乙烯裝置全爐運行生產工況與常規生產工況運行對比分析

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備，能耗約占裝置總能耗的75%～80%（取決于所選原料性質、爐型和結構）[1]，因此裂解爐運行數據的優劣直接影響裝置的物耗、能耗。各企業從優化裂解爐運行著手，根據上下游物料平衡，選擇最合理的生產工況，并實施必要的技術改造，最大限度地獲得目的產品收率，降低裝置能耗，降低產品單位成本，實現效益最大化。

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，裂解爐共設計有8臺，液態爐為USC-176U型爐，氣態爐為USC-12M型爐，8臺爐分配為4重（H）＋3輕（L）＋1氣態（Q）設計，其中6#、7#爐A爐膛設計為裂解液態和氣態原料，裂解氣態時與循環乙烷/丙烷爐互為備用。重質原料包括減一/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年經過核算和技術改造，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＋1備用的生產模式。正常生產模式下，備用爐基本處于停爐狀態，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，按此模式生產的后果是裝置能耗較高，經濟性差。

為優化裝置運行，打破操作瓶頸，查找最佳生產工況，經過對裝置生產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）的操作工況，并對8臺爐生產的工況進行工藝標定，驗證其經濟性和可行性。

2 裂解爐不同工況下標定情況

2.1 進料負荷分配對比

根據裝置設計工況要求，裂解爐進料滿負荷為307 t/h。在后續的實際生產過程中，經上游原料實施分儲分裂及裂解爐工藝優化調整，裂解爐基本保持在315 t/h運行，是設計負荷的102.6%。按2.5 H＋3 L＋0.5 LPG＋1氣態＋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氣態的模式組織生產（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提高。

對于特定的裂解爐而言，單位加工負荷減少，優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優化調整，保持裂解爐最佳運行狀態，比較工況1、2各爐關鍵運行數據，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均適當提高，相同進料負荷下SS產量增加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，均表現為排煙溫度偏高；為保證加工負荷，在工況1時導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，調整裂解爐優化運行的手段加強，過剩空氣系數降低，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，潛在表現是停留時間較工況1時有所延長，經適當提高工況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計值（重質0.283 MPa，輕質0.262 MPa），表明工況2時各爐裂解反應的停留時間滿足設計要求；工況2時各原料裂解深度適當提高，在保證合理稀釋比的情況下，燃料消耗未表現出明顯增加。

表3 工況1各爐運行情況

表4 工況2各爐運行情況

2.3 產品收率對比

標定期間分別截取兩種穩定工況下的72 h產品收率數據進行分析，對比兩種工況下裝置運行的經濟性。產品收率數據整理見表5。

由表5可知，工況2相比工況1產品收率變化明顯，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。氫氣產量增加0.22 t/h，在氫氣并入總管網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的壓力；自產燃料氣（甲烷）產量增加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）；混合碳四產量降低2.33 t/h，根據碳四餾出口樣品分析數據顯示，其中丁二烯質量分數約占52%，受近階段丁二烯產品市場單價高企影響，丁二烯產量的降低，會對工況2的經濟性造成一定影響，有待后續根據市場變化對工況2進行產品收率優化。

表5 數據整理

3 裝置能耗對比

在乙烯裝置的能耗計算中，各企業受產能和工藝技術路線不同的影響，會出現略有不同的計算方法，但基本遵從：

的原則[3]。撫順乙烯設計能耗結構見圖1。

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

圖1 能耗結構

對應截取上述兩種工況（公用工程條件基本相同，冷卻水溫度在24～25℃之間）72 h各燃動消耗數據，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不同和兩種工況下乙烯產量不同影響，工況2相比工況1自產燃料氣能耗增加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，主要受乙烯產量不同影響。

4 經濟效益分析

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 產出成本

根據兩種工況的產品量，按各種產品折算單價計算，兩種工況產出成本比較見表8。由表7、8得出的投入與產出成本差值為4 505元/h。

表8 產出成本比較

4.3 裂解爐消耗對比

自產SS效益：

（工況2產生SS量-工況1產生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自產燃料氣量＋外補天然氣量）×單價-（工況1自產燃料氣量＋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）

風機用電消耗成本：

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

由以上數據可得：工況2比工況1每小時增加效益4 785.8元。

5 裝置實施全爐生產的運行優勢分析

1）8臺爐參與生產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。同時對后續單元大機組、重要設備及系統調整產生的波動降至最低。

4）由于每臺爐分擔的負荷較低，裂解深度可優化提高，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，為裝置后續擴能改造積累重要數據。

6 實施全爐生產存在的問題

在標定期間，裂解爐工況2運行時受注氣量適當提高的影響，裂解反應中伴隨的水煤氣反應增加，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。

經過對全爐和常規工況在不同負荷下的生產數據整理和對比，分析計算裝置經濟效益時，發現當兩種工況原料結構相近，加工負荷率在93.3%時，兩種工況經濟效益基本接近；隨著加工負荷率的提高，達到103.7%時，全爐生產工況表現出經濟效益最大化；當加工負荷率繼續提高，全爐生產工況的經濟效益呈下降趨勢，當負荷率提高至109.1%時，兩種工況經濟效益又基本接近。兩種工況的經濟效益-負荷率趨勢對比見圖2。

7 結論

撫順乙烯打破傳統操作模式，實現不設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，同時也顯現出裝置操作的靈活性和可優化性，標定數據為乙烯裝置高負荷運行提供了參考。