乙烯裂解爐長周期運行技術(shù)應(yīng)用

張 石

（大慶石化公司化工一廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

目前國內(nèi)石油化工生產(chǎn)企業(yè)，乙烯產(chǎn)品裝置是不可或缺的一部分，其中作為裝置生產(chǎn)乙烯源頭的核心設(shè)備是裂解爐。乙烯裂解爐主要分為輻射段、橫跨段和對流段等3 個部分。通常來講，輻射段的作用是燃料氣在輻射段底部燒嘴處燃燒，釋放出的高溫?zé)崃恳徊糠謧鬟f給輻射室內(nèi)的爐管，將爐管內(nèi)流通的原料進行急速裂解，產(chǎn)生裂解氣，裂解氣經(jīng)過各層精餾工序便能得到最終的主產(chǎn)品乙烯、丙烯等。對流段的作用是用于回收燃料氣燃燒輻射后余熱。其中一部分用來預(yù)熱并氣化對流段盤管內(nèi)的原料，而另一部分剩余的熱量用來預(yù)熱超高壓鍋爐給水及過熱超高壓蒸汽。

裂解爐運行過程中，需要關(guān)注很多數(shù)據(jù)參數(shù)，如爐管裂解出口內(nèi)表面溫度COT、外表面溫度TMT、一級冷出口溫度、原料預(yù)熱段溫度、爐膛負(fù)壓、爐膛溫度、排煙溫度等；除此之外還需要關(guān)注的直觀現(xiàn)象，有爐管運行狀態(tài)（滲碳、彎曲、鼓包嚴(yán)重程度）、火焰燃燒剛度、爐外壁透熱情況、原料干凈與否等。這些參數(shù)及狀態(tài)都是影響爐子能否長周期運行的關(guān)鍵因素。裂解爐是乙烯裝置的能耗大戶，因而周期性下線燒焦都會帶來巨大的能耗，同時也會制約裝置運行負(fù)荷，造成整體收益下降。燒焦頻繁升降溫，致使?fàn)t管壽命大大折損，因此，推進長周期的運行將帶來不可估量的收益。本文將重點論述裂解爐保證長周期運行的措施，以及延長運行周期的輔助技術(shù)應(yīng)用。

1 輻射段爐管運行狀態(tài)的影響及技術(shù)應(yīng)用

1.1 爐管運行狀態(tài)的影響

輻射段爐管在裂解爐流程中處于至關(guān)重要的地位，使其在高溫、短停留時間、低烴分壓操作條件下輸送原料，進行裂解。長期服役的爐管，會出現(xiàn)滲碳、鼓包、蠕變，甚至裂紋開裂等情況。爐管的這種不良狀態(tài)，最終會導(dǎo)致裂解爐的被迫下線，以至于無法保證長周期穩(wěn)定的運行。爐管常規(guī)的蠕脹鼓包變形因素有4 點。

（1）滲碳層。滲碳層由爐管滲碳所產(chǎn)生，正常工況下，爐管滲碳是不可避免的。在發(fā)生滲碳現(xiàn)象后，爐管的滲碳層與非滲碳層的熱膨脹系數(shù)不同，即滲碳層的熱膨脹系數(shù)低于金屬基體，滲碳層會隨著時間發(fā)展越來越厚，熱膨脹系數(shù)也隨之越來越低，滲碳層與非滲碳層熱膨脹系數(shù)的差異將惡化爐管的受力狀況，從而導(dǎo)致爐管變形，甚至出現(xiàn)裂紋。

（2）高溫。因為爐管長期服役于高溫環(huán)境下，所以爐管材料的蠕變同樣不可避免。

（3）爐管內(nèi)壁結(jié)焦。裂解爐管長期在高溫下運行，爐管內(nèi)壁產(chǎn)生結(jié)焦，由于結(jié)焦層的傳熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)均小于管材，當(dāng)爐管內(nèi)的結(jié)焦層較厚時（裂解爐運行末期），為了保證生產(chǎn)效率會相應(yīng)提高爐管的外壁溫度，同時也加劇了爐管的滲碳速率。并且，裂解爐管需要定期進行燒焦，這樣爐管必須承受溫度波動和熱沖擊造成的疲勞作用，而滲碳后疲勞性能的下降影響爐管使用壽命，導(dǎo)致爐管的加速蠕變變形。在燒焦降溫時，如果出現(xiàn)燒焦不徹底，結(jié)焦層會妨礙爐管的熱收縮，產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，甚至使?fàn)t管產(chǎn)生裂紋而開裂損壞。

（4）底部燒嘴的火焰剛直度。在裂解收益一定的前提下，爐膛內(nèi)氧含量控制和燒嘴本身特性決定了火焰剛直度，進而保證爐膛內(nèi)優(yōu)良的熱場分布，火焰不飄不虛，剛直有力，否則長期火焰舔爐管，爐管因受熱不均而導(dǎo)致嚴(yán)重形變。

1.2 改善爐管運行狀態(tài)的措施及技術(shù)應(yīng)用

由上述4 點可知，第一、二點是不可避免的。第三點（內(nèi)壁結(jié)焦）有以下3 種主要措施來優(yōu)化爐管使用狀態(tài)，延長爐管壽命，擴大裂解爐的長周期。

（1）改善裂解原料的偏流問題、最大程度避免原料進量波動。進料量的偏流或波動，使局部爐管原料流量過小或忽高忽低，致使裂解的停留時間過長，加速結(jié)焦。

（2）抑制結(jié)焦，即所謂的預(yù)處理技術(shù)，就是在裂解爐投料前4 h，向爐管內(nèi)注入結(jié)焦抑制劑二甲基二硫（DMDS），在金屬表面形成鈍化膜，減少催化結(jié)焦。同樣DMDS 也可大幅度減少CO的形成，對于后系統(tǒng)（加氫反應(yīng)器）的穩(wěn)定運行也提供保障。

（3）燒焦徹底，即保證爐管內(nèi)焦粉在燒焦期間，全部燃燒吹掃充分，不留殘余，針對特殊情況，可適時延長燒焦時間、提高燒焦溫度。

針對于改善結(jié)焦問題，現(xiàn)階段有2 種輔助技術(shù)應(yīng)用。

（1）輻射段爐管的溫度場監(jiān)控儀器及分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種內(nèi)窺式耐高溫全視場紅外在線測溫設(shè)備，監(jiān)測探頭可以直接伸入爐膛內(nèi)獲取爐管的紅外輻射圖譜。在可視范圍內(nèi)，測量任意一點爐管或標(biāo)記多根的爐管表面溫度，并可以提供高溫超限報警、火嘴熄滅報警以及爐管泄漏報警等技術(shù)支持。系統(tǒng)會依據(jù)完整的歷史溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合壓差及流量流速等相關(guān)參數(shù)，來判斷爐管溫度變化趨勢，對爐管的結(jié)焦趨勢、運行周期的分析和預(yù)測提供有力依據(jù)。較人工測量爐管TMT，效率更大，視野更廣，以及各大的數(shù)據(jù)對比庫。

（2）爐管強化傳熱元件的應(yīng)用。當(dāng)今應(yīng)用較廣是管內(nèi)部增設(shè)強化傳熱元件，用于增大爐管的傳熱面積、并改善爐管內(nèi)物料的流動狀態(tài)。目前為以梅花管（圖1）、MERT 爐管（圖2）、Slit MERT 爐管（圖3）、扭曲片（圖4）、雨滴型爐管等形式為主。增設(shè)的強化傳熱元件改變了管內(nèi)物料的流動狀態(tài)，原料從原來的柱塞流狀變成旋流狀或其他形式，所產(chǎn)生的橫向流動對管壁形成沖擊，從而減薄邊界滯留層，提高對流的傳熱系數(shù)，更減緩爐管內(nèi)表的局部結(jié)焦，進而延長裂解爐操作的運轉(zhuǎn)周期。

其中雨滴型爐管在中石油某乙烯化工廠，投用效果較好，投同樣的輕烴原料，其他光管爐管運行的周期就相對較短。國內(nèi)外很多案例都可以說明爐管的強化傳熱元件對裂解爐長周期運行有著不可或缺的作用。

圖1 梅花管

圖2 MERT 爐管

第四點的火焰剛度，火焰剛度既要通過風(fēng)門、一次風(fēng)門等進風(fēng)量的宏觀調(diào)控，也需要微觀上關(guān)注參數(shù)的變化，做到動態(tài)調(diào)整。燃料氣在燒嘴處燃燒，通常會出現(xiàn)堵塞情況，為防止偏燒造成爐管變形，也要及時對火嘴進行清理。現(xiàn)階段針對裂解爐燒嘴運行狀態(tài)把控的輔助技術(shù)是側(cè)壁燒嘴，即在裂解爐底部側(cè)壁根據(jù)熱場設(shè)計實際情況開設(shè)側(cè)壁火嘴。用于合理調(diào)控?zé)釄龇植肌t管表面溫度TMT 等。

圖3 Slit MERT 爐管

圖4 扭曲片

2 一級冷SLE 運行狀態(tài)的影響及技術(shù)應(yīng)用

2.1 SLE 運行狀態(tài)的影響

裂解爐一級冷設(shè)置在輻射段爐管出口處，通過套管外的超高壓鍋爐給水進行降溫，以減輕裂解氣在高溫條件下，急冷內(nèi)管壁上的快速結(jié)焦。隨著運行時間增長，急冷內(nèi)管焦層越來越厚，會導(dǎo)致一級冷換熱效果下降，進而惡性循環(huán)，加劇管內(nèi)結(jié)焦情況。長期以往，急冷內(nèi)管無法保證良好的運行狀態(tài)，即參數(shù)顯示一級冷出口溫度偏高，若為了維持運行，耗能必然陡增。從多臺裂解爐對比情況看，重質(zhì)爐SLE 結(jié)焦情況更加嚴(yán)重。所以SLE一級冷狀態(tài)限制了裂解爐長周期的運行。

2.2 SLE 急冷內(nèi)管的除焦措施及技術(shù)應(yīng)用

其中，最基本的除焦措施便是蒸汽清焦及空氣燒焦。通過多次使用內(nèi)窺鏡檢查各爐型的清焦、燒焦后急冷內(nèi)管的狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)可知，其基本除焦措施只能將一部分少量的焦塊清除掉，保證長期穩(wěn)定運行并不是辦法，其中重質(zhì)爐尤為明顯。現(xiàn)階段針對裂解爐一級冷運行狀態(tài)調(diào)整的輔助技術(shù)主要是水力清焦（圖5）和機械清焦（圖6）。

（1）水力清焦是使用高壓水，通過特制旋轉(zhuǎn)噴頭，對急冷內(nèi)管進行高壓的沖洗，將管內(nèi)壁上附著的焦塊水力擊打下來，在SLE 清焦口處接收擊碎的焦料。通過多個裝置的調(diào)研，水力清焦均有著較好的成效。其水力清焦需要根據(jù)裂解爐實際運行狀態(tài)作為標(biāo)準(zhǔn)，進行清洗，通過經(jīng)驗來看，一是重質(zhì)爐結(jié)焦速度快，故需要每年清洗1 次；二是同一根爐管多次頻繁堵塞，需要對該根爐管對應(yīng)的SLE 進行水力清焦；三是一級冷出口溫度長期偏高的一組或多組SLE 需要擇機下線水力清焦。

（2）機械清焦是利用高壓水泵產(chǎn)生3～4 MPa 的水壓，將清焦球推入結(jié)焦的管道內(nèi)，作為除垢工具，在管道內(nèi)來回運動，通過清焦球表面附帶的螺釘狀金屬物對管道內(nèi)壁做反復(fù)機械摩擦，將附著在管道內(nèi)壁上的污垢及銹刮除掉，管道清理完畢后再放入清焦測試球來觀察管道內(nèi)情況，以確保最好的清焦效果。

3 結(jié)語

圖5 水力清焦

圖6 機械清焦（通球）

這些技術(shù)應(yīng)用和措施都是為了延長裂解爐長周期運行，實用且前沿。同種情況、問題的提前干預(yù)，對于同類生產(chǎn)裝置也具有很好的前瞻性。保證裂解爐的長周期運行不是一朝一夕可見成效，需要更多總結(jié)，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇胧鼉?yōu)良簡化的技術(shù)支持。