乙烯裝置能耗分析與優(yōu)化措施

徐天賜

(中韓(武漢)石油化工有限公司,湖北 武漢 430000)

目前,我國(guó)生產(chǎn)乙烯的主要技術(shù)是通過高溫裂解爐對(duì)天然氣、煉廠氣、原油及石腦油等各類原材料進(jìn)行高溫?zé)崃呀夥磻?yīng)制取烯烴,而利用高溫蒸汽裂解爐生產(chǎn)乙烯是一個(gè)高能耗的產(chǎn)業(yè)。由于受到目前國(guó)際宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境的嚴(yán)重影響,石油和化工行業(yè)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)下滑局面。同時(shí),能源的消耗和環(huán)境的保護(hù)已成為制約我國(guó)未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

而乙烯裝置作為能源和石油資源消耗的大戶將面臨著巨大的挑戰(zhàn),“節(jié)能、降耗、減排”將成為乙烯裝置現(xiàn)在和未來要的課題。乙烯裝置主要包括裂解爐、急冷、壓縮及分離幾個(gè)系統(tǒng),近年來針對(duì)這幾個(gè)系統(tǒng)的各種節(jié)能技術(shù)的研究非常活躍,也取得了一定的成果,并且在各自的領(lǐng)域中開發(fā)出了一些新技術(shù),這些技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上降低了乙烯裝置的能耗。本文通過對(duì)比武漢某乙烯廠與中石化部分標(biāo)桿廠乙烯裝置能耗數(shù)據(jù),分析某乙烯廠能耗高的原因,同時(shí)針對(duì)性地提出部分節(jié)能降耗措施,在保證乙烯裝置穩(wěn)定高效運(yùn)行的情況下,達(dá)到了增加乙烯產(chǎn)能,節(jié)能降耗[1],提高了總體經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 裝置能耗對(duì)比

1.1 某廠乙烯脫瓶頸改造概況

武漢某廠乙烯脫瓶頸改造項(xiàng)目110萬t/a乙烯裝置是在原80萬t/a及其配套工程的主生產(chǎn)裝置進(jìn)行改造的,是國(guó)內(nèi)首次世界級(jí)規(guī)模的乙烯全裝置,包括裂解爐、分離和附屬設(shè)施全部采用國(guó)產(chǎn)技術(shù)。

武漢某廠110萬t/a乙烯裝置共有10臺(tái)裂解爐,其中A爐為CBL-R循環(huán)氣體裂解爐H-001,設(shè)計(jì)原料為乙烷,裂解深度為65%乙烷轉(zhuǎn)化率,實(shí)際操作原料為裝置自產(chǎn)的循環(huán)乙烷和循環(huán)丙烷,以及來自煉廠的LPG和C3混合物,裂解產(chǎn)物進(jìn)入下游分離區(qū)重燃料油汽提塔;5臺(tái)輕液體原料CBL-V型裂解爐B/C,F～H(簡(jiǎn)稱輕油爐),設(shè)計(jì)原料為石腦油,其中B/C也可以單獨(dú)裂解LPG,同時(shí)G/H可以單獨(dú)裂解C5;2臺(tái)重液體原料CBL-V型裂解爐D/E(簡(jiǎn)稱重油爐),設(shè)計(jì)原料為加氫尾油和石腦油。2018年新增一臺(tái)雙爐膛I號(hào)裂解爐,以裂解LPG為主,又可裂解石腦油,以滿足裝置原料輕質(zhì)化、多樣性要求。2020年為了進(jìn)一步提高裝置的乙烯產(chǎn)能,武漢某廠獲批實(shí)施新增一臺(tái)J號(hào)裂解爐,新增雙爐膛采用國(guó)產(chǎn)化CBL技術(shù)設(shè)計(jì),原料為石腦油、加氫尾油及AGO。

武漢某廠乙烯脫瓶頸改造,裝置工程規(guī)模由80萬t/a改造到110萬t/a乙烯,乙烯裝置能力的增幅約為37.5%。有基礎(chǔ)工況和重工況兩種原料工況。改造技術(shù)仍采用中石化技術(shù),其中分離系統(tǒng)仍采用中石化自主開發(fā)的前脫丙烷前加氫和深冷分離技術(shù)[2]。乙烯三大機(jī)組采用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備。碳二加氫是SEI與北京化工研究院合作開發(fā)的前加氫技術(shù)。碳三加氫采用北京化工研究院提供的液相催化加氫技術(shù)。甲烷化采用北京化工研究院提供的低溫甲烷化技術(shù)[3]。

1.2 某廠乙烯能耗

如圖1所示,按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn):2021年1月至2022年1月,乙烯能耗最低532.04 kg/t(4月份),最高565.7 kg/t(2022年1月份)。乙烯裝置改造后設(shè)計(jì)能耗480.27 kg/t(不含燒焦)。

1.3 某廠高附能耗

如圖2所示,按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn):2021年1月至2022年1月,高附能耗最低271.88 kg/t(6月份),最高290.71 kg/t(2022年1月份)。

圖2 某廠2021年1月至2022年1月高附能耗圖

1.4 乙烯能耗與某標(biāo)桿乙烯廠能耗比較

從表1可以看出,在乙烯總能耗上,武漢某廠539.49 kg/t、某標(biāo)桿廠492.58 kg/t。主要從以下五個(gè)方面進(jìn)行分析:

表1 乙烯能耗與某標(biāo)桿乙烯廠能耗比較表

(1)燃料氣:武漢某廠比某標(biāo)桿廠高69.77 kg/t。

(2)蒸汽:武漢某廠比某標(biāo)桿廠高2.43 kg/t。其中超高壓和低壓蒸汽能耗優(yōu)于鎮(zhèn)海,高壓和中壓能耗比鎮(zhèn)海要高。

(3)水:武漢某廠比某標(biāo)桿廠低10.6 kg/t。

(4)電:武漢某廠比某標(biāo)桿廠低12.29 kg/t。

(5)風(fēng):武漢某廠比某標(biāo)桿廠低2.41 kg/t。

武漢某廠乙烯能耗高,主要在于燃料氣能耗較高,與某標(biāo)桿廠存在較大差距。

2 高能耗原因分析

2.1 乙烯裝置原料結(jié)構(gòu)偏重影響

由表2可以看出,武漢某廠實(shí)際投料與設(shè)計(jì)的重工況相比,液化氣占比降低近10%;NAP占比提高,但石腦油中摻入了部分煤油(2021年累計(jì)8.67萬t);HVGO占比提高,同時(shí)加氫尾油摻入部分柴油(2021年累計(jì)38.23萬t)。整體原料結(jié)構(gòu)中氣體原料比例減小,液體原料比例增加。而原料中重組分的增加對(duì)裂解反應(yīng)增添了難度也對(duì)能耗耗損增加了虧損。

表2 乙烯裝置原料結(jié)構(gòu)偏重影響表

2.2 相同裂解爐不同原料影響

由表3可以看出,3#裂解爐裂解石腦油比裂解輕烴,單位乙烯能耗增加93.04 kg,9#裂解爐裂解石腦油比裂解輕烴,單位乙烯能耗增加109.9 kg,10#裂解爐裂解加氫尾油比裂解輕烴,單位乙烯能耗增加145.64 kg。

表3 相同裂解爐不同原料影響表

2.3 裂解爐燒焦影響

由表4可以看出,H-001～H-010裂解爐,單臺(tái)爐燒焦能耗平均 775 505.75 kg。按照2021年計(jì)量數(shù)據(jù)計(jì)算可得:

表4 裂解爐燒焦影響表

單月乙烯產(chǎn)量平均:1 064 741÷12=88 728 t;

單月裂解爐燒焦臺(tái)次:50÷12=4.16臺(tái);

平均單臺(tái)爐燒焦增加乙烯能耗:775 505.75÷88 728 = 8.74 kg/t;

平均每月燒焦增加乙烯能耗:4.16×8.74 = 36.36 kg/t。

2.4 機(jī)組抽汽效率影響

裂解氣壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)、丙烯壓縮機(jī)抽汽效率分別為62%,66%,66%,低于常規(guī)設(shè)計(jì)效率75%～78%。

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)分析可得:

表5 機(jī)組抽汽效率影響表

(1)改造后裂解氣壓縮機(jī)乙烯能耗,較改造前增加10.78 kg/t,較設(shè)計(jì)增加46.22 kg/t。

(2)改造后乙烯壓縮機(jī)乙烯能耗,較改造前增加8.7 kg/t,較設(shè)計(jì)增加30.15 kg/t。

(3)改造后丙烯壓縮機(jī)乙烯能耗,較改造前增加3.98 kg/t,較設(shè)計(jì)增加10.52 kg/t。汽輪機(jī)能耗高原因:

(1)110萬t擴(kuò)能改造,裂解氣壓縮機(jī)和乙烯壓縮機(jī)效率均出現(xiàn)了下降。

(2)裂解氣壓縮機(jī)前軸振動(dòng)高,制約抽汽比提高。

(3)原料偏重,裂解氣量大,機(jī)組負(fù)荷偏高,蒸汽耗量大。

(4)丙烯壓縮機(jī)出口壓力高造成乙烯壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行,蒸汽耗量大。

2.5 急冷油換熱器頻繁檢修影響

急冷油換熱器因設(shè)計(jì)原因,頻繁內(nèi)漏切出檢修,急冷油換熱器單臺(tái)切出,稀釋蒸汽外補(bǔ)中壓蒸汽約20 t/h。其中在2021年里急冷油換熱器單臺(tái)檢修時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月,消耗稀釋蒸汽補(bǔ)充中壓蒸汽量86 400 t,中壓蒸汽能耗增加6 912 000 kg。2021年乙烯產(chǎn)量1 063 858.15 t,單位乙烯增加能耗6.5 kg/t。

如果急冷油換熱器單臺(tái)切出一個(gè)月,稀釋蒸汽耗量14 400 t。單月乙烯平均產(chǎn)量按88 728 t進(jìn)行計(jì)算,則增加乙烯能耗12.98 kg/t。

2.6 乙烯塔運(yùn)行影響

乙烯塔釜循環(huán)乙烷外送量平均27.20 t/h,循環(huán)乙烷中乙烯含量占比平均17%(數(shù)據(jù)來自2021年10月)。乙烯在裂解爐中轉(zhuǎn)化率按照30%計(jì)算,每小時(shí)損失乙烯1.62 t/h,10月份累計(jì)損失1 205.28 t乙烯。10月份乙烯總產(chǎn)量94 059.04 t,乙烯總能耗562.99 kg/t。

如果乙烯轉(zhuǎn)化損失:乙烯總能耗:94 059.04×562.99÷(94 059.04+1 205.28)=555.86 kg/t,將比設(shè)實(shí)際乙烯能耗降低7.13 kg/t。由于乙烯塔運(yùn)行問題,從而增加乙烯能耗7 kg/t。

2.7 機(jī)泵改造影響

武漢某廠在110萬t擴(kuò)能改造時(shí),新增了一臺(tái)超高壓鍋爐給水泵P-801C(額定流量270 t/h,額定功率1 800 kW)。裂解爐超高壓鍋爐給水用量超過540 t/h,需要啟動(dòng)P-801C進(jìn)行補(bǔ)充。目前超高壓鍋爐用水量最大量570 t/h。P-801C運(yùn)行22 d,消耗電量88萬kWh,電能耗202 400 kg。

P-801C運(yùn)行期間,乙烯平均產(chǎn)量126 t/h,22 d累計(jì)乙烯產(chǎn)量66 528 t。P-801C運(yùn)行,增加乙烯能耗3.04 kg/t。

3 能優(yōu)化措施

3.1 密閉節(jié)能觀火孔項(xiàng)目

現(xiàn)在裂解爐觀火孔使用年限較長(zhǎng),設(shè)備老化,導(dǎo)致觀火孔關(guān)閉不嚴(yán)等情況。而且,目前使用的觀火孔型式存在一定缺陷,密封性不夠好,關(guān)閉時(shí)如果用力不到位,就無法卡緊觀火孔,設(shè)備損壞較為嚴(yán)重。現(xiàn)目前觀火孔周圍溫度高達(dá)200 ℃,觀火孔周圍因?yàn)楦邷赜绊憣?dǎo)致表面油漆脫落,周圍鋼板表面變形,襯里周圍脫落,高溫還導(dǎo)致裂解爐觀火孔門與框之間存在縫隙,冷空氣因?yàn)闋t內(nèi)負(fù)壓被吸入爐膛內(nèi)部,造成能源的大量浪費(fèi)。同時(shí),觀火孔在開啟狀態(tài)下隔熱屏向外,正對(duì)人體有造成熱輻射傷害等危險(xiǎn),大大降低了裂解爐的熱效率[4]。

現(xiàn)目前提出對(duì)裂解爐觀火孔攻關(guān)改型,與生產(chǎn)廠家合作創(chuàng)新,生產(chǎn)密封性好又不易損壞的觀火孔,更換新型觀火孔后能有效解決:(1)阻止漏風(fēng)冷空氣進(jìn)入爐膛。隔熱屏與爐襯之間的間隙在2 mm左右,阻止熱量散失。(2)觀火孔周圍節(jié)能降溫。隔熱屏的厚度增加到200 mm,阻止熱量向外散失。(3)消除觀火孔安全隱患。(4)堅(jiān)固耐用,不用頻繁更換。(5)減少煙氣的氧含量,大大減少了SO2向SO3的轉(zhuǎn)化,減少爐壁、爐管的露點(diǎn)腐蝕,同時(shí)減少了爐管等爐內(nèi)金屬件的高溫氧化,節(jié)約了爐管更換的成本。還能使?fàn)t管內(nèi)少積垢,提高了爐管的吸熱效率,提高了裂解爐的熱效率。現(xiàn)部分裂解爐熱效率有所下降,運(yùn)行至末期熱效率僅在93.8%,觀火孔改造升級(jí)后可大大提升裂解爐熱效率,使得全部裂解爐的熱效率達(dá)到94%以上。可每年節(jié)約成本在160萬元。

3.2 新增破乳劑及其配套項(xiàng)目

乙烯裝置自大檢修完畢后,受負(fù)荷和原料變化影響導(dǎo)致急冷水呈乳化狀態(tài),長(zhǎng)期下去會(huì)影響稀釋蒸汽的品質(zhì)從而加速裂解爐爐管結(jié)焦。為保障裂解爐長(zhǎng)周期運(yùn)行建議增加急冷水破乳劑,同時(shí)可節(jié)省工藝水汽提塔汽提蒸汽的用量。

具體項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容為:在急冷水泵入口導(dǎo)淋處增加一套破乳劑注入系統(tǒng)。該藥劑加入到急冷水中能有效地緩解急冷水乳化現(xiàn)象,有力改善急冷水及工藝水水質(zhì)。同時(shí),可節(jié)省低壓蒸汽10 t/h,低壓蒸汽按140元/t計(jì)算,全年可累計(jì)節(jié)約成本在1 120萬元。

3.3 超高壓蒸汽增加保溫項(xiàng)目

乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)、丙烯制冷壓縮機(jī)氣源為超高壓蒸汽,超高壓蒸汽由熱電和裂解爐產(chǎn)汽組成。N2界區(qū)至290管廊至090管廊至390管廊至490管廊共計(jì)長(zhǎng)度約300 m。熱電外送至界區(qū)壓力為11.9 MPa,518 ℃。實(shí)際到機(jī)組入口壓力為11.4 MPa,512 ℃。2021年下半年對(duì)超高壓蒸汽進(jìn)行紅外檢測(cè),發(fā)現(xiàn)部分保溫破損嚴(yán)重,保溫厚度低于設(shè)計(jì)150 mm,熱損值高于標(biāo)準(zhǔn)240.5 W/m2,最高位置290管廊熱損值為666 W/m2。

現(xiàn)目前提出對(duì)現(xiàn)場(chǎng)保溫整改項(xiàng)目,主要內(nèi)容為修復(fù)破損保溫、增加保溫厚度,并提出對(duì)保溫棉的優(yōu)化方案:采用保溫棉連接處搭接超過100 mm,鋼帶固定間距控制在500 mm以內(nèi),鋁皮采用0.8 mm厚度,加強(qiáng)抗踩踏性。同時(shí)采用固定成型,鋁皮搭接縫朝下等方法,力爭(zhēng)降低熱損值,提高汽輪機(jī)入口溫度1～3 ℃。

3.4 對(duì)裂解爐和部分電泵采用錯(cuò)峰用電措施

錯(cuò)峰用電是指根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷特性,通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等手段將電網(wǎng)用電高峰時(shí)段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到用電低谷時(shí)段,從而減少電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷差,優(yōu)化資源配置。

現(xiàn)目前提出針對(duì)9臺(tái)電泵和裂解爐清焦風(fēng)進(jìn)行錯(cuò)峰用電,具體措施如下:急冷油排放罐抽出泵P-155在D-155液位超過40%時(shí)選擇平段(7～9,15～20,22～23時(shí))啟動(dòng);含油污水泵P-156在D-156液位超過40%時(shí)選擇平段(7～9,15～20,22～23時(shí))啟動(dòng);初期雨水泵P-981A/S、生產(chǎn)污水泵P-982A/B/S、污水提升泵P-985A/S盡量不在尖峰時(shí)段(20～22時(shí))啟動(dòng),并利用低谷時(shí)段(23～7時(shí))盡量將各污水池液位調(diào)整至約20%;D-220抽出排放至污油罐泵P-220、D-223抽出排放至污油罐泵P-223、D-901物料排放至污油罐泵P-901、冷區(qū)甲醇泵注甲醇至用戶P-961AX選擇低谷時(shí)段(23～7時(shí))啟動(dòng);停用的裂解爐在低谷時(shí)段(23～7時(shí))將清焦風(fēng)調(diào)節(jié)閥閥位開至10%,其余時(shí)段閥位控制在1%。

4 結(jié)語

目前武漢某廠乙烯裝置就能耗高問題提出并實(shí)行各項(xiàng)優(yōu)化措施[5]。如:優(yōu)化原料結(jié)構(gòu),發(fā)揮煉化一體化優(yōu)勢(shì),提高輕質(zhì)裂解原料比例;優(yōu)化裂解爐操作和最佳裂解原料,利用好裂解產(chǎn)物在線分析結(jié)果,根據(jù)各臺(tái)裂解爐的裂解深度確定COT控制指標(biāo),提高乙烯收率;提高裂解爐運(yùn)行周期,避免裂解爐原料頻繁更換和負(fù)荷頻繁調(diào)整;調(diào)研先進(jìn)企業(yè)能耗管理經(jīng)驗(yàn),提升乙烯裝置能耗管理水平等方案。力求在保證乙烯裝置穩(wěn)定高效運(yùn)行的同時(shí),達(dá)到降低能耗,提高總體經(jīng)濟(jì)效益的目的。