裂解爐熱效率影響因素與優(yōu)化措施

孫新民

(中國石油大慶石化公司化工一廠，黑龍江 大慶 163714)

裂解爐能耗是乙烯裝置能耗的主要組成部分，占總能耗的60%左右[1]。熱效率是衡量裂解爐運行狀況和節(jié)能降耗水平的重要指標，與乙烯裝置的能耗密切相關(guān)。因此，有必要深入分析影響裂解爐熱效率的主要因素，并采取有效措施，在保證雙烯收率的前提下，降低燃料氣耗用量，提高裂解爐熱效率，對于乙烯裝置實際運行及節(jié)能降耗有著重要的意義。

1 裂解爐運行現(xiàn)狀

中國石油大慶石化年產(chǎn)27萬噸乙烯裝置(以下簡稱大慶石化E2裝置)的EF-111J為輕質(zhì)液相裂解爐，采用美國SW公司的USC-80U型裂解爐專利技術(shù)，設(shè)計裂解原料為石腦油和尾油，設(shè)計乙烯生產(chǎn)能力為6萬噸/年。EF-111J爐自1999年投用已連續(xù)運行20年，由于長時間運行，諸多原因?qū)е铝呀鉅t排煙溫度過高，熱效率偏低，無法達到設(shè)計值。其中，在石腦油工況下，運行末期排煙溫度平均為195℃，較設(shè)計值高出43℃；尾油工況下，運行末期排煙溫度平均為224℃，較設(shè)計值高出77℃，可見裂解爐排煙溫度與設(shè)計值有較大的偏差。裂解爐熱效率與排煙溫度有直接關(guān)系，排煙溫度越高，熱效率越低，裝置的能耗也相對增加。另外，隨著裂解爐運行周期的延長，裂解爐爐管表面結(jié)焦等問題，也導(dǎo)致裂解爐熱效率進一步降低。

2 裂解爐熱效率反平衡計算公式

熱效率是衡量裂解爐對所供給熱量的有效利用程度，它是指裂解爐有效熱量占燃料總發(fā)熱量的百分比。由于實際生產(chǎn)中，計算裂解爐有效熱量和燃料總發(fā)熱量所需數(shù)據(jù)比較多，并且難以直接測量，故一般采用熱效率反平衡公式計算裂解爐熱效率。反平衡公式即從分析熱損失入手，其中熱損失包括排煙損失熱量、不完全燃燒損失熱量和表面散熱損失熱量，通過計算熱損失反推出裂解爐熱效率。裂解爐熱效率反平衡計算公式如下：

其中：η—裂解爐熱效率，%；q1—排煙損失熱量站供給能量的百分比，%；q2—不完全燃燒損失熱量站供給能量的百分比，%；q3—表面散熱損失熱量占供給能量的百分比，%；tg—裂解爐排煙溫度，℃；ta—外供熱源預(yù)熱空氣時，熱空氣的溫度，℃；W—霧化蒸汽的用量，kg/kg燃料，燒氣時值為0；O2—煙氣中氧含量，%；CO—煙氣中一氧化碳含量，%；過剩空氣系數(shù)。

從裂解爐熱效率反平衡公式可以看出，影響裂解爐熱效率的主要因素有三個：裂解爐排煙溫度、過?？諝庀禂?shù)及煙氣中一氧化碳含量。

3 影響裂解爐熱效率的主要因素

3.1 煙氣中一氧化碳含量

在裂解爐實際運行中，雖然通入一定量過?？諝?，但是由于受到燒嘴進氣方式、爐膛煙氣流動狀態(tài)以及崗位操作水平[2]等因素的影響，仍無法避免少量燃料燃燒不充分的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致裂解爐熱效率降低。在裂解爐熱效率的實際測定中，是以煙氣中碳元素的不完全氧化態(tài)，即CO的含量來計算的。一般，煙氣中CO含量可控制在10-6左右，燃料幾乎完全燃燒。與排煙溫度和空氣過剩系數(shù)相比，煙氣中CO含量對裂解爐熱效率影響不大。因此，在確保燃料能夠充分燃燒的前提下，合理降低過熱空氣系數(shù)和裂解爐排煙溫度是提高裂解爐熱效率的重要手段。

3.2 過?？諝庀禂?shù)

過?？諝庀禂?shù)是指裂解爐實際所需空氣量與理論空氣量的比值，在實際應(yīng)用中，通過煙氣中氧含量計算得出。當(dāng)爐膛內(nèi)氧含量剛好滿足燃料充分燃燒時，過?？諝庀禂?shù)a=1.0。但是由于實際生產(chǎn)中受燒嘴進氣方式等因素的影響，為保證燃料充分燃燒，往往需要通入一定量過?？諝?，否則爐膛內(nèi)氧含量不足，將難以保證燃料燃燒充分，造成煙氣中CO含量升高，熱效率降低。但過剩空氣系數(shù)也不易過大，充足的氧含量雖能保證燃料的燃燒效果，但是過多的冷空氣在煙氣排放時會帶走部分熱量，導(dǎo)致煙氣熱損失增大。為了達到同樣的熱負荷，必然要增加燃料耗用量，造成熱效率降低，并且在高溫高氧情況下，會加速爐管氧化和對流段盤管的露點腐蝕[3]。因此，在裂解爐日常操作中，要控制適宜的過剩空氣系數(shù)，即加強對裂解爐煙氣中氧含量的調(diào)節(jié)和控制。通過裂解爐熱效率反平衡公式得出，在排煙溫度為150℃時，氧含量每升高0.5%，對應(yīng)的過?？諝庀禂?shù)升高0.036，熱效率相應(yīng)下降0.17%左右。

3.3 排煙溫度

裂解爐對流段的作用是利用裂解原料、蒸汽、鍋爐給水回收煙氣中的余熱，排煙溫度的高低直接反應(yīng)對流段盤管的換熱效果。排煙溫度越高，說明煙氣帶走的熱量越多，排煙損失增大，裂解爐熱效率降低，但是排煙溫度也不可過低。一般裂解爐排煙溫度設(shè)計值的確定需考慮燃料中的硫含量，由于燃料中含有一定量的硫，導(dǎo)致燃燒生成的含硫份的煙氣在排放過程中，預(yù)冷會快速凝結(jié)，凝結(jié)后的含硫液體會對裂解爐造成露點腐蝕。因此，在降低排煙溫度提高裂解爐熱效率時，為避免煙氣露點腐蝕，排煙溫度應(yīng)高于煙氣的露點溫度[4]。本文通過裂解爐熱效率反平衡公式計算了當(dāng)煙氣中氧含量為2%時，不同排煙溫度下的裂解爐熱效率，數(shù)據(jù)列于表1；并將排煙溫度與熱效率的關(guān)系繪制成曲線(見圖1)。從表1和圖1可看出，裂解爐熱效率隨排煙溫度降低而升高，并且排煙溫度每降低10℃，裂解爐熱效率相應(yīng)升高0.45%左右。

表1 煙氣中氧含量為2%時，不同排煙溫度下的裂解爐熱效率

圖1 排煙溫度與裂解爐熱效率的關(guān)系

4 改進措施

4.1 調(diào)整空氣過剩系數(shù)

由裂解爐熱效率反平衡公式可知，煙氣中CO含量及過?？諝庀禂?shù)越高，裂解爐熱效率越低。因此合理控制煙氣中氧含量以及保證燃料充分燃燒，對于提高裂解爐熱效率具有重要意義。通常，在裂解爐輻射室的拱頂處安裝煙氣氧含量分析儀，在線實時監(jiān)測煙氣中氧含量，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整煙道擋板和風(fēng)門開度以控制煙氣中氧含量在合理范圍內(nèi)[5]。煙氣中氧含量調(diào)整思路為，在保證火嘴正常燃燒的前提下，將空氣過熱系數(shù)維持在較低水平。根據(jù)經(jīng)驗摸索，大慶石化E2裝置的USC-80U型裂解爐爐氧含量控制在2.0%～3.0%時，裂解爐運行狀態(tài)較為理想。

4.2 裂解爐對流段化學(xué)清洗

在裂解爐日常檢查維護中，設(shè)備人員在拆檢對流段頂部人孔及各層吹灰門時，發(fā)現(xiàn)EF-111J爐對流段盤管結(jié)垢較為嚴重，污垢呈青綠色。由于對流段盤管翅片之間積垢嚴重，使得翅片管束傳熱性能下降，導(dǎo)致煙氣中的殘余熱量回收不充分，造成裂解爐排煙溫度升高，燃料氣消耗量相對增加，裂解爐熱效率降低，并且熱效率已無法滿足公司節(jié)能考核指標的相關(guān)要求。因此在2019年10月對EF-111J爐對流段盤管進行了化學(xué)清洗。

圖2為裂解爐對流段管束化學(xué)清洗前后對比。如圖2所示，清洗后的盤管表面目視范圍內(nèi)基本無殘留污垢，基本可見金屬本色；另外對流段、輻射段爐襯經(jīng)檢查無損傷。EF-111J爐在經(jīng)過化學(xué)清洗、烘爐、燒焦后重新上線。在與化學(xué)清洗之前同樣工況下，即原料類型、負荷、爐管出口溫度基本一致的條件下，通過對比燃料氣用量、排煙溫度及熱效率來驗證化學(xué)清洗效果，具體參數(shù)見表2。

圖2 裂解爐對流段管束化學(xué)清洗前后對比

表2 裂解爐對流段化學(xué)清洗前后參數(shù)對比

△化學(xué)清洗后與清洗前裂解爐關(guān)鍵運行參數(shù)的差值

通過對比化學(xué)清洗前后數(shù)據(jù)，可見裂解爐經(jīng)化學(xué)清洗后排煙溫度明顯降低，燃料氣消耗量有所減少，熱效率顯著提高，說明本次化學(xué)清洗達到了預(yù)期效果，證明化學(xué)清洗能夠有效降低裂解爐排煙溫度，提升裂解爐熱效率。

5 結(jié)論

本文采用裂解爐熱效率計算公式，確定了影響裂解爐熱效率的主要因素。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)加強對裂解爐排煙溫度和煙氣中氧含量兩項指標的控制。通過合理降低裂解爐排煙溫度、控制過?？諝庀禂?shù)、優(yōu)化裂解爐日常操作和管理等措施，有效提高了裂解爐熱效率，實現(xiàn)裝置的節(jié)能降耗，為提高大慶石化乙烯裝置的綜合競爭力提供必要保證。