20萬t/a乙烯裝置裂解爐熱效率研究

陳德明

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270)

表1 2018年裂解爐熱效率統(tǒng)計(jì)

中國石化天津分公司烯烴部20萬t/a乙烯裝置(以下簡稱天津乙烯)采用順序深冷分離的乙烯技術(shù)，共有6臺(tái)裂解爐。

裂解爐是乙烯裝置的主要耗能設(shè)備， 提高其熱效率， 可有效降低裝置能源消耗水平。為此， 尋找影響裂解爐熱效率的因素， 并采取有效措施提高其熱效率， 對節(jié)能降耗、降本增效有重要的意義。

1 現(xiàn)狀分析

近年來，隨著裂解爐的整體設(shè)計(jì)和現(xiàn)場操作水平的不斷提高，對裂解爐熱效率的要求也逐漸提升到了一個(gè)新的高度。天津乙烯在提高裂解爐熱效率、節(jié)能降耗上下足了功夫。表1為2018年的平均熱效率統(tǒng)計(jì)。

由表1可知：2018年，天津乙烯裂解爐平均熱效率BA-102最高，而BA-101投用輕烴原料時(shí)，排煙溫度及氧含量高，平均熱效率最低。

2 熱效率反平衡公式

從理論上講，裂解爐熱效率應(yīng)采用“單位時(shí)間的加熱爐有效熱量”與“單位時(shí)間加熱爐的供給熱量”的比值得出，但在實(shí)際生產(chǎn)中,因二者難以直接測量，因此采用熱效率反平衡計(jì)算公式來計(jì)算其熱效率：

(1)

式中：η——綜合效率，%;

(2)

式中：α——過?？諝庀禂?shù)，可按式(4)計(jì)算得到；

tg——排煙溫度，℃;

W——霧化蒸汽用量，kg/kg燃料。

(3)

式中：CO——煙氣中一氧化碳含量，mL/m3;

tα——外供熱源預(yù)熱空氣時(shí)，熱空氣的溫度，℃。

干煙氣(取樣分析)：

(4)

式中：α2——煙氣中氧含量百分?jǐn)?shù)，%。

由式(1)～式(3)可以看出，裂解爐熱效率和排煙溫度、過?？諝庀禂?shù)及表面散熱損失熱量有關(guān)系。在實(shí)際操作中，如沒有特殊情況發(fā)生，裂解爐穩(wěn)定運(yùn)行期間的爐壁熱損失較為固定，因此裂解爐熱效率的高低由排煙溫度、過剩空氣系數(shù)來決定。

裂解爐輻射段一般只能吸收燃料總放熱量的40%～45%， 其余熱量則大部分由對流段吸收， 其換熱效果由排煙溫度反映。排煙溫度越低， 換熱效果越好。對流段回收熱量主要用于兩方面： 一是將裂解原料預(yù)熱； 二是預(yù)熱鍋爐給水和過熱超高壓蒸汽。表2為排煙溫度與熱效率的關(guān)聯(lián)。

表2 排煙溫度與熱效率的關(guān)聯(lián)

由表2可以看出，在氧含量一定的情況下，排煙溫度每下降20 ℃，裂解爐的熱效率提高一個(gè)百分點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，排煙溫度一定的情況下，過?？諝庀禂?shù)升高1%，則熱效率相應(yīng)下降0.2%；CO每增加100 mL/m3，熱效率下降0.05%。因此在煙氣熱損失中，排煙溫度和過?？諝庀禂?shù)是影響裂解爐熱效率的主要因素。

綜上所述，提高裂解爐輻射段和對流段對熱量的有效利用是提高熱效率的主要途徑。

3 提高天津乙烯裂解爐熱效率已經(jīng)采用的方法與對策

3.1 提高燃料利用率

3.1.1 裂解爐裝有空氣預(yù)熱器

在正常情況下，裂解爐內(nèi)裂解反應(yīng)需要在0.2～0.4 s內(nèi)將物料加熱到820 ℃左右的反應(yīng)溫度。爐膛內(nèi)溫度一般在1 000 ℃左右，燃料燃燒的過程同時(shí)也是對進(jìn)入其中的空氣進(jìn)行加熱的過程。提高空氣的初始溫度可以減少用于加熱空氣的熱量消耗，進(jìn)而降低燃料氣用量，并相應(yīng)地降低過?？諝饬?，提高燃燒效率，加快燃燒反應(yīng)速度。因此在裂解爐燃燒器前增加空氣預(yù)熱器對進(jìn)入其中的空氣進(jìn)行預(yù)熱，可有效減少過氧燃燒，改善燃燒環(huán)境，提高燃料利用率。

天津乙烯6臺(tái)裂解爐底部燃燒器全部裝有空氣預(yù)熱器。投用空氣預(yù)熱器后，其急冷水進(jìn)水總管溫度為70 ℃，回水總管溫度為60 ℃，各空氣預(yù)熱器空氣溫升35 ℃左右。

裂解爐投用空氣預(yù)熱器后，利用急冷水的余熱預(yù)熱裂解爐燃燒空氣，回收了急冷水中的部分熱量，增加了燃燒空氣的顯熱，從而降低了燃料氣的消耗。

投用空氣預(yù)熱器后，單臺(tái)裂解爐平均燃料氣消耗量為2 778.02 kg/h。

根據(jù)燃料氣消耗量、燃料氣組成及煙氣氧含量可以算出在正常負(fù)荷下實(shí)際通過空氣預(yù)熱器的燃燒空氣總量Q1為57 505.014 kg/h，預(yù)熱空氣溫升ΔT1以35 ℃計(jì)，單臺(tái)空氣預(yù)熱器燃燒空氣顯熱增加值為：

ΔH1=Q1×ΔT1×CPA

=57 505.014×35×1.005

=2 022 738.87 kJ/h

其中CPA=1.005 kJ/kg(空氣的定壓比熱)

根據(jù)裝置實(shí)際燃料組成確認(rèn)燃料低發(fā)熱量為53 362.14 kJ/kg燃料。

每臺(tái)空氣預(yù)熱器節(jié)約燃料氣量

=2 022 738.87/53 362.14

=37.9 kg/h

3.1.2 輻射段爐管裝有扭曲片

裂解爐輻射段爐管上加裝扭曲片管可強(qiáng)迫流體從原來的活塞流旋轉(zhuǎn)起來， 對管壁形成強(qiáng)烈的沖刷作用， 使熱阻大的邊界層厚度減薄，增大爐管的總傳熱系數(shù)， 從而降低爐管管壁的溫度， 提高爐管的總傳熱系數(shù)；輻射段爐管管壁溫度的降低可使裂解原料在反應(yīng)所需相同熱量情況下降低爐膛溫度， 從而減少燃料氣的消耗， 提高燃料利用率； 運(yùn)行周期也會(huì)隨著爐管管壁結(jié)焦速度的減緩而延長， 提高裂解爐的平均熱效率。

現(xiàn)天津乙烯6臺(tái)裂解爐輻射段爐管全部裝有扭曲片管段，爐膛溫度較之前降低50 ℃，同等投料負(fù)荷下，運(yùn)行周期提高20%以上。

3.2 降低裂解爐排煙溫度

3.2.1 利用改造機(jī)會(huì)增加對流段預(yù)熱管線

2011～2013年，天津乙烯相繼進(jìn)行了4臺(tái)裂解爐(BA-101、 BA-102、 BA-104、 BA-105)節(jié)能降耗達(dá)標(biāo)改造。BA-101、 BA-102增加了2排氣相原料預(yù)熱管線， 換熱管由原來的6排增加到8排， 換熱管尺寸和翅片位置與原設(shè)計(jì)相同，氣相原料進(jìn)料口位置上移。BA-104、 BA-105對流段新增原料預(yù)熱整體模塊，原料經(jīng)新增預(yù)熱模塊預(yù)熱后再進(jìn)入原料預(yù)熱段。4臺(tái)裂解爐改造后，對流段末級煙氣余熱的回收量進(jìn)一步增加，有效降低了煙氣排放溫度，提高了裂解爐對熱量的利用。

4臺(tái)裂解爐在原鍋爐給水預(yù)熱器預(yù)留的2排盤管位置處， 增加了2排鍋爐給水預(yù)熱盤管， 換熱管由原來的8排增加為10排， 換熱管尺寸及翅片位置與原設(shè)計(jì)相同。對比原裂解爐，鍋爐給水預(yù)熱后溫度相應(yīng)提高，進(jìn)而發(fā)生的超高壓蒸汽量也顯著增加，鍋爐給水量因此也必然增大。鍋爐給水充分利用煙氣余熱進(jìn)行加熱，進(jìn)一步降低了裂解爐的排煙溫度，提高了裂解爐熱效率。由表1可以看出，經(jīng)過5年運(yùn)行后，改造后的裂解爐熱效率仍與設(shè)計(jì)值接近，改造效果良好。

3.2.2 對流段翅片管的清理

1) 對流段管線翅片的吹灰操作

在裂解爐正常運(yùn)行過程中，存在燃燒器提供的空氣中含有灰塵顆粒的情況，燃料在燃燒過程中因不完全燃燒也會(huì)產(chǎn)生部分微小的焦炭顆粒，這兩種顆粒會(huì)隨著高溫?zé)煔獗粠У搅呀鉅t上部的對流段并附著在對流段管翅片上，隨著時(shí)間的延長就形成了灰垢。這就增大了翅片管的傳熱熱阻，導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降，煙氣中的大量余熱從煙囪排出，熱效率降低。

天津乙烯定期利用1.0 MPa 蒸汽的較高壓力以及吹入蒸汽時(shí)的震動(dòng)有效清潔翅片上的灰垢， 從而提高管內(nèi)介質(zhì)對煙氣余熱的有效吸收， 降低排煙溫度， 提高裂解爐對有效熱量的利用率。

2) 對流段管線化學(xué)清洗

雖然對流段吹灰能清除翅片表面附著的雜質(zhì)，卻不能將翅片間多年積存的銹垢以及因?qū)α鞫涡孤┒掣街念愃平褂蜖畹碾s物除掉，導(dǎo)致對流段煙氣阻力降增大。為保證燃燒狀態(tài)，只能增大煙道擋板開度，這會(huì)導(dǎo)致熱量上移，排煙溫度升高，熱損失嚴(yán)重。

近幾年，天津乙烯充分利用裂解爐停爐機(jī)會(huì)，及時(shí)對部分積灰嚴(yán)重的裂解爐對流段進(jìn)行化學(xué)清洗，利用清洗液的濕潤、滲透、乳化、分散和剝離性能，將污垢從爐管表面清除干凈。圖1是BA-106對流段爐管清洗前后的情況對比。

圖1 化學(xué)清洗前后對流段盤管對比

對流段爐管化學(xué)清洗后，在進(jìn)料負(fù)荷相同的情況下，排煙溫度較之前下降了12.1 ℃，熱效率提高了0.6%。

3.2.3 提高鍋爐給水進(jìn)水量

雖然裂解爐運(yùn)行周期結(jié)束后都要進(jìn)行在線燒焦，但是由于受廢熱鍋爐(TLE：Transfer Line Exchanger)自身特性以及其管束內(nèi)結(jié)焦特點(diǎn)的約束，燒焦效果往往達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，廢熱鍋爐內(nèi)鍋爐水與高溫裂解氣的換熱效果因廢熱鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重而明顯下降，導(dǎo)致發(fā)生的超高壓蒸汽量大幅度降低，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐給水量也相應(yīng)下降，大量煙氣余熱不能被鍋爐給水預(yù)熱管線撤走，排煙溫度上升。利用單臺(tái)裂解爐停爐檢修的時(shí)間，對廢熱鍋爐進(jìn)行水力清焦，徹底清除管束內(nèi)硬度很大的焦層。再次投入運(yùn)行后，廢熱鍋爐傳熱效果良好，增大了超高壓蒸汽發(fā)生量的同時(shí)提高了鍋爐給水進(jìn)水量，可有效吸收煙氣余熱；同時(shí)裂解氣溫度的有效降低，減少了裂解氣中不飽和組分發(fā)生二次反應(yīng)的幾率，有效提高了雙烯的收率。

2018年8月15日對BA-104進(jìn)行退料燒焦，燒焦結(jié)束后停爐進(jìn)行全面檢查，利用這一時(shí)間對2臺(tái)廢熱鍋爐進(jìn)行了水力清焦，8月27日投爐恢復(fù)生產(chǎn)，原料同樣為石腦油原料，負(fù)荷相同。圖2為水力清焦前后廢熱鍋爐出口溫度、鍋爐給水量和汽包產(chǎn)汽量的變化趨勢。

從圖2中可以看出，廢熱鍋爐出口溫度下降明顯，由440 ℃降低至365 ℃。據(jù)以往在線燒焦后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，不進(jìn)行水力清焦時(shí)出口溫度在385 ℃ 左右，水力清焦后進(jìn)一步降低，證明廢熱鍋爐內(nèi)換熱效果進(jìn)一步加強(qiáng)；從鍋爐給水量、汽包產(chǎn)汽量能明顯看出，鍋爐給水預(yù)熱以及超高壓蒸汽過熱使裂解爐對煙氣余熱吸收量增大，排煙溫度降低，熱效率提高。

圖2 水力清焦前后廢熱鍋爐出口溫度、鍋爐給水量和汽包產(chǎn)汽量的變化

3.3 優(yōu)化操作和管理

3.3.1 爐膛負(fù)壓、氧含量的強(qiáng)化管理

由熱效率反平衡公式可以得出，煙氣中氧含量以及一氧化碳含量越高，熱效率越低。因此有效控制煙氣氧含量以及使燃料氣充分燃燒對提高裂解爐熱效率有很大的幫助。而爐膛負(fù)壓決定了煙氣的排放量以及輻射段有效熱量的利用率，負(fù)壓過大會(huì)導(dǎo)致過量的空氣漏入， 過?？諝庀禂?shù)增加，大量煙氣被煙囪抽走， 輻射室需要加大燃料氣的供給才能保證裂解反應(yīng)的正常發(fā)生； 負(fù)壓過小甚至正壓則會(huì)導(dǎo)致爐壁溫度過高， 熱量向外流動(dòng)， 爐管吸收輻射熱量效果下降， 燃料氣消耗量也會(huì)加大。因此，應(yīng)加強(qiáng)裂解爐負(fù)壓、氧含量的管理，保證爐膛明亮不渾濁， 避免火焰過長、過大、冒煙，嚴(yán)禁舔爐管。

3.3.2 裂解爐停爐期間修復(fù)

一般裂解爐設(shè)計(jì)中均將爐墻外壁溫度控制在70 ℃以下，多數(shù)情況下，裂解爐外壁溫度高表現(xiàn)為爐體局部超溫，主要發(fā)生在爐底燒嘴上部、側(cè)壁火嘴周圍、看火孔、人孔門、過渡段爐襯周圍等部位。這些問題主要是襯里材料選型不當(dāng)、施工質(zhì)量不過關(guān)或襯里老化失修等原因造成的。因此在裂解爐停爐時(shí)，天津乙烯組織專業(yè)工藝技術(shù)人員、設(shè)備技術(shù)人員對裂解爐上述襯里薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位檢查，檢查內(nèi)容包括爐膛內(nèi)耐火材料是否完整以及爐體密封、燒嘴是否完好。如遇保溫襯里和爐墻耐火磚達(dá)不到質(zhì)量要求、保溫材料損壞等情況，則進(jìn)行徹底更換，減少爐墻熱量損失，提高裂解爐熱效率。

3.3.3 減少裂解爐漏風(fēng)量

利用裂解爐低氮燃燒器改造機(jī)會(huì)， 將側(cè)壁火嘴全部由原來的4排減至3排， 并且通過焊接的方式封堵好原火嘴位置， 做好爐膛襯里的耐火及保溫， 減少輻射室火嘴處的漏風(fēng)情況， 降低側(cè)壁火嘴的熱負(fù)荷， 避免熱量上移， 減少散熱損失。

對裂解爐所有看火孔進(jìn)行升級改造， 全部更換為新型看火孔。新型看火孔蓋與視孔磚為一體， 改善了看火孔的密封效果， 使看火孔的外壁溫度降低了20 ℃ 左右， 同時(shí)使操作更簡單， 減少了裂解爐測溫時(shí)的操作時(shí)間， 降低了看火孔的散熱損失。如圖3所示， 新型看火孔密封效果良好。

圖3 新型看火孔的應(yīng)用

安裝爐頂軟密封結(jié)構(gòu)， 徹底解決了爐頂蓋板和爐管吊管之間的密封問題， 而且能有效吸收開、 停車過程中爐管的伸縮量。爐頂軟密封結(jié)構(gòu)使用壽命長， 密封效果好， 很好地克服了爐管的長期振動(dòng)和爐膛內(nèi)熱振， 使得由于振動(dòng)而形成的縫隙不容易出現(xiàn)， 密封效果明顯增強(qiáng)(如圖4所示)。

4 有待改進(jìn)的措施

4.1 氧含量監(jiān)測儀

裂解爐的煙氣氧分析儀一般安裝在輻射室拱頂處， 用來在線分析煙氣氧含量， 以控制燃燒； 在對流室上部設(shè)置煙氣取樣點(diǎn)， 供計(jì)算熱效率使用。由于對流室可能存在漏風(fēng)現(xiàn)象， 其上部煙氣氧含量往往較輻射室拱頂處高， 因此該處的煙氣氧分析儀數(shù)據(jù)不能作為調(diào)整空氣的依據(jù)， 應(yīng)根據(jù)裂解爐在線氧含量調(diào)整火嘴燃燒存在的不足。可以考慮在對流室增加1臺(tái)氧分析儀，將2處氧分析儀數(shù)據(jù)綜合對比后再進(jìn)行氧含量、 負(fù)壓、 火嘴燃燒狀態(tài)的調(diào)整， 使燃燒狀態(tài)達(dá)到最佳。

圖4 爐頂軟密封結(jié)構(gòu)

4.2 火嘴更換

為了適應(yīng)裂解爐低氮燃燒的需要，對部分裂解爐的火嘴進(jìn)行了改造。改造后盡管煙氣中氮氧化物指標(biāo)合格，但部分裂解爐側(cè)壁燃燒器風(fēng)門開度大，使得進(jìn)入的冷空氣過多，裂解爐熱效率下降。建議更換火嘴，以適應(yīng)較小的爐膛負(fù)壓及氧含量。

另外，也可在對流段上部增加脫硝設(shè)施，及時(shí)消除煙氣中的氮氧化物，這樣可以在提高裂解爐熱效率的同時(shí)降低氮氧化物的排放。

5 結(jié)語

結(jié)合工作實(shí)際，天津乙烯對影響裂解爐熱效率的因素進(jìn)行了多方面研究并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證，取得了較好效果。提高裂解爐熱效率的關(guān)鍵是強(qiáng)化輻射段和對流段爐管對熱量的有效利用，合理控制各種熱損失，減少燃料氣的消耗。在實(shí)際生產(chǎn)中，對排煙溫度和煙氣氧含量兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)要持續(xù)密切關(guān)注，采取一切可行手段使其繼續(xù)降低，以提高裂解爐熱效率。