乙烯裝置全爐運(yùn)行生產(chǎn)工況與常規(guī)生產(chǎn)工況運(yùn)行對(duì)比分析

張曉，張勇，劉國(guó)剛，朱景剛，呂雪

（中國(guó)石油撫順石化公司，遼寧撫順 113004）

在傳統(tǒng)蒸汽裂解制乙烯的工藝中，裂解爐是乙烯裝置最主要的耗能設(shè)備，能耗約占裝置總能耗的75%～80%（取決于所選原料性質(zhì)、爐型和結(jié)構(gòu)）[1]，因此裂解爐運(yùn)行數(shù)據(jù)的優(yōu)劣直接影響裝置的物耗、能耗。各企業(yè)從優(yōu)化裂解爐運(yùn)行著手，根據(jù)上下游物料平衡，選擇最合理的生產(chǎn)工況，并實(shí)施必要的技術(shù)改造，最大限度地獲得目的產(chǎn)品收率，降低裝置能耗，降低產(chǎn)品單位成本，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

1 裂解爐簡(jiǎn)介

中國(guó)石油撫順石化公司80萬(wàn)t/a乙烯裝置采用斯通韋伯斯特（S ＆ W）工藝技術(shù)，裂解爐共設(shè)計(jì)有8臺(tái)，液態(tài)爐為USC-176U型爐，氣態(tài)爐為USC-12M型爐，8臺(tái)爐分配為4重（H）＋3輕（L）＋1氣態(tài)（Q）設(shè)計(jì)，其中6#、7#爐A爐膛設(shè)計(jì)為裂解液態(tài)和氣態(tài)原料，裂解氣態(tài)時(shí)與循環(huán)乙烷/丙烷爐互為備用。重質(zhì)原料包括減一/減頂油（AGO）、加氫尾油（HTO）等；輕原料包括石腦油（NAP）、拔頭油、輕烴等；為拓寬裂解原料來(lái)源，2014年經(jīng)過(guò)核算和技術(shù)改造，液化氣（LPG）被引入裝置以氣相方式進(jìn)行加工，使撫順乙烯形成2.5 H＋3 L＋0.5 LPG＋1氣態(tài)＋1備用的生產(chǎn)模式。正常生產(chǎn)模式下，備用爐基本處于停爐狀態(tài)，除備用爐投油前的準(zhǔn)備階段需額外消耗一定燃動(dòng)外，此種模式被確認(rèn)為是最節(jié)能的工況。在北方的冬季，備用爐的防凍問(wèn)題突出，日常維護(hù)量較大，維護(hù)費(fèi)用隨之增加，所以裂解爐冬季操作上一般采取7開＋1低溫備用的模式生產(chǎn)，按此模式生產(chǎn)的后果是裝置能耗較高，經(jīng)濟(jì)性差。

為優(yōu)化裝置運(yùn)行，打破操作瓶頸，查找最佳生產(chǎn)工況，經(jīng)過(guò)對(duì)裝置生產(chǎn)狀況梳理和裂解原料分配核算，實(shí)施了取消備用爐運(yùn)行模式（8臺(tái)裂解爐全部參與生產(chǎn)）的操作工況，并對(duì)8臺(tái)爐生產(chǎn)的工況進(jìn)行工藝標(biāo)定，驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)性和可行性。

2 裂解爐不同工況下標(biāo)定情況

2.1 進(jìn)料負(fù)荷分配對(duì)比

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)工況要求，裂解爐進(jìn)料滿負(fù)荷為307 t/h。在后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)上游原料實(shí)施分儲(chǔ)分裂及裂解爐工藝優(yōu)化調(diào)整，裂解爐基本保持在315 t/h運(yùn)行，是設(shè)計(jì)負(fù)荷的102.6%。按2.5 H＋3 L＋0.5 LPG＋1氣態(tài)＋1低溫備用的模式操作時(shí)（工況1），各爐加工負(fù)荷及原料種類見(jiàn)表1。

表1 工況1原料種類及負(fù)荷分配

在裝置無(wú)備用爐時(shí)，考慮上下游物料平衡及貼近工況1的加工方式，按2.5 H＋4 L＋0.5 LPG＋1氣態(tài)的模式組織生產(chǎn)（工況2），負(fù)荷仍保持315 t/h，各爐加工負(fù)荷及原料種類見(jiàn)表2。

通過(guò)表1、2可以看出，在工況1下運(yùn)行時(shí)，各爐基本保持高負(fù)荷運(yùn)行，個(gè)別爐加工負(fù)荷接近110%。而在工況2時(shí)，各爐單位加工負(fù)荷明顯降低，負(fù)荷率保持在80%～90%之間。與工況1相比，工況2的輕、重原料占比控制手段增強(qiáng)，原料分配方式更加靈活，裝置加工能力可繼續(xù)提高。

對(duì)于特定的裂解爐而言，單位加工負(fù)荷減少，優(yōu)化空間得到進(jìn)一步釋放，在保證一定裂解深度的情況下，燃料氣耗量下降，過(guò)?？諝庀禂?shù)降低，輻射段爐管所承受的熱強(qiáng)度降低，爐管表面溫度降低，整個(gè)裂解爐熱負(fù)荷分配更加合理，運(yùn)行效率增加，同時(shí)對(duì)延長(zhǎng)清焦周期也起到關(guān)鍵作用[2]。

表2 工況2原料種類及負(fù)荷分配

2.2 裂解爐運(yùn)行情況對(duì)比

在裝置進(jìn)料負(fù)荷相同的情況下，通過(guò)對(duì)各爐運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，保持裂解爐最佳運(yùn)行狀態(tài)，比較工況1、2各爐關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3、4。

通過(guò)表3和表4可以看出，工況2各原料裂解COT較工況1均適當(dāng)提高，相同進(jìn)料負(fù)荷下SS產(chǎn)量增加6 t/h；兩種工況下混裂爐受A、B爐膛裂解溫度不同、熱負(fù)荷分配偏差較大的影響，均表現(xiàn)為排煙溫度偏高；為保證加工負(fù)荷，在工況1時(shí)導(dǎo)致部分裂解爐高負(fù)荷運(yùn)行，裂解爐運(yùn)行效率降低；工況2時(shí)，平均各裂解爐進(jìn)料負(fù)荷在80%～90%之間，調(diào)整裂解爐優(yōu)化運(yùn)行的手段加強(qiáng)，過(guò)?？諝庀禂?shù)降低，排煙溫度降低，平均熱效率增加0.61%；工況2時(shí)裂解爐橫跨壓力有所降低，潛在表現(xiàn)是停留時(shí)間較工況1時(shí)有所延長(zhǎng)，經(jīng)適當(dāng)提高工況2的各爐稀釋蒸汽注入量增加稀釋比的同時(shí)對(duì)比橫跨段壓力設(shè)計(jì)值（重質(zhì)0.283 MPa，輕質(zhì)0.262 MPa），表明工況2時(shí)各爐裂解反應(yīng)的停留時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求；工況2時(shí)各原料裂解深度適當(dāng)提高，在保證合理稀釋比的情況下，燃料消耗未表現(xiàn)出明顯增加。

表3 工況1各爐運(yùn)行情況

表4 工況2各爐運(yùn)行情況

2.3 產(chǎn)品收率對(duì)比

標(biāo)定期間分別截取兩種穩(wěn)定工況下的72 h產(chǎn)品收率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比兩種工況下裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。產(chǎn)品收率數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表5。

由表5可知，工況2相比工況1產(chǎn)品收率變化明顯，乙烯收率提高0.94百分點(diǎn)，丙烯收率降低0.45百分點(diǎn)，雙烯收率提高0.49百分點(diǎn)。氫氣產(chǎn)量增加0.22 t/h，在氫氣并入總管網(wǎng)再分抽至用戶的控制方式下，可減輕上游制氫裝置高負(fù)荷生產(chǎn)的壓力；自產(chǎn)燃料氣（甲烷）產(chǎn)量增加5.67 t/h，很大程度上緩解冬季天然氣作為外補(bǔ)燃料的不足；同時(shí)丙烯產(chǎn)量降低，可緩解下游碳三鏈的物料不平衡（減少過(guò)量丙烯外運(yùn)壓力）；混合碳四產(chǎn)量降低2.33 t/h，根據(jù)碳四餾出口樣品分析數(shù)據(jù)顯示，其中丁二烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占52%，受近階段丁二烯產(chǎn)品市場(chǎng)單價(jià)高企影響，丁二烯產(chǎn)量的降低，會(huì)對(duì)工況2的經(jīng)濟(jì)性造成一定影響，有待后續(xù)根據(jù)市場(chǎng)變化對(duì)工況2進(jìn)行產(chǎn)品收率優(yōu)化。

表5 數(shù)據(jù)整理

3 裝置能耗對(duì)比

在乙烯裝置的能耗計(jì)算中，各企業(yè)受產(chǎn)能和工藝技術(shù)路線不同的影響，會(huì)出現(xiàn)略有不同的計(jì)算方法，但基本遵從：

的原則[3]。撫順乙烯設(shè)計(jì)能耗結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

通過(guò)圖1可以看出，裝置能耗主要包括燃料（自產(chǎn)燃料氣、天然氣、開工氫氣）、動(dòng)力（蒸汽、循環(huán)水、電、風(fēng)等）和其他三部分。

圖1 能耗結(jié)構(gòu)

對(duì)應(yīng)截取上述兩種工況（公用工程條件基本相同，冷卻水溫度在24～25℃之間）72 h各燃動(dòng)消耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩種工況的能耗對(duì)比，見(jiàn)表6。

由表6可以看出，工況2相比工況1的綜合能耗降低14.45 kgEO/t標(biāo)油，其中燃料部分能耗下降11.92 kgEO/t標(biāo)油；動(dòng)力部分下降2.29 kgEO/t標(biāo)油；其他能耗下降0.22 kgEO/t標(biāo)油。

表6 燃動(dòng)單耗及裝置能耗對(duì)比

工況1消耗自產(chǎn)燃料氣39.05 t/h，消耗外補(bǔ)天然氣15.54 t/h；工況2消耗自產(chǎn)燃料氣44.73 t/h，消耗外補(bǔ)天然氣10.27 t/h。受兩種燃料的對(duì)比折能系數(shù)不同和兩種工況下乙烯產(chǎn)量不同影響，工況2相比工況1自產(chǎn)燃料氣能耗增加1.73 kgEO/t標(biāo)油，天然氣能耗減少13.65 kgEO/t標(biāo)油。動(dòng)力和其他部分對(duì)兩種工況能耗影響較小，主要受乙烯產(chǎn)量不同影響。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 原料投入成本

裂解爐加工原料總負(fù)荷315 t/h，原料種類和負(fù)荷分別見(jiàn)表1、2，按各種原料折算單價(jià)計(jì)算，兩種工況投入成本比較見(jiàn)表7。

表7 投入成本比較

4.2 產(chǎn)出成本

根據(jù)兩種工況的產(chǎn)品量，按各種產(chǎn)品折算單價(jià)計(jì)算，兩種工況產(chǎn)出成本比較見(jiàn)表8。由表7、8得出的投入與產(chǎn)出成本差值為4 505元/h。

表8 產(chǎn)出成本比較

4.3 裂解爐消耗對(duì)比

自產(chǎn)SS效益：

（工況2產(chǎn)生SS量-工況1產(chǎn)生SS量）×單價(jià)=（376-369.6）×300=1 920（元/h）

消耗DS成本：

（工況2消耗DS量-工況1消耗DS量）×單價(jià)=（220.5-219.3）×180=-216（元/h）

燃料氣消耗成本：

（工況2自產(chǎn)燃料氣量＋外補(bǔ)天然氣量）×單價(jià)-（工況1自產(chǎn)燃料氣量＋外補(bǔ)天然氣量）×單價(jià)）=（55×3328）-（54.6×3328）=-1 331.2（元/h）

脫鹽水消耗成本：

（工況2消耗量-工況1消耗量）×單價(jià)=（376-369.6）×10=-64（元/h）

二甲基二硫（DMDS）消耗成本：

（工況2消耗量-工況1消耗量）×單價(jià)=（42.8-40.3）×27.3=-68（元/h）

風(fēng)機(jī)用電消耗成本：

（7＋1臺(tái)爐風(fēng)機(jī)耗電費(fèi)用/h）-（6＋1＋1備用爐風(fēng)機(jī)耗電費(fèi)用/h）=（90＋180×7）-（90＋200×6＋100）=40（元/h）

由以上數(shù)據(jù)可得：工況2比工況1每小時(shí)增加效益4 785.8元。

5 裝置實(shí)施全爐生產(chǎn)的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)分析

1）8臺(tái)爐參與生產(chǎn)不存在備用爐冬季防凍問(wèn)題。

2）在一定負(fù)荷下，8臺(tái)爐中每一臺(tái)爐的加工負(fù)荷低于7臺(tái)爐中每一臺(tái)爐所承受的負(fù)荷，對(duì)稀釋比、橫跨段溫度和壓力、裂解深度、排煙溫度、爐膛氧含量、爐管熱強(qiáng)度、裂解爐熱效率、燒嘴燃燒情況等操作參數(shù)釋放出空間，保證裂解爐的整體效率提高。

3）在投退爐期間，采取邊退邊投的方式，保持裝置總負(fù)荷穩(wěn)定，對(duì)運(yùn)行爐裂解溫度的控制擾動(dòng)較小，從而大大降低了爐管在投退油過(guò)程中焦粉脫落、爐管堵塞的可能。同時(shí)對(duì)后續(xù)單元大機(jī)組、重要設(shè)備及系統(tǒng)調(diào)整產(chǎn)生的波動(dòng)降至最低。

4）由于每臺(tái)爐分擔(dān)的負(fù)荷較低，裂解深度可優(yōu)化提高，原料分配方式更加靈活，裝置能耗降低。

5）8臺(tái)爐生產(chǎn)期間，分階段提高裝置總負(fù)荷，對(duì)每一個(gè)階段進(jìn)行標(biāo)定，查找裝置高負(fù)荷運(yùn)行瓶頸，為裝置后續(xù)擴(kuò)能改造積累重要數(shù)據(jù)。

6 實(shí)施全爐生產(chǎn)存在的問(wèn)題

在標(biāo)定期間，裂解爐工況2運(yùn)行時(shí)受注氣量適當(dāng)提高的影響，裂解反應(yīng)中伴隨的水煤氣反應(yīng)增加，通過(guò)對(duì)堿洗塔入口裂解氣中CO2的定量分析得出，工況2較工況1時(shí)CO2增量為46 mL/m3，為保證堿洗合格，新鮮堿補(bǔ)入量較工況1增加約120～150 kg/h。新鮮堿的補(bǔ)入量增加和廢堿處理量的提高會(huì)對(duì)裝置的整體運(yùn)行成本有所影響。

經(jīng)過(guò)對(duì)全爐和常規(guī)工況在不同負(fù)荷下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)整理和對(duì)比，分析計(jì)算裝置經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種工況原料結(jié)構(gòu)相近，加工負(fù)荷率在93.3%時(shí)，兩種工況經(jīng)濟(jì)效益基本接近；隨著加工負(fù)荷率的提高，達(dá)到103.7%時(shí)，全爐生產(chǎn)工況表現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)效益最大化；當(dāng)加工負(fù)荷率繼續(xù)提高，全爐生產(chǎn)工況的經(jīng)濟(jì)效益呈下降趨勢(shì)，當(dāng)負(fù)荷率提高至109.1%時(shí)，兩種工況經(jīng)濟(jì)效益又基本接近。兩種工況的經(jīng)濟(jì)效益-負(fù)荷率趨勢(shì)對(duì)比見(jiàn)圖2。

7 結(jié)論

撫順乙烯打破傳統(tǒng)操作模式，實(shí)現(xiàn)不設(shè)置備用爐的運(yùn)行工況，解決了裂解爐冬季備用防凍問(wèn)題。通過(guò)對(duì)此工況進(jìn)行標(biāo)定，確認(rèn)可以降低裝置的運(yùn)行成本和物耗、能耗，同時(shí)也顯現(xiàn)出裝置操作的靈活性和可優(yōu)化性，標(biāo)定數(shù)據(jù)為乙烯裝置高負(fù)荷運(yùn)行提供了參考。