乙烯裂解爐燒焦技術(shù)進(jìn)展

郝國偉,謝省賓,丁 旭,國海峰

(1.中國石油大慶石化公司 ,黑龍江大慶 163314;2.中國石油東北煉化工程公司吉林設(shè)計(jì)院 ,吉林吉林 132002;3.大慶化工研究中心 ,黑龍江大慶 163314)

熱裂解法生產(chǎn)乙烯中,乙烯裂解爐是最為關(guān)鍵的核心設(shè)備,乙烯生產(chǎn)的能耗中,60%左右消耗于裂解爐。裂解爐管是乙烯裝置中操作溫度最高的構(gòu)件,管內(nèi)進(jìn)行烴的裂解反應(yīng),由于發(fā)生聚合、縮合等二次反應(yīng),不可避免地會(huì)在裂解爐管內(nèi)壁和急冷鍋爐管內(nèi)壁上生成焦垢,其結(jié)焦速度隨著裂解深度的加深、烴分壓的升高以及原料重質(zhì)化的加深而加大[1]。烴類在爐管內(nèi)結(jié)焦會(huì)增大爐管管壁熱阻,降低熱傳導(dǎo)率,增大裂解過程的能耗,使壁溫升高,縮短爐管壽命。焦垢會(huì)使?fàn)t管內(nèi)徑變小,物料流動(dòng)過程的壓降增大,生產(chǎn)效率下降,運(yùn)轉(zhuǎn)周期縮短;同時(shí)裂解爐離線燒焦又會(huì)進(jìn)一步限制產(chǎn)量,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致裝置無法運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。另外,結(jié)焦和采用過熱流清焦也會(huì)使?fàn)t管壽命縮短;因此,仔細(xì)研究裂解爐燒焦影響因素并選定最佳操作方法及工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 影響裂解爐燒焦的因素

1.1 氧氣流量對(duì)燒焦過程的影響

焦炭的燃燒是在固體與氣體之間進(jìn)行的多相燃燒過程,氧氣是燒焦過程中的關(guān)鍵因素,進(jìn)入反應(yīng)器的氧含量是控制爐管溫度的重要參數(shù)。由于工業(yè)燒焦在不同階段空氣流量的變化范圍很大,影響因素也很多,實(shí)驗(yàn)室在研究氧氣流量對(duì)焦炭燃燒的影響時(shí),確定燒焦溫度為 500℃,此時(shí)在裂解爐管焦炭燃燒實(shí)驗(yàn)裝置中燒焦速度適中,有利于觀察空氣過剩系數(shù)對(duì)燒焦速度的影響。不同空氣過剩系數(shù)下的燒焦曲線很接近,基本平行。因此,乙烯裂解爐管焦炭在燒焦溫度為 500℃時(shí),在不同的氧氣流量下,燒焦時(shí)間相同,燃燒率相差不大,此時(shí)燃燒過程不屬于擴(kuò)散控制范圍,氧氣擴(kuò)散速度遠(yuǎn)快于燃燒反應(yīng)速度,氧氣的擴(kuò)散不是燒焦過程的制約因素。所以,在工業(yè)現(xiàn)有燒焦條件下,僅僅通過提高氧氣流量的方法不能大幅度提高燒焦速度[3]。在燒焦后期,不應(yīng)急于提高空氣流量,以免造成爐管的熱量積累[4]。

1.2 溫度對(duì)燒焦過程的影響

乙烯裝置裂解爐管焦炭的燃燒速度主要取決于化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素,燃燒工況屬于低溫燃燒 (動(dòng)力燃燒)區(qū),燃燒反應(yīng)過程為化學(xué)反應(yīng)控制,溫度對(duì)焦炭的燃燒過程影響顯著,要加快反應(yīng)速度的關(guān)鍵是提高溫度。裂解爐盤管內(nèi)的焦炭很難燃燒完全,是因?yàn)闊箿囟容^低,從而延長了燒焦時(shí)間,如果適當(dāng)提高乙烯裝置裂解爐管的燒焦溫度,將有助于縮短整個(gè)乙烯裝置的燒焦時(shí)間;但是,溫度提高過大,爐子耐火磚損壞嚴(yán)重,材料增加,管內(nèi)嚴(yán)重結(jié)焦處爐管有可能局部過熱燒壞,爐管如有熱斑 (管內(nèi)嚴(yán)重結(jié)焦處),有可能燒穿爐管;因此,可以提高乙烯裝置的燒焦溫度,但是有一定限度[3]。乙烯裝置裂解爐焦炭燃燒速率取決于焦炭顆粒內(nèi)外表面的化學(xué)反應(yīng)速度,可以嘗試通過加入少量助燃劑的方法,以降低燒焦反應(yīng)活化能,使之在現(xiàn)有的工業(yè)燒焦溫度下,大幅度縮短燒焦時(shí)間。在爐管降溫幅度相同的情況下,爐管內(nèi)的熱應(yīng)力與結(jié)焦厚度之間基本成線性關(guān)系;在同樣的結(jié)焦厚度時(shí),爐管內(nèi)的熱應(yīng)力隨爐管降溫幅度的增加而升高,而且隨降溫幅度的增加,熱應(yīng)力增加的幅度逐漸加大。因此在裂解爐清焦前降溫時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制降溫幅度。

2 燒焦技術(shù)

裂解爐達(dá)到下列條件之一時(shí)應(yīng)停爐清焦[5]:①裂解爐輻射段爐管的管壁溫度達(dá)到爐管設(shè)計(jì)溫度,如 20Cr35N iNb爐管耐熱最高溫度為 1 100℃;②急冷鍋爐的出口溫度達(dá)到 480℃,或裂解氣急冷鍋爐進(jìn)出口之間的壓降超出最大允許值 (12 kPa);③爐管入口文丘里管前后壓差小于文丘里管入口絕對(duì)壓力的 15%;④裂解爐輻射段爐管入口壓力比開車初期增加 70 kPa以上;⑤緊急停車;⑥計(jì)劃停車。

2.1 單根爐管燒焦技術(shù)

對(duì)于大慶乙烯“80 U”形裂解爐,每根爐管的文丘里噴嘴后都有一塊用來測量文丘里噴嘴后壓力的壓力表,如果爐管結(jié)焦嚴(yán)重,此處的壓力將上升。爐管受限后,將此處的壓力表拆下,換上變徑絲頭,接膠帶通稀釋蒸汽,受限的爐管物料流量將增大;測量爐管表面溫度,發(fā)現(xiàn)受限的爐管與正常爐管沒有大的差異。另外,大的蒸汽流也有清焦的作用。這種做法的最大優(yōu)點(diǎn)是,不用降低整組爐管的輻射熱量,使整臺(tái)裂解爐在相同的裂解深度下運(yùn)行,不影響產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率,并且能夠使裂解爐堅(jiān)持運(yùn)行到一個(gè)運(yùn)行周期。

裂解爐燒焦時(shí)將先前的膠帶通稀釋蒸汽改為通工業(yè)風(fēng)。但具體操作時(shí)要謹(jǐn)慎,應(yīng)避免大量焦遇空氣劇烈燃燒,釋放大量的熱量而不能及時(shí)帶出,造成爐管超溫?cái)嗔选＞唧w操作有 8個(gè)步驟[6]:①膠帶工業(yè)風(fēng)端閥門全開,爐管端閥門開 2～3扣;②爐膛溫度從 850℃開始升溫,升溫速度視爐管表面溫度而定,緩慢提溫,一般 5～8℃/h;③在爐膛升溫的同時(shí),逐漸增加工業(yè)風(fēng)流量;一般情況下每隔 0.5 h,爐管端膠帶閥門開半扣;④當(dāng)爐膛溫度達(dá) 880～890℃時(shí),膠帶閥門全開;⑤在爐膛提溫和增加工業(yè)風(fēng)流量過程中,要密切注意爐管表面溫度變化情況,防止溫度變化劇烈燒斷爐管;⑥用紅外測溫儀每 0.5 h測爐管表面溫度一次,防止超溫;⑦當(dāng)爐管表面溫度趨于正常時(shí),逐漸減少工業(yè)風(fēng)量,與其它爐管溫度保持一致;⑧當(dāng)爐管燒通后,停通工業(yè)風(fēng)。

從生產(chǎn)實(shí)踐得知,裂解爐單根爐管燒焦技術(shù)對(duì)于“U”形裂解爐非常有效,該項(xiàng)技術(shù)也同樣適用于在文丘里噴嘴出口有壓力表的其它型式的裂解爐[7]。

2.2 在線清焦技術(shù)

南京揚(yáng)子石化公司烯烴廠與華東理工大學(xué)合作[8],共同開發(fā)了Ⅲ型裂解爐在線燒焦程序軟件,通過降低稀釋蒸汽量、加大空氣量進(jìn)行助燃,從而達(dá)到廢熱鍋爐燒焦所需要的溫度。裂解爐在線燒焦技術(shù)的應(yīng)用,可以提高裂解爐清焦的科學(xué)性,降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高整個(gè)乙烯裝置的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。目前,該廠已在所有的裂解爐上成功地實(shí)施了國內(nèi)外領(lǐng)先的裂解爐在線燒焦先進(jìn)技術(shù),由此每年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益 200萬元以上。

CBL-V型裂解爐采用在線清焦技術(shù)[6],該技術(shù)采用蒸汽—空氣燒焦方法,利用此技術(shù)可清除輻射段爐管及急冷鍋爐中的焦。燒焦溫度為 800～850℃,整個(gè)清焦過程需要約 37 h,與其它裂解爐型相比,其最大特點(diǎn)是燒焦用時(shí)短,不含純空氣燒焦步驟。經(jīng)過幾個(gè)周期的實(shí)際操作檢驗(yàn),每次燒焦后下一個(gè)周期運(yùn)行初期,急冷鍋爐出口溫度基本上維持在 372℃左右,這說明燒焦比較徹底,能夠達(dá)到規(guī)定技術(shù)要求。

2.3 “蒸汽—空氣”混合燒焦法

工業(yè)上采用蒸汽—空氣混合氣體進(jìn)行爐管燒焦,是一項(xiàng)十分重要的安全措施[4]。首先,水蒸氣的加入可以提高系統(tǒng)的熱容量,從而控制溫升,有利于反應(yīng)器的穩(wěn)定;另外,一旦反應(yīng)進(jìn)入 1 000℃以上的高溫區(qū),水蒸氣與焦炭之間的反應(yīng)將被激活,迅速吸收系統(tǒng)熱量,吸熱強(qiáng)度為 110.5 kJ/mol。

F-108/109裂解爐燒焦采用“空氣—蒸汽”混合燒焦法[9]。按提高裂解爐出口溫度、降低 DS量、提高空氣 (PA)量的方案進(jìn)行燒焦,即以裂解爐出口溫度 800℃,DS量 10 t/h、PA量 400 Nm3/h狀況下開始進(jìn)行燒焦。當(dāng) DS量降至 7 t/h、PA量 (標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))升至 4 500 m3/h、爐出口溫度升至 850℃、燒焦4 h后,對(duì)燒焦空氣進(jìn)行取樣 (2 h/次)。當(dāng)燒焦空氣中 CO+CO2含量 (物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))小于 0.1%兩次合格后,將裂解爐出口溫度提到 865℃、PA量 (標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))升至 5 500 m3/h、DS量降至 6 t/h,進(jìn)行加燒。4 h后,進(jìn)行分析取樣。當(dāng)燒焦空氣中 CO+CO2含量 (物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))小于 0.1%兩次合格后,可以認(rèn)為燒焦合格。此時(shí)要對(duì)輻射段爐管進(jìn)行檢查。如果爐管表面顏色清徹一致,無花斑,即可認(rèn)為燒焦結(jié)束。燒焦過程中的注意事項(xiàng):①如裂解爐的另一側(cè)仍在進(jìn)行裂解,燒焦過程中要對(duì)爐膛的負(fù)壓、橫跨斷溫度、排煙溫度進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視,防止?fàn)t溫波動(dòng),造成系統(tǒng)波動(dòng);②在每次提 PA量、降 DS量的過程中,室外操作人員要對(duì)爐管和橫跨段進(jìn)行檢查,防止焦渣在爐管中燃燒劇烈,造成爐管堵塞和橫跨段溫度過高,造成輻射段、對(duì)流段爐管損害;③在燒焦過程中,要經(jīng)常對(duì)清焦罐底部倒淋進(jìn)行排渣,防止大量的焦渣堵塞管道,給燒焦工作帶來麻煩。

3 改進(jìn)方法

3.1 裂解爐燒焦過程優(yōu)化

裂解爐燒焦時(shí)啟動(dòng)清焦空氣壓縮機(jī),該設(shè)備為高壓電機(jī),功率大。燒焦初期的空氣使用量較小,壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后存在大量放空現(xiàn)象,造成浪費(fèi)[10]。為此,改變了裂解爐燒焦方式。燒焦初期利用管網(wǎng)空氣,充分發(fā)揮空壓站壓縮機(jī)富?？臻g,為裂解爐燒焦供風(fēng),當(dāng)空壓站壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行后,再啟動(dòng)清焦空氣壓縮機(jī)。如此,每次燒焦節(jié)電約 20 000 kW·h。在燒焦后裂解爐降溫或升溫過程中,低溫段利用空氣為爐管降溫,每次燒焦可以節(jié)約蒸汽 50 t。

3.2 強(qiáng)化操作規(guī)程

中原石油化工有限責(zé)任公司在總結(jié)以前經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,嚴(yán)格規(guī)范操作數(shù)據(jù)記錄,設(shè)立裂解爐投料退料程序確認(rèn)卡,并根據(jù)裂解爐的不同型號(hào)、不同進(jìn)料分三種不同形式填報(bào)清焦過程記錄臺(tái)賬,指定專人對(duì)裂解爐的操作運(yùn)行狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測,將數(shù)據(jù)整理成冊(cè)歸檔。他們還加強(qiáng)設(shè)備現(xiàn)場管理,規(guī)范機(jī)制,天天查漏、消漏,嚴(yán)格“十字”潤滑作業(yè),一旦發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理,消除了設(shè)備隱患,使加爐熱的燒焦周期由過去的 40 d延長到了現(xiàn)在的 78 d,裂解爐熱效率達(dá)到 94.1%,高于 93%的設(shè)計(jì)值。

此外在爐管內(nèi)采用結(jié)焦抑制劑和扭曲片技術(shù)可以有效地降低裂解爐正常運(yùn)行時(shí)焦炭的產(chǎn)生[11]。

4 結(jié)束語

在乙烯裝置裂解爐管的焦炭燃燒過程中,溫度對(duì)燒焦過程的影響顯著,適當(dāng)提高乙烯裝置裂解爐管的燒焦溫度,將有助于縮短整個(gè)乙烯裝置的燒焦時(shí)間。延長裂解爐運(yùn)行周期的同時(shí)減少裂解爐燒焦次數(shù),降低裂解爐燒焦操作所需的能耗。強(qiáng)化操作規(guī)程和提高燒焦質(zhì)量可以降低燒焦的次數(shù),既減少了操作人員的勞動(dòng)量,又使裝置負(fù)荷較平穩(wěn),減少裝置負(fù)荷的波動(dòng),增加裝置的穩(wěn)定性。

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