乙烯裝置裂解爐熱效率分析與探討

趙世彬 劉 剛 王曉剛

(中國石油蘭州石化公司乙烯廠)

乙烯裝置裂解爐熱效率分析與探討

趙世彬*劉 剛 王曉剛

(中國石油蘭州石化公司乙烯廠)

闡述了乙烯裝置裂解爐熱效率的概念，提出通過減少裂解爐的排煙損失、不完全燃燒損失和散熱損失，在確保爐膛內燃料氣完全燃燒的情況下，盡可能降低煙氣中氧含量和排煙溫度的手段來提高裂解爐熱效率，通過改進優化措施和加強裂解爐管控實現了裂解爐熱效率的穩步提升。

乙烯裂解爐 熱效率 熱損失 氧含量 排煙溫度

乙烯裝置中裂解爐是主要耗能設備(占總能耗的70%～80%)。 降低裂解爐的能耗、提高熱效率是實現乙烯裝置節能降耗和降低成本的重要途徑。中國石油蘭州石化公司乙烯廠46萬t/a乙烯裝置于2005年4月開工建設，2006年11月建成投產。該裝置5臺裂解爐均采用KBR公司和Exxon Mobil公司共同開發的SC-1型管式裂解爐，單臺裂解爐設計生產能力為13萬t/a，設計熱效率為92.5%。SC-1型裂解爐輻射段爐管為內翅片單程直管，具有短停留時間(0.08～0.12s)、高溫、低烴分壓、高選擇性、乙烯收率高及熱效率高等特點。裂解反應為強吸熱反應，需要在高溫條件下進行，反應熱由燃料燃燒供給，在爐膛輻射段為裂解反應提供熱量，高溫煙氣經過對流段各部分換熱得到綜合利用，根據不同能位分別用于原料和稀釋蒸汽的預熱和過熱、超高壓蒸汽的過熱和鍋爐給水的預熱。

1 熱效率的計算方法

通常乙烯裝置裂解爐熱效率計算方法為裂解爐損失熱量與輸入熱量之比，根據石油化工管式裂解爐熱效率的計算方法，輸入熱量等于總供熱量(包括燃料低放熱量、燃料顯熱和空氣顯熱)減去損失熱量(損失熱量等于排煙熱損失、燃料不完全燃燒熱損失和爐壁散熱損失之和)：

式中Q1——排煙熱損失；

Q2——不完全燃燒熱損失；

Q3——爐壁散熱損失；

Qe——總供熱量；

η——熱效率，%。

在熱效率計算中，通過煙氣中氧含量、排煙溫度和煙氣中CO含量3個參數計算出煙氣熱損失和不完全燃燒損失。提高裂解爐熱效率最直接的手段就是降低裂解爐煙氣熱損失，這就需要降低煙氣中氧含量、排煙溫度和煙氣中CO含量。在確保爐膛內燃料氣能夠完全燃燒的情況下，盡可能降低煙氣中氧含量和排煙溫度，是提高裂解爐熱效率的有效途徑。影響乙烯裝置裂解爐熱效率的主要因素是排煙損失和爐壁散熱損失，由于爐壁散熱損失為定值(3%)，因此裂解爐熱效率的高低主要由煙氣熱損失來決定。其中影響煙氣散熱損失的主要是排煙溫度、爐膛氧含量和煙氣中CO含量。

2 影響熱效率的因素分析

2.1氧含量的影響

在相同排煙溫度下，氧含量升高，則過剩空氣系數增加，熱效率相應下降，排煙熱損失上升，因此必須對氧含量進行控制。氧含量控制的目標是在確保燒嘴正常燃燒的前提下，將過剩空氣系數控制在較低水平。在相同排煙溫度下，氧含量每升高1%，對應過剩空氣系數提高0.06，熱效率相應下降0.2%～0.3%。氧含量過高，過剩空氣系數高，煙氣帶走大量熱量，造成熱損失增大；氧含量過低，燃料氣不能完全燃燒，造成燃料浪費，使熱效率下降。一般通過調整爐膛負壓和燒嘴風門開度，將氧含量控制在合理范圍內。

2.2排煙溫度的影響

排煙溫度是指裂解爐的煙氣離開對流段最上層管排(一般為原料預熱盤管)時的溫度。隨著排煙溫度的降低，裂解爐熱效率逐漸提高。根據熱效率計算公式，排煙溫度下降10℃，熱效率上升0.5%左右。但排煙溫度過低，則可能造成低溫露點腐蝕，使對流段換熱盤管受到損壞。

2.3其他影響因素

根據熱效率計算公式，CO含量變化0.01%，熱效率變化0.04%，因此CO含量會對裂解爐熱效率產生一定的影響。

裂解原料、 COT溫度、稀釋蒸汽比例及原料預熱溫度等不同，會導致裂解爐熱負荷和排煙溫度的差異。由于氣相原料需要更高的裂解溫度，因此，輻射段溫度和熱負荷較液相爐偏高，并且氣相原料在對流段吸熱較少。因此氣相爐排煙溫度較高，熱效率相對偏低。氣相裂解原料投入多，裂解爐整體熱負荷增加，對排煙溫度影響較大，致使氣相爐熱效率較液相爐偏低。

裂解爐在長期運行過程中，受氣流、火焰沖刷等影響，會出現耐火襯里縫隙過大，人孔、檢修門、觀火孔模塊損壞，保溫棉脫落等現象，造成裂解爐局部過熱，爐外壁溫度超標，散熱損失增大。

乙烯裝置裂解爐在對流段設有蒸汽吹灰系統，但是由于長期連續使用和難以在線維護的原因，造成目前各裂解爐對流段吹灰系統存在不同程度的故障，難以對裂解爐對流段盤管進行徹底全面的吹掃，使各裂解爐對流段存在一定的積灰現象。對流段盤管存在積灰將會直接影響對流段盤管的換熱，導致煙氣中的殘余熱量難以吸收，造成裂解爐排煙溫度升高，影響裂解爐熱效率。

3 改進措施

通過分析可以看出，影響裂解爐熱效率的因素是多方面的，提高熱效率最直接的手段就是降低煙氣熱損失，這就需要降低煙氣中氧含量、排煙溫度和煙氣中CO含量。

3.1更換新型燃燒器

乙烯裝置使用的是John Zink公司提供的分級燃料燃燒器(圖1)，原燃燒器燒嘴孔徑過小、開孔位置較低，致使燃料氣的線速度過高和在火盆上的反射，這樣易造成火焰發飄和撲舔爐管的現象發生。為避免火焰撲舔爐管，只能加大風門開度，但風門開度過大，將導致裂解爐爐膛內氧含量過高。由于原燃燒器存在缺陷，導致裂解爐爐膛內氧含量偏高，影響投油生產負荷和裂解爐熱效率。經過對設計和操作參數的分析對比，認為燃料變化、火焰形狀和爐膛煙氣流動狀態造成燃料未能與空氣良好混合，直接影響到燃燒器的燃燒狀態和熱強度，需要消耗大量的燃料和更多的空氣。后經多次與各燃燒器廠家討論交流，筆者決定對裂解爐燃燒器進行優化改造，將原燃燒器更換為Exxon Mobil公司專為SC-1裂解爐設計的LN2-C型燃燒器(圖2)。該新型燃燒器可有效解決燃料氣在火盆外表面反射的問題，使燃料氣與助燃空氣均勻混合，消除了缺氧區。改造更換后明顯改善了火焰燃燒狀況，取得了良好效果。

圖1 原燃燒器燃燒狀況示意圖

圖2 LN2-C型燃燒器燃燒狀況示意圖

裂解爐進行燃燒器改造更換后，火焰燃燒狀況有明顯好轉(表1)。改造前火焰明亮、軟散、發飄，直撲裂解爐爐管；改造后火焰較暗、剛勁有力，有效解決了燃料氣在火盆外表面反射的問題，使得爐膛內氧含量和排煙溫度有所下降。目前已對3臺裂解爐進行了燃燒器改造更換，剩余裂解爐的燃燒器將擇機進行更換改造。

表1 改造前、后裂解爐熱效率監測數據

3.2增加空氣預熱器

當進入裂解爐的空氣溫度較高時，可以減少加熱空氣的燃料消耗量。該乙烯裝置通過實施1#爐空氣預熱器節能改造項目，增加了空氣預熱器，利用急冷水作為空氣預熱器的加熱介質，給助燃空氣進行預熱，回收了急冷水熱量。減少裂解爐燃料氣消耗的同時，減少了循環冷卻水用量，達到了裝置節能降耗的目的。1#爐空氣預熱器投用后，燃料氣消耗量下降248.1kg/h，排煙溫度下降了3.1℃，提高了裂解爐熱效率。

3.3改善爐體保溫密閉性能

46萬t/a乙烯裝置已運行近十年，隨著裂解爐運行時間的增加，其密封材料性能和耐火材料保溫性能都在下降。自2006年開工投產至今，未進行爐體保溫材料的整體更換和維修，人孔、檢修門耐火磚及保溫材料等逐步老化、破損，導致裂解爐外壁溫度偏高，爐體散熱損失逐步增加。為此，在裂解爐停爐檢修時，將修復爐膛內壁保溫作為重要工作，使用保溫材料將保溫墻裂縫進行填塞，對爐墻和爐底局部脫落、老化失效的保溫材料進行修復完善，盡量消除高溫點，提高保溫效果。同時，對爐體漏風的地方及時進行修復處理，以改善爐體的保溫性和密閉性，減少爐壁散熱損失。

3.4優化工藝操作，強化火焰管控

經過技術人員討論決定對裂解爐火焰采用二次調節的方式，以達到優化裂解爐火焰的目的。在每次裂解爐負荷調整后，要求操作人員根據標準對裂解爐火焰進行初調，將裂解爐火焰限制在一個較優的范圍內，然后再根據現場火焰的實際情況對風門進行精細調節。考慮到火焰調節標準難以量化、各人調節存在偏差的問題，特別指派專人進行裂解爐火焰的二次調節，同時制定出相關控制參數，盡最大可能改善火焰的燃燒狀況。實施后裂解爐火焰的燃燒情況出現了明顯好轉，裂解爐熱效率較之前有所提高，同時由于火焰燃燒狀況的改善，裂解爐的運行周期也有所提高。

加強對裂解爐的維護和監控，密切關注并調整火焰燃燒狀況，根據裝置實際生產狀況和投油負荷，及時調整各個通道的燃料氣量和風門開度。加強對熱效率、排煙溫度、氧含量、CO含量及爐膛負壓等指標的管控。若員工對火焰管理不到位，一旦發現裂解爐火焰燃燒狀況差，則會對相關責任人員進行考核。在裂解爐每次退出燒焦時，對對流段盤管進行吹灰，盡可能使加熱爐操作運行達到最佳狀態。

3.5采用先進控制方案

針對裂解爐操作運行中存在的工藝參數繁多、控制過程復雜和干擾因素多的問題，筆者在裂解爐中引入先進控制系統，改善裂解爐控制品質，提高裂解爐精細化操作水平。先進控制器投用后，投用率大于95%，提高了操作平穩性，優化了工藝操作；COT溫度偏差在±1℃，總烴進料量波動范圍在0.5%以內，裂解溫度、進料量和燃料氣流量波動范圍明顯減小，實現了平穩生產運行和精細化操作。

3.6及時維護在線氧表

由于裂解爐爐膛氧含量在線表讀數與節能監測中心現場實際監測數值存在較大偏差，導致崗位人員缺乏參考依據，給操作帶來困難，不利于裂解爐的穩定運行和熱效率的提高。兩者存在較大誤差的主要原因是裂解爐在線氧表數據不準確；另外，由于裂解爐長時間的運行，爐體密閉性能下降，觀火孔、對流段部分區域存在漏風現象，一定程度上造成兩者存在差值。針對該問題，在監測熱效率時，節能監測人員、乙烯廠人員與在線儀表人員需共同參加，將現場實際監測數據與在線儀表數據進行檢查、核對，發現問題及時處理，盡量確保數據準確可靠、有效地指導工藝操作。

3.7后續保障

將爐體保溫更換列入大檢修項目，在下次大檢修時整體更換裂解爐內壁爐墻保溫，以改善裂解爐保溫性能。申報采購新火盆，用以更換老化、損壞的火盆，改善裂解爐火焰燃燒狀況。聯系廠家盡快修復裂解爐吹灰器，使吹灰器恢復正常運行狀態。論證裂解爐對流段清洗的可行性，對對流段盤管進行化學清洗，以改善裂解爐運行狀況，為裂解爐節能降耗和提高熱效率創造有利條件。

4 改進效果

經過改進和工藝優化，實現了裂解爐熱效率的穩步提升， 2015年上半年乙烯裝置5臺裂解爐熱效率累計平均值為93.45%，超過達標指標(93.20%)，達到開車以來的最好水平。近幾年裂解爐熱效率統計情況見表2。

表2 裂解爐熱效率情況統計表

目前乙烯裝置裂解爐平均熱效率、排煙溫度等指標均優于設計值。在現有操作條件下，裂解爐滿足低能耗、長周期、雙烯收率高及熱效率高等多項要求，裂解爐熱效率已達到較好水平，也是現有條件下的最好水平。

5 結束語

提高裂解爐熱效率的關鍵是對裂解爐各種熱損失進行合理有效控制，提高熱量綜合利用率。在實際生產中，應加強對排煙溫度和煙氣氧含量兩項指標的控制，盡可能降至較低水平，同時改善火焰燃燒狀況，以提高裂解爐熱效率。通過對裂解爐熱效率的影響因素進行分析探討，采取相應改進措施和優化工藝操作，并加強裂解爐的日常管理維護和技術攻關，控制排煙溫度和氧含量，改善火焰燃燒狀況，有效提高了裂解爐的熱效率，實現了裝置的節能降耗。

ZHANG Zhong-bin, XIE Fei-fan, DONG Bing, XU Zhi-ming
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Having fractal theory and image disposal method based to investigate surface morphology of the differently-sized particle fouling was implemented to show that, the particle fouling has fractal property and the particle sizes can influence fouling surface’s fractal dimension; and the fractal dimension of nanoparticle fouling is bigger than that of the micron particle fouling; and the fractal dimension can be used to quantitatively describe both morphology and porous distribution of the particle fouling surface. The bigger fractal dimension can result in rougher fouling surface.

plate heat exchanger, fractal theory, particle fouling

* 趙世彬，男，1981年8月生，工程師。甘肅省蘭州市,730060。

TQ054

B

0254-6094(2016)02-0244-04

2015-12-17)

(Continued from Page 161)