清洗對(duì)流段爐管外壁、合理控制操作負(fù)荷、改造對(duì)流段排布等措施，使裂解爐平均熱效率達(dá)到93.8%，同比提升1.3%，創(chuàng)歷史最好水平和行業(yè)先進(jìn)水平。

2.4.2 延長(zhǎng)運(yùn)行周期

通過(guò)運(yùn)用扭曲片管技術(shù)、適時(shí)切換裂解原料、實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)燒嘴狀況、應(yīng)用裂解深度先進(jìn)控制等措施，使裂解爐運(yùn)行周期均有不同程度的增加，其中新改造裂解爐的運(yùn)行周期可達(dá)90天以上。

2.4.3 優(yōu)化熱備用時(shí)間

合理調(diào)整點(diǎn)火時(shí)間和操作，科學(xué)縮短升溫時(shí)間，使裂解爐熱備用過(guò)程（從點(diǎn)火到投料）較原來(lái)縮短近4個(gè)小時(shí)，有效減少了鍋爐給水、稀釋蒸汽和燃料氣的消耗。實(shí)施快速在線燒焦操作程序，減少裂解爐的燒焦時(shí)間和次數(shù)，使裂解爐燒焦時(shí)間縮短一半，節(jié)省了大量燒焦蒸汽、工廠風(fēng)及燃料氣消耗。

2.5 優(yōu)化切爐操作

物料損失和能量消耗很大一部分出現(xiàn)在裝置開(kāi)停工過(guò)程及處理裝置問(wèn)題的過(guò)程中，降低損失率和能耗的種種措施均是建立在裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)之上。如果沒(méi)有令人滿意的生產(chǎn)平穩(wěn)率，就絕談不上降低加工損失率，所以一切工作的出發(fā)點(diǎn)都是建立在較高的運(yùn)行平穩(wěn)率的大前提之上。兩臺(tái)或多臺(tái)裂解爐進(jìn)行切換操作時(shí)，將會(huì)打破裝置原有的平穩(wěn)，必然產(chǎn)生一定的無(wú)效生產(chǎn)時(shí)間，這一過(guò)程會(huì)使裝置能耗、物耗增加，產(chǎn)品收率降低，加工損失率大幅上升。因此，抓好裂解爐切換操作的平穩(wěn)性，合理安排人力，科學(xué)優(yōu)化步驟，延長(zhǎng)有效生產(chǎn)時(shí)間，可以在很大程度上降低加工損失率，以達(dá)到增產(chǎn)降耗的目的。

3 節(jié)能分析

3.1 裂解爐改造對(duì)能耗的影響

基于新型裂解爐的先進(jìn)性，5臺(tái)改造爐在熱效率和SS發(fā)汽量方面提升幅度較大，如表2所示。此外，新型裂解爐在產(chǎn)能、運(yùn)行周期和產(chǎn)品收率上均有所提高。按SPYRO軟件計(jì)算，在相同原料條件下，新?tīng)t的雙烯收率較舊爐平均提高0.5%以上。

由表2不難看出，裂解爐節(jié)能改造達(dá)到了預(yù)期的目的，熱效率、SS發(fā)汽量和乙烯收率三方面大幅提升，對(duì)于降低裝置能耗具有積極的作用。

3.2 裂解爐運(yùn)行周期對(duì)能耗的影響

一般來(lái)說(shuō)，延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行周期，意味著減少開(kāi)停爐次數(shù)，在一定程度上可以節(jié)省大量燃料氣消耗，對(duì)裝置能耗起到積極的作用。事實(shí)上，乙烯收率和SS發(fā)汽量與運(yùn)行周期之間存在相互制約、相互影響的關(guān)系。

隨著裂解爐運(yùn)行周期的延長(zhǎng)，爐管中的焦炭量逐漸增厚，則爐出口壓力增加，導(dǎo)致乙烯收率下降；反之，為追求高乙烯收率，必然要提高爐出口溫度，如此會(huì)增加爐管熱負(fù)荷，二次反應(yīng)隨之加速，生炭量快速增加，從而影響運(yùn)行周期。此外，隨著裂解爐運(yùn)行時(shí)間的推移，廢熱鍋爐結(jié)焦量增大，換熱效果變差，產(chǎn)生SS量逐漸變小，一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)行末期與運(yùn)行初期SS發(fā)汽量下降近20%。

因此，把握裂解爐運(yùn)行周期必須綜合權(quán)衡乙烯收率和SS發(fā)汽量的情況而定，不能一味追求長(zhǎng)周期而忽略了高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。實(shí)踐證明，以NAP為原料的裂解爐運(yùn)行40天左右有必要下線燒焦，而采用線性廢熱鍋爐的裂解爐可適當(dāng)延長(zhǎng)運(yùn)行周期至90天左右。

4 結(jié)語(yǔ)

多年來(lái)，乙烯裝置通過(guò)挖新點(diǎn)、找新路、探新道，將節(jié)能管理工作不斷走向深入。經(jīng)過(guò)不懈努力，乙烯裝置的平均能耗降至560kg標(biāo)油/噸乙烯，較上年的降低幅度多達(dá)10%，創(chuàng)歷史最好水平。

參考文獻(xiàn)

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[2]張衍品，李海周.裂解爐的綜合節(jié)能措施[J].乙烯工業(yè)，2011，23（1）：43-45.

（作者單位：南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司）