乙烯裝置全爐運行生產(chǎn)工況與常規(guī)生產(chǎn)工況運行對比分析

張曉，張勇，劉國剛，朱景剛，呂雪

（中國石油撫順石化公司，遼寧撫順 113004）

在傳統(tǒng)蒸汽裂解制乙烯的工藝中，裂解爐是乙烯裝置最主要的耗能設(shè)備，能耗約占裝置總能耗的75%～80%（取決于所選原料性質(zhì)、爐型和結(jié)構(gòu)）[1]，因此裂解爐運行數(shù)據(jù)的優(yōu)劣直接影響裝置的物耗、能耗。各企業(yè)從優(yōu)化裂解爐運行著手，根據(jù)上下游物料平衡，選擇最合理的生產(chǎn)工況，并實施必要的技術(shù)改造，最大限度地獲得目的產(chǎn)品收率，降低裝置能耗，降低產(chǎn)品單位成本，實現(xiàn)效益最大化。

1 裂解爐簡介

中國石油撫順石化公司80萬t/a乙烯裝置采用斯通韋伯斯特（S ＆ W）工藝技術(shù)，裂解爐共設(shè)計有8臺，液態(tài)爐為USC-176U型爐，氣態(tài)爐為USC-12M型爐，8臺爐分配為4重（H）＋3輕（L）＋1氣態(tài)（Q）設(shè)計，其中6#、7#爐A爐膛設(shè)計為裂解液態(tài)和氣態(tài)原料，裂解氣態(tài)時與循環(huán)乙烷/丙烷爐互為備用。重質(zhì)原料包括減一/減頂油（AGO）、加氫尾油（HTO）等；輕原料包括石腦油（NAP）、拔頭油、輕烴等；為拓寬裂解原料來源，2014年經(jīng)過核算和技術(shù)改造，液化氣（LPG）被引入裝置以氣相方式進行加工，使撫順乙烯形成2.5 H＋3 L＋0.5 LPG＋1氣態(tài)＋1備用的生產(chǎn)模式。正常生產(chǎn)模式下，備用爐基本處于停爐狀態(tài)，除備用爐投油前的準備階段需額外消耗一定燃動外，此種模式被確認為是最節(jié)能的工況。在北方的冬季，備用爐的防凍問題突出，日常維護量較大，維護費用隨之增加，所以裂解爐冬季操作上一般采取7開＋1低溫備用的模式生產(chǎn)，按此模式生產(chǎn)的后果是裝置能耗較高，經(jīng)濟性差。

為優(yōu)化裝置運行，打破操作瓶頸，查找最佳生產(chǎn)工況，經(jīng)過對裝置生產(chǎn)狀況梳理和裂解原料分配核算，實施了取消備用爐運行模式（8臺裂解爐全部參與生產(chǎn)）的操作工況，并對8臺爐生產(chǎn)的工況進行工藝標定，驗證其經(jīng)濟性和可行性。

2 裂解爐不同工況下標定情況

2.1 進料負荷分配對比

根據(jù)裝置設(shè)計工況要求，裂解爐進料滿負荷為307 t/h。在后續(xù)的實際生產(chǎn)過程中，經(jīng)上游原料實施分儲分裂及裂解爐工藝優(yōu)化調(diào)整，裂解爐基本保持在315 t/h運行，是設(shè)計負荷的102.6%。按2.5 H＋3 L＋0.5 LPG＋1氣態(tài)＋1低溫備用的模式操作時（工況1），各爐加工負荷及原料種類見表1。

表1 工況1原料種類及負荷分配

在裝置無備用爐時，考慮上下游物料平衡及貼近工況1的加工方式，按2.5 H＋4 L＋0.5 LPG＋1氣態(tài)的模式組織生產(chǎn)（工況2），負荷仍保持315 t/h，各爐加工負荷及原料種類見表2。

通過表1、2可以看出，在工況1下運行時，各爐基本保持高負荷運行，個別爐加工負荷接近110%。而在工況2時，各爐單位加工負荷明顯降低，負荷率保持在80%～90%之間。與工況1相比，工況2的輕、重原料占比控制手段增強，原料分配方式更加靈活，裝置加工能力可繼續(xù)提高。

對于特定的裂解爐而言，單位加工負荷減少，優(yōu)化空間得到進一步釋放，在保證一定裂解深度的情況下，燃料氣耗量下降，過剩空氣系數(shù)降低，輻射段爐管所承受的熱強度降低，爐管表面溫度降低，整個裂解爐熱負荷分配更加合理，運行效率增加，同時對延長清焦周期也起到關(guān)鍵作用[2]。

表2 工況2原料種類及負荷分配

2.2 裂解爐運行情況對比

在裝置進料負荷相同的情況下，通過對各爐運行參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，保持裂解爐最佳運行狀態(tài)，比較工況1、2各爐關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)，見表3、4。

通過表3和表4可以看出，工況2各原料裂解COT較工況1均適當(dāng)提高，相同進料負荷下SS產(chǎn)量增加6 t/h；兩種工況下混裂爐受A、B爐膛裂解溫度不同、熱負荷分配偏差較大的影響，均表現(xiàn)為排煙溫度偏高；為保證加工負荷，在工況1時導(dǎo)致部分裂解爐高負荷運行，裂解爐運行效率降低；工況2時，平均各裂解爐進料負荷在80%～90%之間，調(diào)整裂解爐優(yōu)化運行的手段加強，過剩空氣系數(shù)降低，排煙溫度降低，平均熱效率增加0.61%；工況2時裂解爐橫跨壓力有所降低，潛在表現(xiàn)是停留時間較工況1時有所延長，經(jīng)適當(dāng)提高工況2的各爐稀釋蒸汽注入量增加稀釋比的同時對比橫跨段壓力設(shè)計值（重質(zhì)0.283 MPa，輕質(zhì)0.262 MPa），表明工況2時各爐裂解反應(yīng)的停留時間滿足設(shè)計要求；工況2時各原料裂解深度適當(dāng)提高，在保證合理稀釋比的情況下，燃料消耗未表現(xiàn)出明顯增加。

表3 工況1各爐運行情況

表4 工況2各爐運行情況

2.3 產(chǎn)品收率對比

標定期間分別截取兩種穩(wěn)定工況下的72 h產(chǎn)品收率數(shù)據(jù)進行分析，對比兩種工況下裝置運行的經(jīng)濟性。產(chǎn)品收率數(shù)據(jù)整理見表5。

由表5可知，工況2相比工況1產(chǎn)品收率變化明顯，乙烯收率提高0.94百分點，丙烯收率降低0.45百分點，雙烯收率提高0.49百分點。氫氣產(chǎn)量增加0.22 t/h，在氫氣并入總管網(wǎng)再分抽至用戶的控制方式下，可減輕上游制氫裝置高負荷生產(chǎn)的壓力；自產(chǎn)燃料氣（甲烷）產(chǎn)量增加5.67 t/h，很大程度上緩解冬季天然氣作為外補燃料的不足；同時丙烯產(chǎn)量降低，可緩解下游碳三鏈的物料不平衡（減少過量丙烯外運壓力）；混合碳四產(chǎn)量降低2.33 t/h，根據(jù)碳四餾出口樣品分析數(shù)據(jù)顯示，其中丁二烯質(zhì)量分數(shù)約占52%，受近階段丁二烯產(chǎn)品市場單價高企影響，丁二烯產(chǎn)量的降低，會對工況2的經(jīng)濟性造成一定影響，有待后續(xù)根據(jù)市場變化對工況2進行產(chǎn)品收率優(yōu)化。

表5 數(shù)據(jù)整理

3 裝置能耗對比

在乙烯裝置的能耗計算中，各企業(yè)受產(chǎn)能和工藝技術(shù)路線不同的影響，會出現(xiàn)略有不同的計算方法，但基本遵從：

的原則[3]。撫順乙烯設(shè)計能耗結(jié)構(gòu)見圖1。

通過圖1可以看出，裝置能耗主要包括燃料（自產(chǎn)燃料氣、天然氣、開工氫氣）、動力（蒸汽、循環(huán)水、電、風(fēng)等）和其他三部分。

圖1 能耗結(jié)構(gòu)

對應(yīng)截取上述兩種工況（公用工程條件基本相同，冷卻水溫度在24～25℃之間）72 h各燃動消耗數(shù)據(jù)，進行兩種工況的能耗對比，見表6。

由表6可以看出，工況2相比工況1的綜合能耗降低14.45 kgEO/t標油，其中燃料部分能耗下降11.92 kgEO/t標油；動力部分下降2.29 kgEO/t標油；其他能耗下降0.22 kgEO/t標油。

表6 燃動單耗及裝置能耗對比

工況1消耗自產(chǎn)燃料氣39.05 t/h，消耗外補天然氣15.54 t/h；工況2消耗自產(chǎn)燃料氣44.73 t/h，消耗外補天然氣10.27 t/h。受兩種燃料的對比折能系數(shù)不同和兩種工況下乙烯產(chǎn)量不同影響，工況2相比工況1自產(chǎn)燃料氣能耗增加1.73 kgEO/t標油，天然氣能耗減少13.65 kgEO/t標油。動力和其他部分對兩種工況能耗影響較小，主要受乙烯產(chǎn)量不同影響。

4 經(jīng)濟效益分析

4.1 原料投入成本

裂解爐加工原料總負荷315 t/h，原料種類和負荷分別見表1、2，按各種原料折算單價計算，兩種工況投入成本比較見表7。

表7 投入成本比較

4.2 產(chǎn)出成本

根據(jù)兩種工況的產(chǎn)品量，按各種產(chǎn)品折算單價計算，兩種工況產(chǎn)出成本比較見表8。由表7、8得出的投入與產(chǎn)出成本差值為4 505元/h。

表8 產(chǎn)出成本比較

4.3 裂解爐消耗對比

自產(chǎn)SS效益：

（工況2產(chǎn)生SS量-工況1產(chǎn)生SS量）×單價=（376-369.6）×300=1 920（元/h）

消耗DS成本：

（工況2消耗DS量-工況1消耗DS量）×單價=（220.5-219.3）×180=-216（元/h）

燃料氣消耗成本：

（工況2自產(chǎn)燃料氣量＋外補天然氣量）×單價-（工況1自產(chǎn)燃料氣量＋外補天然氣量）×單價）=（55×3328）-（54.6×3328）=-1 331.2（元/h）

脫鹽水消耗成本：

（工況2消耗量-工況1消耗量）×單價=（376-369.6）×10=-64（元/h）

二甲基二硫（DMDS）消耗成本：

（工況2消耗量-工況1消耗量）×單價=（42.8-40.3）×27.3=-68（元/h）

風(fēng)機用電消耗成本：

（7＋1臺爐風(fēng)機耗電費用/h）-（6＋1＋1備用爐風(fēng)機耗電費用/h）=（90＋180×7）-（90＋200×6＋100）=40（元/h）

由以上數(shù)據(jù)可得：工況2比工況1每小時增加效益4 785.8元。

5 裝置實施全爐生產(chǎn)的運行優(yōu)勢分析

1）8臺爐參與生產(chǎn)不存在備用爐冬季防凍問題。

2）在一定負荷下，8臺爐中每一臺爐的加工負荷低于7臺爐中每一臺爐所承受的負荷，對稀釋比、橫跨段溫度和壓力、裂解深度、排煙溫度、爐膛氧含量、爐管熱強度、裂解爐熱效率、燒嘴燃燒情況等操作參數(shù)釋放出空間，保證裂解爐的整體效率提高。

3）在投退爐期間，采取邊退邊投的方式，保持裝置總負荷穩(wěn)定，對運行爐裂解溫度的控制擾動較小，從而大大降低了爐管在投退油過程中焦粉脫落、爐管堵塞的可能。同時對后續(xù)單元大機組、重要設(shè)備及系統(tǒng)調(diào)整產(chǎn)生的波動降至最低。

4）由于每臺爐分擔(dān)的負荷較低，裂解深度可優(yōu)化提高，原料分配方式更加靈活，裝置能耗降低。

5）8臺爐生產(chǎn)期間，分階段提高裝置總負荷，對每一個階段進行標定，查找裝置高負荷運行瓶頸，為裝置后續(xù)擴能改造積累重要數(shù)據(jù)。

6 實施全爐生產(chǎn)存在的問題

在標定期間，裂解爐工況2運行時受注氣量適當(dāng)提高的影響，裂解反應(yīng)中伴隨的水煤氣反應(yīng)增加，通過對堿洗塔入口裂解氣中CO2的定量分析得出，工況2較工況1時CO2增量為46 mL/m3，為保證堿洗合格，新鮮堿補入量較工況1增加約120～150 kg/h。新鮮堿的補入量增加和廢堿處理量的提高會對裝置的整體運行成本有所影響。

經(jīng)過對全爐和常規(guī)工況在不同負荷下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)整理和對比，分析計算裝置經(jīng)濟效益時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種工況原料結(jié)構(gòu)相近，加工負荷率在93.3%時，兩種工況經(jīng)濟效益基本接近；隨著加工負荷率的提高，達到103.7%時，全爐生產(chǎn)工況表現(xiàn)出經(jīng)濟效益最大化；當(dāng)加工負荷率繼續(xù)提高，全爐生產(chǎn)工況的經(jīng)濟效益呈下降趨勢，當(dāng)負荷率提高至109.1%時，兩種工況經(jīng)濟效益又基本接近。兩種工況的經(jīng)濟效益-負荷率趨勢對比見圖2。

7 結(jié)論

撫順乙烯打破傳統(tǒng)操作模式，實現(xiàn)不設(shè)置備用爐的運行工況，解決了裂解爐冬季備用防凍問題。通過對此工況進行標定，確認可以降低裝置的運行成本和物耗、能耗，同時也顯現(xiàn)出裝置操作的靈活性和可優(yōu)化性，標定數(shù)據(jù)為乙烯裝置高負荷運行提供了參考。