USC-176U型裂解爐蒸汽空氣燒焦工藝的研究與優(yōu)化

朱景剛，張 遠，吳騰亮，王燕平

（中國石油撫順石化分公司， 遼寧 撫順 13008）

USC-176U型裂解爐蒸汽空氣燒焦工藝的研究與優(yōu)化

朱景剛，張 遠，吳騰亮，王燕平

（中國石油撫順石化分公司， 遼寧 撫順 13008）

撫順乙烯采用S&W的USC-176U型裂解爐，在燒焦操作中經(jīng)常出現(xiàn)爐管堵塞現(xiàn)象。根據(jù)實際經(jīng)驗，優(yōu)化裂解爐燒焦過程中空氣用量、燒焦溫度和蒸汽用量，縮短燒焦時間，降低裝置能耗物耗。

裂解爐；燒焦；節(jié)能

撫順石化公司800 kt/a乙烯裝置（以下簡稱撫順乙烯）使用S&W專有的超選擇性裂解(USC)技術(shù)，該技術(shù)具有停留時間短，高轉(zhuǎn)化率，運行周期長，原料分配靈活等特點。裂解爐采用“雙輻射段”即通過采用兩個輻射室（雙爐膛）共用一個對流段，使用文丘里分配器，使所有的輻射段盤管流速一致，保證每根爐管有相同的停留時間。USC型裂解爐具有獨立爐膛清焦操作的功能，當裂解爐需要清焦時，每個爐膛可單獨清焦，提高裂解爐的整體使用率。

1 裂解爐結(jié)構(gòu)

撫順乙烯裝置共有7臺USC-176U型新鮮進料裂解爐(F-1110～F1170)和1臺USC-12M型循環(huán)氣體爐(F-1180)，其中F-1110～F1140為重質(zhì)原料裂解爐，可以裂解加氫裂化尾油(HTO)、常壓柴油(AGO)和混合石腦油(NAP)；F-1150～F-1170為輕質(zhì)原料裂解爐，可以裂解混合石腦油，F(xiàn)-1160和F-1170的A爐膛可以裂解循環(huán)C2/C3；F-1180為循環(huán)氣體爐，裂解裝置自產(chǎn)C2/C3。USC-176U型重質(zhì)進料裂解爐基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 對流段

烴進料通過4個單獨流量控制閥進入裂解爐，在對流段的兩側(cè)各有2個通道，原料在HC PH 1和HC PH 2模塊中預(yù)熱。稀釋蒸汽同樣在4個流量調(diào)節(jié)閥控制之下進入裂解爐，在對流段的兩側(cè)各有2個通道，以便維持每個通道的稀釋蒸汽注入量，稀釋蒸汽進入DS PH模塊中過熱后與烴進料混合。在輕質(zhì)進料裂解爐中，過熱后的稀釋蒸汽與預(yù)熱后的烴進料混合，混合物將進一步在HC＋DS 1和HC＋DS 2模塊中相繼預(yù)熱。在重質(zhì)進料裂解爐內(nèi)，稀釋蒸汽采用二次注氣。

圖1 USC-176U型重質(zhì)進料裂解爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of USC-176U Heavy feed furnace

當裂解重質(zhì)進料時，一部分稀釋蒸汽注入到預(yù)熱后的重質(zhì)進料中，混合物在HC＋DS 1模塊中進一步加熱。剩余的稀釋蒸汽在DS PH模塊中過熱，然后通過混合器注入到來自HC＋DS l的重質(zhì)進料和部分稀釋蒸汽混合物中。

1.2 輻射段

裂解爐均采用雙爐膛配置，即每臺裂解爐具有2個相同的輻射爐膛。USC型裂解爐共有176根U型輻射管，每個爐膛內(nèi)單排懸掛88根爐管。在對流段預(yù)熱過的原料和稀釋蒸汽混合物由4根橫跨管分別引入到16個輻射段入口集合管中，每根橫跨管連接4個集合管，每個集合管再通過11根輻射管將裂解原料輸送進爐膛中。每根輻射爐管的入口處布置文丘里噴嘴，保證到所有輻射爐管的進料的均勻分布。輻射爐管大約在爐管的中部變徑，輻射爐管入口內(nèi)徑45 mm，出口內(nèi)徑51 mm，每根輻射爐管的有效長度23 m。

1.3 急冷換熱器

裂解爐采用封閉耦合式SLE急冷換熱器，是一種套管式線性換熱器。輕質(zhì)進料裂解爐中，每1根輻射爐管對應(yīng)1根SLE管束；在重質(zhì)進料裂解爐中，每2根輻射爐管對應(yīng)1個SLE管束。對于輕質(zhì)進料裂解爐，SLE內(nèi)管的內(nèi)徑為57.4 mm，有效傳熱長度為17.9 m；對于重質(zhì)進料裂解爐，SLE內(nèi)管的內(nèi)徑為84 mm，有效傳熱長度為19.8 m。裂解氣自下而上穿過急冷換熱器內(nèi)管，套管外走鍋爐給水，急冷裂解氣后產(chǎn)生超高壓蒸汽。

2 運行情況

撫順乙烯目前有6臺新鮮進料裂解爐和1臺循環(huán)氣體爐生產(chǎn)，新鮮進料裂解爐工藝參數(shù)見表1。裝置負荷304 t/h，其中重質(zhì)進料裂解爐原料包括HTO和AGO，COT控制830 ℃，稀釋比為0.8，運行周期約60天； 輕質(zhì)進料裂解爐原料為NAP，COT控制840 ℃，稀釋比0.5，運行周期約70 d。1臺重質(zhì)進料裂解爐作為備用，可以裂解HTO、AGO和NAP。

表1 裂解爐運行工藝Table 1 Operation process of furnace

3 蒸汽-空氣燒焦

裂解爐長時間運行后在爐管和急冷鍋爐管內(nèi)壁會生成焦垢，焦垢會使爐管內(nèi)徑變小，物料流動過程的壓降增大，生產(chǎn)效率下降。常用的在線清焦方式有：蒸汽-空氣燒焦、空氣燒焦、蒸汽燒焦，撫順乙烯USC-176U型裂解爐采用在線蒸汽-空氣燒焦工藝，裂解爐燒焦曲線如圖2所示。

裂解爐在退料后COT降至810 ℃，用掃線蒸汽和稀釋蒸汽對裂解爐進行掃線，流量分別控制在2.5 t/h和7.5 t/h，掃線時間大約2 h。在通入空氣前將掃線蒸汽和稀釋蒸汽流量分別提至3 t/h和9 t/h，然后逐步提高空氣流量，在燒焦初期要控制爐管表面溫度溫升小于20 ℃。燒焦時間約20 h后，將COT提高至850 ℃，同時繼續(xù)提高空氣流量。當裂解爐出口CO2含量小于0.2%時燒焦操作結(jié)束，燒焦氣與燒焦時間的關(guān)系見表2。

圖2 裂解爐燒焦曲線Fig.2 Decoking curve of furnace

表2 裂解爐燒焦氣組成Table 2 Composition of decoking gas

撫順乙烯裂解爐在燒焦初期經(jīng)常發(fā)生爐管表面焦塊脫落，造成部分爐管堵塞。在燒焦過程中如果爐管發(fā)生堵塞，采取增加單組空氣用量、提高COT和延長燒焦時間等措施可以達到清焦目的，嚴重時需要停爐檢修。裂解爐燒焦過程不僅會增加裝置的能耗物耗，同時是影響整個乙烯裝置長周期滿負荷運行的關(guān)鍵。國內(nèi)同行關(guān)于裂解爐燒焦工藝進行了一系列的模擬和優(yōu)化［1］，鑒于撫順乙烯兩年多燒焦操作的實際經(jīng)驗，對USC型裂解爐蒸汽-空氣燒焦工藝進行部分優(yōu)化。

4 方案優(yōu)化

如何降低裂解爐燒焦時間是裂解爐燒焦工藝的研究重點，國內(nèi)先進的燒焦工藝可以將裂解爐燒焦時間縮短至24 h以內(nèi)［2］。空氣用量和燒焦溫度是影響裂解爐燒焦過程的主要因素，蒸汽用量也是裂解爐燒焦過程中能耗較大的一部分，因此撫順乙烯在空氣用量、燒焦溫度和蒸汽用量方面優(yōu)化裂解爐燒焦工藝，優(yōu)化后的燒焦曲線如圖3所示。

圖3 燒焦曲線（方案一）Fig.3 Decoking curve (first project)

4.1 方案一

如圖3所示，在裂解爐退料后將COT控制在830 ℃，用3 t/h的掃線蒸汽和9 t/h的稀釋蒸汽對爐管進行掃線，掃線時間1 h。在裂解爐燒焦過程中逐步提高空氣用量，最終提高至6 t/h。同時掃線蒸汽和主稀釋蒸汽用量隨著空氣用量的提高逐漸降低，分別降至0 t/h和6 t/h。燒焦初期將COT分別提高至850 ℃、870 ℃，最終COT控制在880 ℃。整個燒焦過程要時刻關(guān)注爐管表面溫度，控制溫升小于15 ℃。爐管表面溫度穩(wěn)定后將掃線蒸汽和主稀釋蒸汽流量分別提高至2 t/h和7.5 t/h。

圖4 燒焦過程COT曲線（方案一）Fig.4 Curve of COT (first project)

由圖4可以看出，在燒焦過程中當COT在810 ℃和830 ℃時，因燒焦物料中的氧含量較低，燒焦過程中放出的熱量較小，COT在小范圍波動。當COT提高至850 ℃，空氣量提高至2 t/h后，COT開始出現(xiàn)劇烈波動，說明爐管內(nèi)的大量焦碳與氧發(fā)生反應(yīng)，此時應(yīng)控制COT波動范圍在±15 ℃之間，避免爐管因大量放熱造成局部過熱而損壞。但燒焦過程進行一段時間后，COT波動減弱趨于平緩，說明爐管內(nèi)的大部分焦碳已完全反應(yīng)。再分別將COT提高至870 ℃和880 ℃后，隨著空氣量地增加將爐管內(nèi)剩余的焦碳清除。在實際生產(chǎn)中，通過對燒焦質(zhì)量和燒焦過程中物料消耗情況的分析，優(yōu)化燒焦方案中的COT控制指標、空氣用量和蒸汽用量之間的關(guān)系，以達到減少燒焦時間，降低燒焦能耗的目的。

4.2 方案二

如圖5所示，在裂解爐退料后將COT降至810 ℃，用2 t/h的掃線蒸汽和7 t/h的稀釋蒸汽對爐管進行掃線，掃線時間2 h。在通入0.3 t/h燒焦空氣后保持掃線蒸汽和稀釋蒸汽流量不變，整個燒焦過程掃線蒸汽流量保持恒定。逐步提高空氣流量至0.6 t/h，觀察爐管便面溫度溫升小于15 ℃后，將稀釋蒸汽降至6 t/h，同時將COT逐漸提高至850 ℃。爐管表面溫度穩(wěn)定后將稀釋蒸汽流量降至4 t/h，空氣流量分別提高至1 t/h和2 t/h。燒焦后期將COT提高至870 ℃，空氣流量提高至4 t/h，稀釋蒸汽流量提高至7 t/h。

圖5 燒焦曲線（方案二）Fig.5 Decoking curve (second project)

圖6 燒焦過程COT曲線（方案二）Fig.6 Curve of COT (second project)

優(yōu)化后的燒焦工藝，在裂解爐燒焦初期沒有再次發(fā)生爐管焦炭脫落，導(dǎo)致爐管堵塞現(xiàn)象。主要是因為在爐管通入空氣后爐管表面炭層松動，燒焦初期沒有提高蒸汽用量，降低爐管內(nèi)介質(zhì)流速，避免炭層脫落堵塞爐管。

燒焦過程中采用降低蒸汽用量和提高空氣用量的方法，增加爐管內(nèi)氧氣含量，達到快速燒焦的目的。燒焦末期提高COT溫度、空氣用量和蒸汽用量，目的是將急冷換熱器進行充分燒焦，管內(nèi)介質(zhì)流速增大可以將沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的焦粒帶出（圖5）。

兩種燒焦方案下，整個燒焦過程的對比情況見表3。

Investigation and Optimization of Decoking Process for USC-176U Cracking Furnace With a Steam/Air Mixture

ZHU Jing-gang，ZHANG Yuan，WU Teng-liang，WANG Yan-ping
（PetroChina Fushun Petrochemical Company, Liaoning Fushun 113008，China）

USC-176U cracking furnace of S&W incorporation was applied to Fushun ethylene unit. The phenomenon of tube blocking frequently occurred during decoking process. According to the practical experience, the operation of decoking process was improved on temperature and steam/air consumption, and the energy consumption of ethylene unit was reduced.

Furnace; Decoking; Energy conservation

TQ 221

： A

： 1671-0460（2015）10-2422-04

2015-09-15

朱景剛（1982-），男，遼寧沈陽人，助理工程師，2006年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝，現(xiàn)從事乙烯生產(chǎn)管理工作。