裂解爐優化操作與節能分析

許建華

摘 要：本文詳細介紹了乙烯裝置裂解爐圍繞減少燃料消耗、提高乙烯收率和增加超高壓蒸汽發汽量三方面進行的一系列節能措施，深入剖析優化裂解爐操作對裝置能耗的影響，通過節能改造和優化操作，以達到裂解爐挖潛增效的目的。

關鍵詞：裂解爐；能耗；節能降耗；熱效率；收率；改造

裂解爐是乙烯裝置的能耗大戶，其能耗占裝置總能耗的80%以上，因此乙烯生產的能耗在很大程度上取決于裂解爐系統的設計和操作。在爐型一定的情況下，降低裂解爐能耗的核心在于使用最少的原料和燃料得到最大收率的目標產品，同時最大限度地回收裂解爐的余熱并加以合理利用。換言之，裂解爐的節能措施主要圍繞減少燃料消耗、提高乙烯收率和增加超高壓蒸汽發汽量進行的，如圖1所示。本文針對某乙烯裝置（以下簡稱乙烯裝置）各項指標數據，深入剖析優化裂解爐操作對裝置能耗的影響，尋找裂解爐節能降耗的可行方法。

1 裂解爐節能改造

乙烯裝置裂解爐為20世紀80年代中期的技術，至今已運行30年，耐火材料老化嚴重，散熱損失大，能耗高，加工能力小，乙烯收率低，各項技術、經濟指標與國內外先進水平有較大差距。近年來，乙烯裝置大規模實施了有針對性的裂解爐節能改造升級，改造主要包括：更換輻射段爐管、對流段爐管，風機、廢熱鍋爐、汽包、底部燒嘴等更新或改造，配套的儀表電氣等。其中應用的節能技術有：

（1）變頻風機。風機采用變頻器后，可以隨負荷變化及時調節爐膛負壓，克服煙道擋板調節不準確的問題，同時可節約電能30%～40%。

（2）空氣預熱器。裂解爐底部燒嘴使用空氣預熱器后，可節省2%～3%的燃料量。

（3）線性廢熱鍋爐（SLE）。線性廢熱鍋爐可比普通廢熱鍋爐（TLE）在線運轉周期提高數倍，產汽量提高20%以上。

2 裂解爐優化操作

當前，裂解爐新技術、新工藝及相關系統的設計優化應用十分廣泛，諸如空氣預熱器、扭曲片、紅外噴涂、變頻風機等已在設備硬件方面為節能降耗提供了有力保障。優化操作作為裝置軟實力，是裂解爐節能的根本，也是提高裝置競爭力的關鍵因素。

2.1 優化原料結構

原料性質在很大程度上決定了裂解的工藝過程和產品分布，在同一爐型和相同裂解工藝條件下，裂解原料的族組成影響乙烯收率。在一定范圍內，當鏈烷烴含量每增減1個百分點時，乙烯收率可增減約0.15個百分點；環烷烴每增減1個百分點，乙烯收率減增約0.15個百分點。

乙烯裝置的裂解原料主要由加氫尾油（HVGO）、石腦油（NAP）、液化石油氣（LPG）等組成，為此，裂解原料品質的優化必須從優化原料結構入手，適當增加NAP、LPG的投入比例，減少HVGO的投入量，以進一步提高乙烯收率。

2.2 優化裂解深度

由乙烯能耗計算公式（乙烯能耗=乙烯綜合能耗/乙烯產量=噸原料耗能/乙烯收率）可知，乙烯收率提高1%，則乙烯生產能耗可相應降低約1%。決定乙烯收率的因素主要是爐出口溫度（COT）、停留時間和烴分壓，而裂解爐的這3個裂解變量是通過烴進料流量、稀釋蒸汽流量、爐管出口壓力和爐管出口溫度這4個主要操作變量來調節控制的。在實際生產中，前3個操作變量是很少變化的，對乙烯收率的影響很小，只有COT是在一定范圍內可做調節的操作變量，它是主裂解變量，很小的變化都會給乙烯收率帶來顯著變化。因此，不同的原料對應不同的裂解溫度范圍，COT要根據原料的變化及時調整，這樣才能充分發揮每種原料的裂解潛能。

乙烯裝置的原料變化頻繁、幅度較大，為此，定期對油品、裂解氣取樣分析，及時跟蹤原料組成，根據SPRYO軟件分析的結果，科學指導更加合理的爐出口溫度，同時借助裂解深度優化控制系統，實時調整最佳的爐出口溫度，最大限度地確保裂解爐經濟、高效運行。

2.3 優化超高壓蒸汽

超高壓蒸汽（SS）的優化工作包括增加廢熱鍋爐發汽量和減少蒸汽消耗。通常情況下，SS發汽量與爐出口溫度、投料負荷、廢鍋清焦質量、汽包排污率等因素有關。一旦裂解爐運行，前兩者變化很小，而決定SS發汽量的可控措施就只有后兩者。

2.3.1 增加廢熱鍋爐發汽量

廢熱鍋爐換熱的好壞關鍵是清焦是否徹底，乙烯裝置對50天以上的裂解爐實行48小時程序燒焦，每兩個周期下線水力清焦，以確保廢熱鍋爐發汽量最大化。在汽包排污率的控制方面，采取如圖1所示的判斷方法。實踐中發現，汽包間斷排污閥內漏現象較為普遍，是造成汽包排污量過大的主要原因。分析其原因，主要是由于操作不規范所致，即裂解爐在點火升溫、燒焦、停爐期間，溫度變化頻繁，鍋爐給水量控制不合理，汽包間斷排污閥常常處于小開度操作。在這種高溫、高壓、高壓差的苛刻工況下，鍋爐給水流經閥體時足以嚴重地沖擊損傷閥座、閥芯、閥體，尤其在小開度的情況下，巨大的沖刷使閥體的壽命成倍下降。為此，裝置專門編制了操作注意事項，以規范裂解爐點火升溫、燒焦、停爐期間的操作，如圖1所示。

2.3.2 減少蒸汽消耗

壓縮機效率由鍋爐出口蒸汽焓、壓縮機出口排汽焓和凝結水焓所決定。由此可知，壓縮機效率實際是由鍋爐出口蒸汽壓力、溫度和壓縮機排汽壓力3個參數而定的。根據水蒸氣的特點可知，蒸汽壓力一定，溫度上升，蒸汽焓值上升，壓縮機效率提高。年初開始，乙烯裝置分步驟將各臺裂解爐自產SS出口溫度由500℃提升至510℃。從理論上來說，在機組負荷不變的情況下，蒸汽消耗量會下降。實踐證明，優化SS溫度后，在裝置負荷增加1.49%的情況下，SS消耗只增加了0.74%，如表1所示。

2.4 優化燃料氣消耗

乙烯裝置能耗中燃料比重高達70%以上，因此，減少裂解爐燃料氣消耗是節能工作的關鍵。為此，乙烯裝置采取了一系列優化措施，以最大限度地減少燃料氣消耗。

2.4.1 提升熱效率

實踐證明，裂解爐熱效率提高0.5%，燃料氣消耗相應下降約0.5%。為此，乙烯裝置通過加強爐體“防漏堵風”、投用底部燒嘴空氣預熱器、嚴格控制爐膛負壓和煙氣氧含量、化學清洗對流段爐管外壁、合理控制操作負荷、改造對流段排布等措施，使裂解爐平均熱效率達到93.8%，同比提升1.3%，創歷史最好水平和行業先進水平。

2.4.2 延長運行周期

通過運用扭曲片管技術、適時切換裂解原料、實時監控和維護燒嘴狀況、應用裂解深度先進控制等措施，使裂解爐運行周期均有不同程度的增加，其中新改造裂解爐的運行周期可達90天以上。

2.4.3 優化熱備用時間

合理調整點火時間和操作，科學縮短升溫時間，使裂解爐熱備用過程（從點火到投料）較原來縮短近4個小時，有效減少了鍋爐給水、稀釋蒸汽和燃料氣的消耗。實施快速在線燒焦操作程序，減少裂解爐的燒焦時間和次數，使裂解爐燒焦時間縮短一半，節省了大量燒焦蒸汽、工廠風及燃料氣消耗。

2.5 優化切爐操作

物料損失和能量消耗很大一部分出現在裝置開停工過程及處理裝置問題的過程中，降低損失率和能耗的種種措施均是建立在裝置安全、穩定運行的基礎之上。如果沒有令人滿意的生產平穩率，就絕談不上降低加工損失率，所以一切工作的出發點都是建立在較高的運行平穩率的大前提之上。兩臺或多臺裂解爐進行切換操作時，將會打破裝置原有的平穩，必然產生一定的無效生產時間，這一過程會使裝置能耗、物耗增加，產品收率降低，加工損失率大幅上升。因此，抓好裂解爐切換操作的平穩性，合理安排人力，科學優化步驟，延長有效生產時間，可以在很大程度上降低加工損失率，以達到增產降耗的目的。

3 節能分析

3.1 裂解爐改造對能耗的影響

基于新型裂解爐的先進性，5臺改造爐在熱效率和SS發汽量方面提升幅度較大，如表2所示。此外，新型裂解爐在產能、運行周期和產品收率上均有所提高。按SPYRO軟件計算，在相同原料條件下，新爐的雙烯收率較舊爐平均提高0.5%以上。

由表2不難看出，裂解爐節能改造達到了預期的目的，熱效率、SS發汽量和乙烯收率三方面大幅提升，對于降低裝置能耗具有積極的作用。

3.2 裂解爐運行周期對能耗的影響

一般來說，延長裂解爐運行周期，意味著減少開停爐次數，在一定程度上可以節省大量燃料氣消耗，對裝置能耗起到積極的作用。事實上，乙烯收率和SS發汽量與運行周期之間存在相互制約、相互影響的關系。

隨著裂解爐運行周期的延長，爐管中的焦炭量逐漸增厚，則爐出口壓力增加，導致乙烯收率下降；反之，為追求高乙烯收率，必然要提高爐出口溫度，如此會增加爐管熱負荷，二次反應隨之加速，生炭量快速增加，從而影響運行周期。此外，隨著裂解爐運行時間的推移，廢熱鍋爐結焦量增大，換熱效果變差，產生SS量逐漸變小，一個周期內運行末期與運行初期SS發汽量下降近20%。

因此，把握裂解爐運行周期必須綜合權衡乙烯收率和SS發汽量的情況而定，不能一味追求長周期而忽略了高效、經濟運行。實踐證明，以NAP為原料的裂解爐運行40天左右有必要下線燒焦，而采用線性廢熱鍋爐的裂解爐可適當延長運行周期至90天左右。

4 結語

多年來，乙烯裝置通過挖新點、找新路、探新道，將節能管理工作不斷走向深入。經過不懈努力，乙烯裝置的平均能耗降至560kg標油/噸乙烯，較上年的降低幅度多達10%，創歷史最好水平。

參考文獻

[1]黃志全.裂解原料石腦油生產的優化[J].廣石化科技，2008，3（1）：6.

[2]張衍品，李海周.裂解爐的綜合節能措施[J].乙烯工業，2011，23（1）：43-45.

（作者單位：南京揚子石油化工設計工程有限責任公司）