乙烯企業(yè)燃料氣過(guò)剩原因分析以及應(yīng)對(duì)策略

高晨陽(yáng)，余仁杰

（1.中國(guó)石化石油化工管理干部學(xué)院，北京 100012；2.中國(guó)石化北京燕山分公司，北京 102500）

某企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)的年產(chǎn)30萬(wàn)噸乙烯生產(chǎn)裝置經(jīng)過(guò)兩次大規(guī)模擴(kuò)能改造，形成了目前“兩頭一尾”格局，裂解老區(qū)與裂解新區(qū)分別擁有一套裂解爐、急冷、壓縮系統(tǒng)，裂解氣加壓后匯合進(jìn)入分離單元進(jìn)行深冷分離。設(shè)計(jì)產(chǎn)能710 kt/a，實(shí)際生產(chǎn)能力已超過(guò)800 kt/a。與之配套的熱電鍋爐是30萬(wàn)噸乙烯的配套裝置，后經(jīng)過(guò)陸續(xù)發(fā)展，形成了目前1#、2#、3#、4#爐以及配套2臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組的配置。其中1#、2#爐為高壓爐，3#、4#為中壓爐；日常生產(chǎn)時(shí)為工區(qū)內(nèi)分別提供11.8 MPa、3.5 MPa、1.5 MPa、1.0 MPa以及0.3 MPa的不同級(jí)別蒸汽。另外，正常生產(chǎn)時(shí)配套一臺(tái)410 t/h CFB鍋爐可與1#、4#高壓爐同時(shí)運(yùn)行或者形成互相備用模式，為乙烯等化工裝置的平穩(wěn)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

該企業(yè)工區(qū)內(nèi)燃料氣系統(tǒng)以乙烯裝置副產(chǎn)的甲烷氫為主要燃料，同時(shí)1#、4#高壓爐完成了脫硫、脫硝改造，還可以采用乙烯裝置副產(chǎn)的裂解燃料油為燃料，不足部分由天然氣補(bǔ)充。2020年夏季生產(chǎn)時(shí)，工區(qū)內(nèi)燃料氣系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)剩，造成了甲烷氫進(jìn)入地面火炬燃燒，同時(shí)乙烯裝置冷箱溫度高、乙烯損失大、裂解燃料油過(guò)剩等諸多問(wèn)題，同時(shí)影響了生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。因此，對(duì)燃料氣過(guò)剩原因進(jìn)行分析并給予針對(duì)性的解決方案具有重要意義。

1 流程簡(jiǎn)介

從圖1可以看到，工區(qū)內(nèi)燃料氣主要來(lái)自乙烯裝置的高、中、低壓甲烷、再生氣（高壓甲烷再生出口氣）以及經(jīng)火炬氣壓縮機(jī)回收的火炬氣，同時(shí)不足部分可以補(bǔ)充天然氣或者液化氣，燃料氣用戶(hù)主要包括乙烯裝置裂解爐、熱電高壓爐、熱電中壓爐，另外還有一些其他用戶(hù)，如苯乙烯裝置、二甲苯裝置的加熱爐等。高壓爐可以采用裂解燃料油作為燃料，正常生產(chǎn)時(shí)可以通過(guò)調(diào)整燃油和燃?xì)鉄斓臄?shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)；高壓爐和中壓爐均具備天然氣補(bǔ)入流程，可通過(guò)調(diào)整天然氣和自產(chǎn)燃料氣的比例來(lái)調(diào)整鍋爐的煙氣排放。工區(qū)外還設(shè)有CFB鍋爐和蒸汽鍋爐，該蒸汽鍋爐不能使用工區(qū)內(nèi)的燃料氣。

圖1 燃料氣管網(wǎng)流程

2 問(wèn)題描述

燃料氣過(guò)剩，一方面會(huì)造成甲烷氫進(jìn)入地面火炬燃燒，導(dǎo)致物料大量浪費(fèi)；另一方面也會(huì)造成火炬系統(tǒng)背壓高，如圖2所示。

圖2 火炬系統(tǒng)壓力對(duì)比

火炬系統(tǒng)背壓高會(huì)造成低壓甲烷在冷箱的進(jìn)出口壓差減少，根據(jù)節(jié)流膨脹等焓過(guò)程變化原理，壓差越小理論上可吸收的熱量越小，因此會(huì)導(dǎo)致冷箱溫度升高，低壓甲烷中乙烯損失增大。低壓甲烷中乙烯含量2019年8月為0.7%，2020年8月為1.5%，明顯增大。當(dāng)外補(bǔ)天然氣量為零，即燃料氣系統(tǒng)不需要天然氣補(bǔ)入時(shí)，如果火炬系統(tǒng)背壓仍高，則說(shuō)明燃料氣過(guò)剩，火炬氣壓縮機(jī)回收火炬氣的能力無(wú)法充分發(fā)揮，只能通過(guò)沖破地面火炬水封進(jìn)行燃燒。2020年外補(bǔ)天然氣流量和火炬系統(tǒng)背壓如圖3所示，燃料氣存在較為嚴(yán)重的過(guò)剩情況。

圖3 火炬背壓與FG系統(tǒng)外補(bǔ)天然氣流量變化關(guān)系

3 原因分析

3.1 鍋爐負(fù)荷低，燃料消耗少

根據(jù)2020年8月企業(yè)實(shí)際產(chǎn)汽成本測(cè)算，石油焦的產(chǎn)汽成本約為63.8元/t，液化氣產(chǎn)汽成本約為144.8元/t，天然氣產(chǎn)汽成本為162.8元/t，燃料油產(chǎn)汽成本為164.6元/t。因此，為保證CFB鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，8月份生產(chǎn)時(shí)采用CFB鍋爐、1臺(tái)工區(qū)外中壓爐、1臺(tái)高壓爐、1臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的模式，工區(qū)實(shí)際上只有1臺(tái)高壓爐運(yùn)行，鍋爐負(fù)荷較低，燃料氣消耗較少。

3.2 燃料油庫(kù)存高，油氣燒嘴無(wú)法調(diào)整

由于CFB鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行，且正值7―8月份下游企業(yè)燃料油用戶(hù)較少，燃料油出廠(chǎng)壓力偏大，造成工區(qū)內(nèi)的燃料油庫(kù)存較高，在生產(chǎn)調(diào)整時(shí)要充分考慮。同時(shí)從生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的角度，高壓爐正常運(yùn)行最低要保證2個(gè)燃油燒嘴運(yùn)行。因此在甲烷氫過(guò)剩時(shí)，通過(guò)調(diào)整油氣燒嘴調(diào)節(jié)燃料氣系統(tǒng)的消耗已不具備條件。

3.3 火炬氣排放量大

夏季生產(chǎn)時(shí)，由于環(huán)境溫度較高，以輕石腦油儲(chǔ)罐為代表的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施罐壓較高，將會(huì)造成火炬氣排放大增。從圖4可以看出，輕石腦油罐的放火炬調(diào)節(jié)閥閥位開(kāi)度較大，造成火炬系統(tǒng)火炬氣回收量增大，此部分火炬氣回收至燃料氣系統(tǒng)后造成燃料氣流量明顯增大。

圖4 輕石腦油系統(tǒng)放火炬調(diào)節(jié)閥閥位

3.4 乙烯裝置甲烷氫產(chǎn)率高

從圖5可以看出，2020年甲烷流量對(duì)比2019年明顯增大。分析主要原因有：（1）裝置負(fù)荷增大，甲烷產(chǎn)率高；（2）原料品質(zhì)變化，尤其是原料品質(zhì)變差以后，甲烷收率高。以石腦油原料為例，2020年石腦油總烷烴含量為71.26%，其中正構(gòu)烷烴37.97%，異構(gòu)烷烴33.29%；相應(yīng)地2019年石腦油總烷烴含量為74.96%，其中正構(gòu)烷烴41.66%，異構(gòu)烷烴33.3%?？梢?jiàn)石腦油品質(zhì)明顯下滑，造成甲烷收率增加。

圖5 冷箱低壓甲烷產(chǎn)出量

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 調(diào)整鍋爐運(yùn)行方式

將鍋爐運(yùn)行方式由1臺(tái)CFB鍋爐、1臺(tái)發(fā)電機(jī)、1臺(tái)工區(qū)外中壓爐和1臺(tái)高壓爐的模式，調(diào)整為1臺(tái)CFB鍋爐、1臺(tái)高壓爐和1臺(tái)工區(qū)內(nèi)中壓爐的模式；同時(shí)工區(qū)內(nèi)中壓爐的燃料方式采用乙烯裝置自產(chǎn)甲烷氫，不足部分由天然氣補(bǔ)充。鍋爐運(yùn)行方式調(diào)整以后，工區(qū)內(nèi)鍋爐負(fù)荷增大，自產(chǎn)甲烷氫耗量顯著增加，甲烷氫過(guò)剩情況明顯緩解。調(diào)整前后，熱電鍋爐的燃料平衡如表1所示。

表1 調(diào)整前后燃料氣平衡

4.2 高壓鍋爐增燒甲烷氫

高壓爐在清潔化改造中，煙氣系統(tǒng)新增了脫硫脫硝處理設(shè)施，因此燃料結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)燃料油嘴和燃料氣嘴的混燒功能，每個(gè)油嘴的燃燒油流量約為0.8～1.6 t/h。正常生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)盡量避免全天然氣運(yùn)轉(zhuǎn)，一是純天然氣運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鍋爐負(fù)荷受限，緊急情況下調(diào)整空間有限；二是純天然氣運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鍋爐運(yùn)行存在風(fēng)險(xiǎn)，如燃料油中斷將導(dǎo)致全爐聯(lián)鎖停爐。因此，通過(guò)調(diào)整油嘴、氣嘴的燃燒分配方式，可以實(shí)現(xiàn)甲烷氫耗用量的調(diào)節(jié)，但是應(yīng)盡量避免使用純天然氣運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.3 優(yōu)化乙烯裝置原料品質(zhì)

乙烯裝置原料品質(zhì)越差，甲烷氫收率越高[1]，因此，在夏季生產(chǎn)時(shí)，建議優(yōu)化乙烯裝置的原料品質(zhì)，適當(dāng)提高外購(gòu)裂解料品質(zhì)，增加石腦油中正構(gòu)烷烴含量，在保證足夠的雙烯產(chǎn)量情況下，盡量降低乙烯裝置加工量，減少甲烷氫等燃料氣組份的產(chǎn)出，同時(shí)減少燃料油產(chǎn)出，減輕燃料油庫(kù)存壓力。另外，在夏季生產(chǎn)時(shí)，液化氣價(jià)格往往處在低位，同時(shí)外部客戶(hù)需求較小，此時(shí)液化氣作為副產(chǎn)品外銷(xiāo)不利于公司整體經(jīng)濟(jì)效益的提高，這也是在夏季優(yōu)化乙烯裝置原料品質(zhì)重要性的另外一個(gè)重要原因。

5 結(jié)論

夏季生產(chǎn)時(shí)，造成某乙烯企業(yè)燃料氣過(guò)剩的主要原因是鍋爐負(fù)荷低、燃料油庫(kù)存高、火炬氣排放量大、甲烷氫收率高等，通過(guò)以下措施可減少燃料氣過(guò)剩：（1）調(diào)整鍋爐運(yùn)行方式，增開(kāi)中壓爐，全力消耗甲烷氫；（2）調(diào)整二熱電高壓爐油嘴和氣嘴燃燒方式配置；（3）優(yōu)化乙烯裝置原料品質(zhì)，減少甲烷氫收率。通過(guò)以上措施，燃料氣過(guò)剩情況明顯緩解，火炬氣排放損失明顯降低，乙烯裝置乙烯損失也明顯減小。