乙烯裝置節能增效措施的研究

許江　黃劍鋒　馬艷捷　田亮　景媛媛　穆珍珍　宋幫勇　楊利斌

摘要：乙烯裝置作為石化行業中高耗能生產裝置之一，其節能增效措施的研究和分析意味著深遠的社會意義和巨大的經濟效益?！笆濉逼陂g，石化企業需要深入研究節能降耗技術，進一步提升企業綜合競爭力。對裂解爐系統運行優化、合理利用裂解液相產物、精細化管理及無排放開停工等節能增效措施進行了分析。

關鍵詞：乙烯裝置；節能增效；裂解爐系統運行優化；裂解液相產物；精細化管理；無排放開停工

中圖分類號：TQ 203.8 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0115-04

石油化工是推動國民經濟發展的支柱產業之一，具有舉足輕重的地位。隨著社會各界對環境保護和節約能源越來越重視，企業對能效研究的要求也逐步提高，尤其對于能耗密集型企業，生產能力快速發展帶來能耗的大幅上升，節能降耗的需求更加迫切。乙烯工業是石油化工產業的核心，乙烯產品占石化產品的75%以上，乙烯裝置作為石化企業中高耗能生產裝置之一，其節能降耗技術研究和分析意味著深遠的社會意義和巨大的經濟效益。

“十二五”期間，我國新增乙烯產能630萬t，乙烯總產能達到2700萬t/a；預計“十三五”時期，我國烯烴年均需求增長約為3.5%～4%，到2020年國內乙烯、丙烯當量需求量將分別達到4800、3800萬t，雖然產能增加的步伐會適度放緩，但是仍處于相對較高的發展水平?！笆濉逼陂g，全球經濟的復蘇、低油價將保持一段時期，將為中國石油化工行業發展提供緩沖期，石化企業需要抓緊這段時間深入研究節能降耗技術增加經濟效益，進一步提升綜合競爭力。本文將對乙烯裝置節能增效技術如裂解爐系統運行優化、合理利用裂解液相產物、精細化管理及無排放開停工等方面進行詳細分析。

1 乙烯裝置節能增效措施的研究

1.1 裂解爐系統運行優化

裂解爐作為乙烯裝置龍頭，爐管內發生強吸熱、高溫、短停留時間的復雜裂解反應，基本決定了全廠80%以上的能耗，所以裂解爐操作水平將直接影響乙烯裝置的能耗水平和經濟效益。裂解爐的操作優化關鍵參數是裂解溫度和水油比，其與裂解反應深度密切相關，決定著乙烯、丙烯等主要產物產率。近年來乙烯裂解原料來源更廣且復雜多變，原料結構已發生很大變化，而裝置操作工況和控制參數相對于多變的原料并不能時刻做到針對性優化，導致裂解爐效率低下、能耗增加。本文按照原料從重到輕依次選擇了輕柴油、煤油、石腦油、油田輕烴、丙烷5種常用的乙烯原料，將其在裂解溫度下裂解氣相產物收率進行對比，結果如圖1所示，隨著裂解溫度升高10℃，5種原料的乙烯收率和三烯收率均呈增加趨勢，而且油田輕烴和丙烷增加趨勢較為明顯，說明升高裂解溫度對輕質原料裂解烯烴收率影響更大；而在相同的裂解溫度下隨著原料由重逐漸變輕，三烯（乙烯+丙烯+丁二烯，下同）收率變化很大，油田輕烴裂解三烯收率（54.06%）比輕柴油裂解三烯收率（47.72%）高6.34%，而由與890℃下丙烷裂解轉化率有限（仍有17.95%的丙烷留在裂解其中）導致丙烷裂解三烯收率略低。因此不同的裂解原料在不同的裂解溫度和水油比進行裂解產物收率變化很大，重質原料適宜在高水油比、低裂解溫度下進行裂解，輕質原料適宜在低水油比、高裂解溫度下進行裂解，例如輕柴油適宜在水油比065、裂解溫度880℃下裂解，而丙烷適宜在水油比0.50、裂解溫度920℃下裂解，因此針對不同原料進行詳細的物性分析和實驗室裂解性能評價得到其最優裂解溫度和水油比，并周期性的進行工業裂解爐系統及后分離系統的標定，將實驗室數據與工業標定數據相結合不斷優化裂解爐工藝運行參數，使裂解爐在最優工況下運轉，對于乙烯裝置的長周期運轉和節能增效具有重要意義。近年來利用計算機對裂解爐進行工況模擬分析，近而準確、快速優化工藝參數已經受到普遍重視，如乙烯裂解模擬優化系統可進行裂解爐全周期模擬與優化，及時調整裂解爐操作參數，其在蘭州石化公司運行5年多，運行期間乙烯總平均產率比優化前提高了0.72%、三烯總收率提高0.55%，對提高乙烯裝置的操作水平及經濟效益具有重要意義。

同時通過提高裂解爐熱效率、改善裂解氣熱量回收以及延長運轉周期等措施，也可使裂解爐能耗顯著下降。裂解爐排煙溫度、空氣過剩系數是影響裂解爐能耗的重要因素，在工業生產中大多數爐型存在實際排煙溫度偏高（>150℃）、實際外壁溫度高于80℃、運行周期偏短（<35d）的問題，裂解爐熱效率未達到93%。節能改造過程中可在對流段上部增加原料盤管、預熱燃燒空氣和燃料氣等措施，將排煙溫度控制110℃以下，煙道氣氧含量控制在2%左右。針對具體爐型及爐管排列方式優化燃燒器形狀及排布、及時更換爐體拱頂保溫、定期進行燃燒器的檢查、清理等工作也有利于提高裂解爐熱效率。而爐管結焦是限制裂解爐長周期運轉的重要因素，結焦會使管壁熱阻增加、熱傳導率降低、物料流動過程壓降增大，烯烴收率也會隨之降低，抑制結焦可在原料中加入結焦抑制劑、爐管內表面增加涂層以及采用新型爐管材料等措施；同時據統計裂解爐燒焦期間裝置能耗將增加20%，可將單臺燒焦時間控制在2d以內采用在線燒焦技術，使裂解爐沒有升降溫過程，延長爐管的使用壽命并節省燃料與蒸汽的消耗，有效地降低乙烯裝置的能耗。

1.2 合理利用裂解液相產物

作為乙烯裂解副產品的乙烯裂解液相產物組成極其復雜，主要是C5～C14的芳烴化合物，一般根據終餾點將其分為裂解汽油（<205℃）和裂解燃料油（>205℃）兩部分，其中裂解汽油中富含苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯等，裂解燃料油中含量較高的有：茚、萘及其同系物、蒽、苊、菲等，這些組分均為國內市場供不應求的有機化工原料，使其合理利用可使乙烯成本降低1/3以上，將對乙烯裝置整體效益及乙烯副產資源深加工的發展產生重大影響（圖2）。

乙烯裂解液相產物的收率隨乙烯裂解原料的不同而變化很大，圖2為不同原料裂解液相產物收率對比，隨著原料由重逐漸變輕，裂解液相收率呈明顯降低趨勢，其中輕柴油裂解液相收率（31.76%）約為丙烷裂解液相收率（3.1%）的10倍，常用裂解原料如石腦油裂解液相產物收率為20.59%，油田輕烴裂解液相產物收率為13.79%。而且隨著裂解溫度的升高，相同原料裂解液相產物收率略微降低，石腦油和油田輕烴的裂解液相產物收率隨溫度升高的降幅更為明顯。因此輕質裂解原料（如丙烷、天然氣等）與重質裂解原料（如石腦油、煤油、輕柴油等）相比，原料成本僅為三分之一甚至更少，裝置投資少、裂解烯烴收率更高，但裂解液相產物收率低，以100萬t/a乙烯裝置計算，以輕柴油為原料可比丙烷做原料每年多產97萬t裂解液相，而且其裂解液相中富含高附加值化工產品，與中東以乙烷為主要原料乙烯企業相比，重視利用乙烯裂解液相產物可顯著提升以石腦油為主要原料的乙烯企業的國際競爭力。

乙烯裂解液相產物的三苯（苯+甲苯+二甲苯，下同）隨裂解溫度不同而有所差異，以煤油為例，裂解液相產物收率為23.87%，其中裂解汽油約占75%左右，圖3為不同裂解溫度下煤油裂解液相產物中主要芳烴收率變化。

其中裂解液相中三苯收率從高到低依次為苯、甲苯、二甲苯；隨著裂解溫度的升高，裂解液相中三苯收率呈逐漸增加的趨勢，從27.65%逐漸升至33.74%，其中甲苯、二甲苯收率隨溫度的增加幅度相對較小，苯收率隨溫度的增加相對明顯，從12.09%逐漸升至15.24%，這說明提高裂解溫度可促進煤油裂解液相中苯的生成。雖裂解燃料油在裂解液相產物中僅占25%左右，但隨著乙烯裝置規模逐漸向大型化發展，裂解燃料油的產量將相當可觀，而當前其主要當做燃料使用，利用率不高且燃燒值較低、燃燒易形成黑煙等造成環境污染，因此為了節能增效應開發研究裂解液相產品綜合利用技術，分離回收其中高附加值的化工產品，如從裂解液相中提取萘及萘系產品，萘及萘系產品廣泛應用于合成樹脂、涂料、醫藥、農藥等行業，石油萘市場有著廣闊應用前景，蘊藏著極大的經濟效益。

1.3 裝置精細化管理和無排放開停工

創建節約型企業是企業增強核心競爭力的根本要求，石油化工企業通過精細化管理來實現節能增效具有重要的現實意義。乙烯生產具備流程長、設備多、工藝機理復雜等特點，裝置工藝指標約有上百個關鍵指標，因此在乙烯實際生產過程中，實施精細化管理、不斷提升管理水平顯得尤為重要。乙烯企業應嚴格控制工藝參數、工況條件，例如裂解爐單元應加強煙道氣氧含量、爐出口溫度、爐管出口溫度偏差、排煙溫度及燃燒狀況等工藝指標的管理，保證裝置平穩運行、延長運行周期，為裝置節能增效打下堅實基礎。例如獨山子乙烯裝置通過進細化管理和操作，裂解爐出口溫度偏差保持在±2℃之間，雙烯收率平均提高0.59%，經濟效益顯著。同時應對重點耗能單元制訂能耗消減措施，對易波動的工藝指標實行跟蹤監控；通過用能數據的對比分析以及產品收率的對比評估，以及應用如Aspon等化工輔助模擬軟件對工藝單元進行模擬計算，提出具體節能增效的措施。

乙烯裝置開停工是一個物耗、能耗較大的操作，傳統開工方式一般沿流程從前到后，將不合格物料放火炬，對經濟效益和周邊環境產生很大的影響；停工操作程序是將裂解爐整體退料、壓縮機組整體停車，時間短且操作快，但大量物料留在系統管線中造成浪費又增加了火炬排放。尤其是對目前新設計裝置能力較大，如采用傳統的開停工方式物料損失量更大，其弊端表現的更為明顯，因此減少非計劃停工事故發生，實現乙烯裝置的無排放開停工可降低加工損失率、降低成本、提高綜合效益。大慶石化充分利用現有三套乙烯裝置，采用老區裂解氣先打通流程進行調整，進行無排放開工的基本思路，實現了在裂解爐投料前乙烯裝置全流程打通，每次開工的物料損失降低80%以上，大大降低了周邊環境污染壓力。同時獨山子石化采用逐步降低裝置負荷，逐臺有序停裂解爐、壓縮機，并延長后系統的運轉時間，實現了液體物料完全回收，高價值氣體物料完全回收，與2009年停工相比多了700t，對于不能回收的氣體物料引入到了燃料氣系統，減少了外購燃料氣的消耗。

2 結論

結合全球經濟形勢、烯烴行業的競爭態勢以及“十三五”時期我國烯烴的供需情況，立足國內資源特點和乙烯工業發展方向，本文從裂解爐系統運行優化、合理利用裂解液相產物、乙烯裝置精細化管理及無排放開停工等方面對乙烯裝置節能增效技術進行詳細分析，得出以下結論：

（1）不同的裂解原料在不同的裂解溫度和水油比進行裂解產物收率變化很大，因此將不同原料的實驗室裂解性能數據與工業裂解爐標定數據結合不斷優化裂解爐工藝運行參數，使裂解爐在最優工況下運轉，對于乙烯裝置的長周期運轉和節能增效具有重要意義。利用計算機對裂解爐進行工況模擬分析，可準確、快速優化工藝參數。

（2）乙烯裂解液相產物的收率隨乙烯裂解原料變化很大。隨著原料由重逐漸變輕，裂解液相收率呈明顯降低趨勢，輕柴油裂解液相收率約為丙烷裂解液相收率的10倍，石腦油裂解液相產物收率為20.59%；隨著裂解溫度的升高，相同原料裂解液相產物收率略微降低，石腦油和油田輕烴的裂解液相產物收率隨溫度升高的降幅更為明顯。

（3）乙烯裂解液相產物的組成隨裂解溫度不同而有所差異，煤油裂解液相中裂解汽油約占75%，裂解液相中三苯收率從高到低依次為苯、甲苯、二甲苯；隨著裂解溫度的升高，裂解液相中三苯收率逐漸增加，其中甲苯、二甲苯收率增加幅度小于苯收率增加幅度。隨著乙烯裝置規模大型化發展，從裂

（4）乙烯企業應嚴格控制工藝參數、工況條件，保證裝置平穩運行、延長運行周期；應對重點耗能單元制訂能耗消減措施，對易波動的工藝指標實行跟蹤監控；通過用能數據、產品收率的對比分析以及對工藝單元的模擬計算，提出具體節能增效的措施。對大型化的乙烯裝置采用傳統的開停工方式弊端明顯，乙烯企業應減少非計劃停工事故發生，并結合裝置特點逐步降低負荷、逐臺有序停爐，盡可能回收物料，實現乙烯裝置的無排放開停工。