乙烯裂解爐長周期運(yùn)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(duì)流段等3 個(gè)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(jìn)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(duì)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(duì)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(yùn)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(jí)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(yùn)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(yùn)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(huì)帶來巨大的能耗，同時(shí)也會(huì)制約裝置運(yùn)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(jìn)長周期的運(yùn)行將帶來不可估量的收益。本文將重點(diǎn)論述裂解爐保證長周期運(yùn)行的措施，以及延長運(yùn)行周期的輔助技術(shù)應(yīng)用。

1 輻射段爐管運(yùn)行狀態(tài)的影響及技術(shù)應(yīng)用

1.1 爐管運(yùn)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(shí)間、低烴分壓操作條件下輸送原料，進(jìn)行裂解。長期服役的爐管，會(huì)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(huì)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(yùn)行。爐管常規(guī)的蠕脹鼓包變形因素有4 點(diǎn)。

（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(huì)隨著時(shí)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?yàn)闋t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(yùn)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(shí)（裂解爐運(yùn)行末期），為了保證生產(chǎn)效率會(huì)相應(yīng)提高爐管的外壁溫度，同時(shí)也加劇了爐管的滲碳速率。并且，裂解爐管需要定期進(jìn)行燒焦，這樣爐管必須承受溫度波動(dòng)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(shí)，如果出現(xiàn)燒焦不徹底，結(jié)焦層會(huì)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(jìn)而保證爐膛內(nèi)優(yōu)良的熱場(chǎng)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(yùn)行狀態(tài)的措施及技術(shù)應(yīng)用

由上述4 點(diǎn)可知，第一、二點(diǎn)是不可避免的。第三點(diǎn)（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(kuò)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(jìn)量波動(dòng)。進(jìn)料量的偏流或波動(dòng)，使局部爐管原料流量過小或忽高忽低，致使裂解的停留時(shí)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(duì)于后系統(tǒng)（加氫反應(yīng)器）的穩(wěn)定運(yùn)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(duì)特殊情況，可適時(shí)延長燒焦時(shí)間、提高燒焦溫度。

針對(duì)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(chǎng)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(chǎng)紅外在線測(cè)溫設(shè)備，監(jiān)測(cè)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(cè)量任意一點(diǎn)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(bào)警、火嘴熄滅報(bào)警以及爐管泄漏報(bào)警等技術(shù)支持。系統(tǒng)會(huì)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(shì)，對(duì)爐管的結(jié)焦趨勢(shì)、運(yùn)行周期的分析和預(yù)測(cè)提供有力依據(jù)。較人工測(cè)量爐管TMT，效率更大，視野更廣，以及各大的數(shù)據(jù)對(duì)比庫。

（2）爐管強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(qiáng)化傳熱元件改變了管內(nèi)物料的流動(dòng)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(dòng)對(duì)管壁形成沖擊，從而減薄邊界滯留層，提高對(duì)流的傳熱系數(shù)，更減緩爐管內(nèi)表的局部結(jié)焦，進(jìn)而延長裂解爐操作的運(yùn)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(yùn)行的周期就相對(duì)較短。國內(nèi)外很多案例都可以說明爐管的強(qiáng)化傳熱元件對(duì)裂解爐長周期運(yùn)行有著不可或缺的作用。

圖1 梅花管

圖2 MERT 爐管

第四點(diǎn)的火焰剛度，火焰剛度既要通過風(fēng)門、一次風(fēng)門等進(jìn)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(dòng)態(tài)調(diào)整。燃料氣在燒嘴處燃燒，通常會(huì)出現(xiàn)堵塞情況，為防止偏燒造成爐管變形，也要及時(shí)對(duì)火嘴進(jìn)行清理?，F(xiàn)階段針對(duì)裂解爐燒嘴運(yùn)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(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)際情況開設(shè)側(cè)壁火嘴。用于合理調(diào)控?zé)釄?chǎng)分布、爐管表面溫度TMT 等。

圖3 Slit MERT 爐管

圖4 扭曲片

2 一級(jí)冷SLE 運(yùn)行狀態(tài)的影響及技術(shù)應(yīng)用

2.1 SLE 運(yùn)行狀態(tài)的影響

裂解爐一級(jí)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(jìn)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(yùn)行時(shí)間增長，急冷內(nèi)管焦層越來越厚，會(huì)導(dǎo)致一級(jí)冷換熱效果下降，進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)，即參數(shù)顯示一級(jí)冷出口溫度偏高，若為了維持運(yùn)行，耗能必然陡增。從多臺(tái)裂解爐對(duì)比情況看，重質(zhì)爐SLE 結(jié)焦情況更加嚴(yán)重。所以SLE一級(jí)冷狀態(tài)限制了裂解爐長周期的運(yùn)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(yùn)行并不是辦法，其中重質(zhì)爐尤為明顯。現(xiàn)階段針對(duì)裂解爐一級(jí)冷運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整的輔助技術(shù)主要是水力清焦（圖5）和機(jī)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(duì)急冷內(nèi)管進(jìn)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(gè)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(shí)際運(yùn)行狀態(tài)作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行清洗，通過經(jīng)驗(yàn)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(duì)該根爐管對(duì)應(yīng)的SLE 進(jìn)行水力清焦；三是一級(jí)冷出口溫度長期偏高的一組或多組SLE 需要擇機(jī)下線水力清焦。

（2）機(jī)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(yùn)動(dòng)，通過清焦球表面附帶的螺釘狀金屬物對(duì)管道內(nèi)壁做反復(fù)機(jī)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(cè)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(jī)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(yùn)行，實(shí)用且前沿。同種情況、問題的提前干預(yù)，對(duì)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(yùn)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?，更?yōu)良簡(jiǎn)化的技術(shù)支持。