乙烯裝置裂解爐熱效率影響因素分析及對策實(shí)施

王 瑤，王 宇，劉永斌，周玉新

（中國石油撫順石化公司乙烯化工廠， 遼寧 撫順 113004）

乙烯裝置是石油化工裝置的龍頭，能耗占石化工業(yè)總能耗的三分之一以上。裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，能耗又占裝置總能耗的70%~80%。在裂解爐各項(xiàng)主要參數(shù)中，熱效率與節(jié)能降耗有極為密切的關(guān)系，提高裂解爐熱效率，降低裂解爐耗能損失是乙烯裝置節(jié)能降耗的關(guān)鍵。因此，分析影響裂解爐熱效率的因素，采取有效措施提高裂解爐熱效率，對乙烯裝置實(shí)際運(yùn)行及節(jié)能降耗都有著重要的意義。

1 裂解爐運(yùn)行情況

1.1 裂解爐概況

撫順乙烯裝置始建于1991年，裂解爐是引進(jìn)美國Lummus公司技術(shù)，采用五臺(tái)SRT-IV型裂解爐，進(jìn)料負(fù)荷范圍在9~13 t/h，設(shè)計(jì)熱效率93%。1996年經(jīng)過擴(kuò)能改造，增加一臺(tái)CBL-II型裂解爐，進(jìn)料負(fù)荷控制在13.5~18 t/h，設(shè)計(jì)熱效率92.5%，目前年產(chǎn)乙烯 14萬 t。1#~3#裂解爐可以裂解氣相進(jìn)料及液相進(jìn)料，4#~6#裂解爐只能裂解液相進(jìn)料。在裂解爐實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)SRT-IV型裂解爐熱效率達(dá)到93.1%左右，CBL-II型裂解爐熱效率達(dá)到92.5%左右為瓶頸值，較難有所提高，與國內(nèi)同等裂解爐熱效率94%的運(yùn)行指標(biāo)相比有些差距。

1.2 裂解爐運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測

為了全面分析氧含量及排煙溫度與熱效率的關(guān)系，截至到2012年9月，整理了最近4年的撫順乙烯裂解爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（取各年平均值）如表1。

2 裂解爐熱效率數(shù)據(jù)分析

2.1 熱效率計(jì)算方法

裂解爐熱效率是衡量裂解爐體系熱量利用有效程度的一個(gè)重要標(biāo)志，依照中國石油天然氣股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 50-2002《石油化工工藝加熱爐節(jié)能監(jiān)測測定法》中的綜合效率簡化計(jì)算法，熱效率η的定義用下式來表示[1]：

其中：η—熱效率，%；

q1′—排煙損失熱量占供給能量的百分?jǐn)?shù)，%；

q2′—不完全燃燒損失熱量占供給熱量的百分?jǐn)?shù)，%；

q3′—表面散熱損失熱量占供給能力的百分?jǐn)?shù)，%；

tg—排煙溫度，℃；

ta—外供熱源預(yù)熱空氣時(shí)，熱空氣的溫度，℃；

W—霧化蒸汽的用量，kg/kg燃料；

cO2—煙氣中氧含量百分?jǐn)?shù)，%；

cCO—煙氣中一氧化碳含量×10-6；

α—過?？諝庀禂?shù)。

表1 裂解爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)Table 1 Cracking furnace operation parameters

2.2 確定影響熱效率的主要因素

通過對熱效率計(jì)算公式的分析，可以發(fā)現(xiàn)在設(shè)備方面，對熱效率影響較大的是爐體保溫、燃料氣火嘴情況、空氣預(yù)熱器運(yùn)行情況等；在工藝方面對熱效率影響較大的因素有過?？諝庀禂?shù)、排煙溫度以及一氧化碳含量等。在1#~3#裂解爐中選擇3#爐，4#~6#裂解爐選擇4#爐做趨勢圖可得到圖1。由圖1勢圖結(jié)合氧含量計(jì)算公式可得到排煙溫度和氧含量對熱效率影響較大，而CO的含量可控制在10-6級(jí)，對熱效率影響不大。

2.2.1 氧含量與過?？諝庀禂?shù)

過剩空氣系數(shù)是實(shí)際所需要的空氣量與理論所需空氣量的比值，在應(yīng)用時(shí)是利用爐內(nèi)氧含量值計(jì)算所得。氧含量越小，過?？諝庀禂?shù)越小，但不能保證燃料完全燃燒；氧含量越大，過?？諝庀禂?shù)越大，雖然能保證燃料的完全燃燒，但過剩的空氣在煙氣排放時(shí)卻帶走了部分熱量，使熱效率降低。撫順石化裂解爐氧含量控制指標(biāo)在2%~5%。

2.2.2 排煙溫度

裂解爐的排煙溫度越高，帶走的熱量越多，即熱效率越低。從裂解爐實(shí)際運(yùn)行考慮，煙氣溫度的降低雖然有利于熱效率的升高，但是如果低于煙氣酸露點(diǎn)（與燃料中的硫含量有關(guān)）就會(huì)產(chǎn)生酸性氣體露點(diǎn)腐蝕，對設(shè)備造成損傷，所以在實(shí)際操作中不能一味的追求較低的煙氣溫度。撫順石化裂解爐煙氣控制指標(biāo)為97~110 ℃。

圖1 排煙溫度和氧含量對熱效率的影響Fig.1 Exhaust gas temperature and oxygen content on thermal efficiency

2.2.3 一氧化碳含量

裂解爐燃料氣燃燒過程中雖然保持過剩的空氣，但還會(huì)有少量不完全燃燒的現(xiàn)象。在實(shí)際測定中是以煙氣中碳元素的不完全氧化態(tài)即CO的含量來計(jì)算的。CO的含量可控制在10-6級(jí)，相比過?？諝庀禂?shù)及排煙溫度，當(dāng)CO處于（1~100）×10-6時(shí)對熱效率影響不大[2]。當(dāng)其他參數(shù)不變，經(jīng)過計(jì)算可得煙氣中CO含量每增加50×10-6時(shí)，熱效率僅下降0.02%，即CO處于（1~100）×10-6時(shí)僅能影響熱效率的 0.04%。由此可得，對熱效率影響較大的因素是氧含量和排煙溫度。

3 問題分析與對策實(shí)施

3.1 問題分析

3.1.1 氣相進(jìn)料裂解爐

（1）由于 1#~3#裂解爐可以裂解氣相進(jìn)料及液相進(jìn)料，在實(shí)際運(yùn)行中承擔(dān)著裂解分離區(qū)產(chǎn)出的乙烷、丙烷即裂解輕烴的任務(wù)，也承擔(dān)著裂解外購輕烴（即部分的LPG、C3、C4餾份進(jìn)料）的任務(wù)。輕烴裂解由于要求COT（裂解爐出口）控制溫度比液相原料高大約 20 ℃左右，因此裂解過程中需要的燃料氣量增大，氧含量增加，爐膛輻射段溫度升高，加上原料在對流段預(yù)熱時(shí)沒有相變過程，其吸收熱量較少，會(huì)造成煙氣溫度較其他爐偏高，影響熱效率。

（2）在輕烴爐實(shí)際運(yùn)行過程中，氣相原料多為烷烴，以催化和自由基結(jié)焦為主，焦的密度較大，比較致密[3]。撫順乙烯裂解爐氣相原料主要是循環(huán)乙烷、丙烷和少量的液化氣，這部分原料在高溫裂解過程中，脫氫生成乙烯、丙烯，乙烯、丙烯化學(xué)性質(zhì)活潑，易生成炔類物質(zhì)。炔類物質(zhì)在結(jié)焦機(jī)理中，是造成高溫結(jié)焦的主要原因，因此氣相原料在裂解過程中較易產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象，影響燃料氣燃燒換熱，從而影響排煙溫度和氧含量。

3.1.2 液相進(jìn)料裂解爐

（1）4#~5#裂解爐爐承擔(dān)著裂解液相進(jìn)料的任務(wù)，因不涉及裂解輕烴，原料組分相對前3臺(tái)爐變化較小，在實(shí)際運(yùn)行中以精細(xì)調(diào)節(jié)為主，2臺(tái)裂解爐熱效率高于其他裂解爐。

（2）6#裂解爐進(jìn)料負(fù)荷設(shè)計(jì)值較前 5臺(tái)爐多50%，設(shè)計(jì)排煙溫度為120 ℃。由于其負(fù)荷大，燃料氣用量多，導(dǎo)致其排煙溫度高，熱效率較其他小負(fù)荷裂解爐有些差距。

3.1.3 其他影響熱效率的原因

撫順乙烯裂解爐連續(xù)運(yùn)行20年，沒有進(jìn)行較大的技術(shù)改造，長期連續(xù)運(yùn)行積累了一些問題，主要問題總結(jié)如下：

（1）實(shí)際工況與原設(shè)計(jì)發(fā)生變化。隨著撫順石化“百萬噸乙烯”項(xiàng)目建成并投產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)原料出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。近幾年撫順乙烯裂解原料由原設(shè)計(jì)的以液相為主調(diào)整為氣液兼顧，對流段傳熱介質(zhì)發(fā)生改變，同時(shí)進(jìn)料負(fù)荷相應(yīng)減少，低負(fù)荷生產(chǎn)對熱效率也有較大的影響。

（2）對流段積灰。撫順乙烯裂解爐原設(shè)計(jì)均配有蒸汽自動(dòng)吹灰裝置，但由于效果不好，一直采用人工吹灰，吹灰介質(zhì)為工廠風(fēng)，在裂解爐停爐期間進(jìn)行吹掃。由于不能較好的清除對流段積灰，導(dǎo)致煙氣與原料間無法充分換熱，造成熱量的浪費(fèi)。

（3）爐體保溫影響。由于運(yùn)行時(shí)間長，爐墻及襯里有粉化脫落現(xiàn)象，爐外墻表面熱點(diǎn)多，熱損失大，裝置投產(chǎn)以來一直沒對爐墻及襯里進(jìn)行改造翻新，由于檢修期間只能進(jìn)行一些局部的處理，無法實(shí)現(xiàn)施工部位和原保溫緊密結(jié)合，熱量損失嚴(yán)重。

3.2 實(shí)施對策

3.2.1 加強(qiáng)裂解爐的保溫密閉

在日常巡檢工作中注意對爐體各部位漏風(fēng)情況的檢查：調(diào)節(jié)側(cè)壁燒嘴風(fēng)門，防止進(jìn)氣量較高造成浪費(fèi)，注意側(cè)壁視火孔的檢查等。在停爐檢修期間，將修復(fù)保溫襯里作為常規(guī)工作之一，加強(qiáng)襯里薄弱部位的檢查，特別是爐底燒嘴上部、視火孔、防爆門、人孔門、側(cè)壁燒嘴周圍等，并對局部脫落的保溫進(jìn)行修補(bǔ)，使用優(yōu)質(zhì)的保溫材料對損壞的爐墻的裂縫進(jìn)行填塞，改善爐體的密閉保溫性能[4]。

3.2.2 做好燒嘴的日常維護(hù)

燒嘴燃燒正常與否對熱效率的影響十分直接。實(shí)際運(yùn)行中燒嘴可能出現(xiàn)噴孔結(jié)焦、積灰堵塞,脫火、回火等問題，燃燒出現(xiàn)異常就會(huì)損失熱量。巡檢中應(yīng)注意檢查燒嘴燃燒情況，及時(shí)調(diào)整風(fēng)門，對需要停爐清理和更換受損的燒嘴做好記錄，確保下次運(yùn)行時(shí)所有燒嘴處于良好燃燒狀態(tài)。裝置運(yùn)行期間定期對燃料氣罐排液，防止分離再生氣系統(tǒng)夾帶液相重組分到燃料氣系統(tǒng)，避免燃料氣受到污染。裂解爐停爐檢修期間，用蒸汽或氮?dú)獯祾呷剂蠚夤芫€，防止燃料氣中的雜質(zhì)堵塞燒嘴，冬季生產(chǎn)應(yīng)檢查燃料氣管線伴熱情況，避免燃料氣產(chǎn)生凝液對燒嘴有不良影響。

3.2.3 嚴(yán)格控制氧含量和排煙溫度

調(diào)節(jié)氧含量的辦法是調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓和燒嘴風(fēng)門，爐膛負(fù)壓要根據(jù)氧含量情況，結(jié)合燒嘴風(fēng)門開度來調(diào)整。在氧含量表維護(hù)方面，應(yīng)利用便攜式測氧儀對在線氧表進(jìn)行校驗(yàn)，對氧化鋯探頭過濾器上的積灰定期清除，并對更換清理、故障原因、投用結(jié)果等作記錄，確保在線氧表示數(shù)準(zhǔn)確。熱效率與排煙溫度直接相關(guān)，為盡可能降低裂解爐排煙溫度，進(jìn)一步細(xì)化裂解爐吹灰操作，應(yīng)按周期對運(yùn)行的裂解爐進(jìn)行吹灰，對吹灰前后裂解爐的運(yùn)行情況進(jìn)行對比, 為實(shí)時(shí)了解對流段爐管積灰情況，應(yīng)對排煙溫度、燃料氣消耗量等進(jìn)行記錄整理。

3.2.4 加強(qiáng)平穩(wěn)率考核

裂解爐實(shí)際運(yùn)行中，與崗位人員的日常操作有著密切關(guān)系，崗位人員的責(zé)任心，對主要參數(shù)的重視程度以及操作經(jīng)驗(yàn)對裂解爐的運(yùn)行都有很大影響，應(yīng)將裂解爐氧含量、排煙溫度、COT出口溫度、燃料氣量、液化氣補(bǔ)給量作為平穩(wěn)率考核指標(biāo)[5]，實(shí)行日檢查、月考核，同時(shí)加強(qiáng)人員培訓(xùn)。根據(jù)裝置實(shí)際運(yùn)行情況，不斷調(diào)整指標(biāo)控制范圍，持續(xù)改進(jìn)平穩(wěn)率考核指標(biāo)范圍，力求裂解爐的平穩(wěn)運(yùn)行及優(yōu)化運(yùn)行。

3.3 運(yùn)行效果

通過近半年的時(shí)間對裂解爐整體運(yùn)行情況的優(yōu)化及日常工作的細(xì)化，截至到2013年3月整理部分運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2。

表2 2013年裂解爐運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 2 Cracking furnace operation parameters in 2013

由實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可得到裂解爐熱效率有了提升，由 93.1%左右提升到 93.4%左右，其中煙氣溫度、氧含量不僅符合工藝生產(chǎn)指標(biāo)控制要求，也取得較佳的配比關(guān)系。

4 結(jié)束語

在乙烯裝置生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟的今天，延長運(yùn)行周期，節(jié)能降耗，提高裝置競爭能力已經(jīng)成為各個(gè)乙烯生產(chǎn)企業(yè)的努力方向。乙烯裝置中裂解爐作為龍頭裝置和重要設(shè)備，挖潛增效、降本降耗的潛力還有很大，而裂解爐運(yùn)行過程中，熱效率又是裂解爐運(yùn)行最主要的參數(shù)。要加強(qiáng)裝置工藝、設(shè)備的技術(shù)研究，深挖裝置潛力，不斷探索提高熱效率的辦法，逐步完善裝置運(yùn)行水平，為提高撫順乙烯裝置的綜合競爭能力提供必要的保證。

［1］設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)報(bào)告.中油撫順石化設(shè)備檢測監(jiān)理研究中心[R].2012-10.

［2］張磊, 何細(xì)藕.裂解爐熱效率的影響因素分析[J].石油化工設(shè)計(jì), 2009,26 (2):25-28.

［3］王松汗.乙烯裝置技術(shù)與運(yùn)行[M].北京:中國石化出版社,2009:204-205.

［4］趙錕, 任耀杰. 影響裂解爐熱效率的原因分析與對策[J].乙烯工業(yè),2010, 22 (2):46-51.

［5］白瑋. 通過強(qiáng)化管理提高裂解爐熱效率的研究[J].當(dāng)代化工,2011,23(1):46-49.