煤化工副產(chǎn)品綜合利用項(xiàng)目乙烯裂解裝置運(yùn)行模式優(yōu)化

吳榮煒，楊進(jìn)福，馬金欣

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司，寧夏 銀川750000）

國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司煤化工副產(chǎn)品深加工綜合利用項(xiàng)目，以煤制油裝置（CT L）、甲醇制丙烯裝置（M TP）等副產(chǎn)的石腦油（NP）和液化石油氣（LPG）為原料，生產(chǎn)聚合級(jí)乙烯、聚合級(jí)丙烯等產(chǎn)品。在裂解工段，烴和蒸汽混合物在裂解爐中高溫?zé)崃呀猓纬筛缓蚁┖推渌N氣體的混合物，同時(shí)副產(chǎn)裂解汽油、混合碳四、氫氣等。項(xiàng)目自2017年開工生產(chǎn)至今，經(jīng)過對(duì)操作條件和工藝參數(shù)的不斷完善，生產(chǎn)操作已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，各產(chǎn)品質(zhì)量合格。

裂解工段包括4臺(tái)雙爐膛裂解爐（2#～5#爐），用于裂解石腦油和輕烴原料；1臺(tái)單爐膛8M型裂解爐（1#爐），用于裂解后續(xù)分離裝置產(chǎn)生的循環(huán)C2/C3原料。其中，2#爐、3#爐的A爐膛也可以用于裂解循環(huán)C2/C3原料。裂解反應(yīng)設(shè)計(jì)采用4開1備模式運(yùn)行，以滿足周期性的清焦需求。為保證產(chǎn)量指標(biāo)，在線4臺(tái)裂解爐的單爐進(jìn)料負(fù)荷較高，運(yùn)行中常出現(xiàn)對(duì)流段超溫、爐膛低氧等問題，不利于裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。為優(yōu)化裝置運(yùn)行、保證經(jīng)濟(jì)效益最大化，需改進(jìn)現(xiàn)有的裂解爐進(jìn)料模式[1]?，F(xiàn)將裂解爐進(jìn)料方案調(diào)整情況及調(diào)整后設(shè)備運(yùn)行情況、能耗和經(jīng)濟(jì)效益情況介紹如下。

1 運(yùn)行方案調(diào)整

該乙烯裂解裝置設(shè)計(jì)原料組成有：來自煤制油裝置的石腦油、加氫LPG、油洗LPG、煤基烯烴項(xiàng)目甲醇制丙烯裝置副產(chǎn)的LPG（MTP-LPG）、來自丙烯聚合裝置（PP）的尾氣。原料由原料罐區(qū)泵送至裂解爐后，在裂解爐的對(duì)流段與離開輻射段的高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，并與稀釋蒸汽混合，逐步預(yù)熱到橫跨溫度，送入輻射段爐管進(jìn)行裂解。

裂解爐設(shè)計(jì)工況與調(diào)整前后的兩種運(yùn)行模式見表1。調(diào)整前，裂解裝置在方案Ⅰ（4爐運(yùn)行）工況下運(yùn)行。由表1可知，4爐運(yùn)行時(shí)各裂解爐處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，個(gè)別裂解爐的進(jìn)料負(fù)荷超100%。為降低單爐負(fù)荷，調(diào)整各裂解爐依照方案Ⅱ運(yùn)行，即由4開1備模式調(diào)整為5爐運(yùn)行（無備用運(yùn)行），5臺(tái)裂解爐的進(jìn)料負(fù)荷平均降為4爐工況的70%～85%（1#裂解爐滿負(fù)荷），取消備用裂解爐。理論上，單爐負(fù)荷降低將使整個(gè)裂解裝置熱負(fù)荷分配更加合理，可提高運(yùn)行效率，延長(zhǎng)清焦周期[2]。

表1 裂解爐設(shè)計(jì)工況與調(diào)整前后的兩種運(yùn)行模式 t/h

1.1 運(yùn)行負(fù)荷

為準(zhǔn)確評(píng)估不同運(yùn)行方案的效果，同時(shí)考慮上下游物料平衡，控制調(diào)整前后的裝置總負(fù)荷一致，兩種進(jìn)料模式下的運(yùn)行負(fù)荷對(duì)比見表2。從2#裂解爐上線（第1天）至4#裂解爐下線（第12天），依照方案Ⅱ測(cè)試工況運(yùn)行10 d期間，兩種進(jìn)料模式下裝置總負(fù)荷基本一致，均為225 t/h左右。

表2 不同進(jìn)料模式下的運(yùn)行負(fù)荷對(duì)比t/h

1.2 爐管出口溫度COT

乙烯裂解反應(yīng)過程有3個(gè)關(guān)鍵變量，分別是停留時(shí)間、烴分壓和反應(yīng)溫度。這些變量在裂解爐上對(duì)應(yīng)4個(gè)主要操作參數(shù)，分別是原料進(jìn)料流量、稀釋蒸汽流量、爐管出口壓力和爐管出口溫度（COT）。其中，原料最大流量（裂解爐最大負(fù)荷）主要由裂解爐管和爐膛的設(shè)計(jì)能力決定，正常流量或操作流量主要根據(jù)生產(chǎn)需要確定，原料進(jìn)料流量和稀釋蒸汽流量一般不作大的調(diào)整；爐管出口壓力由裂解氣體壓縮機(jī)的吸入壓力決定，操作中不作大的調(diào)整，因此，實(shí)際操作中能實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)變的唯一變量是COT。

裂解產(chǎn)物分布對(duì)COT變化非常敏感，COT微小的變化即會(huì)對(duì)裂解深度和產(chǎn)物分布造成較大影響。在實(shí)際操作中，控制裂解爐的本質(zhì)就是控制COT。通過調(diào)節(jié)COT控制反應(yīng)過程，5爐運(yùn)行期間各裂解爐的出口溫度變化如圖1所示（運(yùn)行時(shí)間第-1天和第-2天分別代表5爐運(yùn)行的前1天和前2天）。理論上，提高COT有利于反應(yīng)平衡向生成乙烯的方向移動(dòng)。需要指出的是，5爐運(yùn)行2 d后，為提高丙烯收率，將COT微調(diào)降至829℃。

圖1 各裂解爐在5爐運(yùn)行期間的COT變化

2 5爐運(yùn)行方案評(píng)估

2.1 裝置運(yùn)行情況

從2#裂解爐上線至4#裂解爐下線，運(yùn)行方案調(diào)整期間密切觀察每臺(tái)裂解爐的運(yùn)行情況、熱效率、運(yùn)行存在的問題等，排查隱患并進(jìn)行詳細(xì)記錄；實(shí)行裂解爐COT動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證裂解深度適宜。

對(duì)流段是回收煙氣高溫?zé)崮艿闹饕O(shè)備，高溫?zé)煔馀c原料、鍋爐給水、稀釋蒸汽、蒸汽進(jìn)行換熱，回收熱能，同時(shí)避免高溫?zé)煔馀欧艑?duì)環(huán)境造成污染。單爐運(yùn)行負(fù)荷較高時(shí)，可能發(fā)生對(duì)流段局部熱量升高而超溫，進(jìn)而引起爐管結(jié)焦，裂解爐運(yùn)行周期縮短。以4#爐和5#爐為例，5爐運(yùn)行工況下，單臺(tái)裂解爐的投料量平均為4爐工況的70%～80%，運(yùn)行負(fù)荷低，氧氣消耗量和爐膛溫度也相應(yīng)降低：稀釋蒸汽過熱段溫度由4爐運(yùn)行時(shí)的512℃～523℃（設(shè)計(jì)514℃超溫報(bào)警）大幅降至498℃以下，爐膛氧體積分?jǐn)?shù)由4爐運(yùn)行時(shí)最低0.8%升高為2.0%（設(shè)計(jì)值≥1.7%），有效控制了對(duì)流段超溫的問題，延緩了爐管的結(jié)焦速度，有利于延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

對(duì)流段頂部的引風(fēng)機(jī)是維持裂解爐爐膛負(fù)壓、保障燃料正常燃燒和裂解爐安全的核心動(dòng)設(shè)備。4爐運(yùn)行工況下，引風(fēng)機(jī)發(fā)生間歇性振動(dòng)，振值最高可達(dá)7.0 mm/s（報(bào)警值5.6 mm/s）。振動(dòng)超標(biāo)可能導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)及周圍鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷，或造成軸承故障，導(dǎo)致附近儀表或電氣開關(guān)發(fā)生故障，甚至停機(jī)。經(jīng)檢測(cè)，5爐運(yùn)行工況下，引風(fēng)機(jī)振值維持在2.0 mm/s以下，保證了風(fēng)機(jī)及裂解爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 雙烯收率及產(chǎn)量

運(yùn)行方案調(diào)整期間的收率和產(chǎn)量變化如圖2所示。在運(yùn)行方案Ⅱ下，單爐進(jìn)料負(fù)荷降低，COT有可調(diào)空間。結(jié)合圖1和圖2可知，當(dāng)石腦油裂解COT在825℃～835℃時(shí)，升高溫度有助于乙烯收率及產(chǎn)量提高，同時(shí)裂解深度增大，當(dāng)COT為835℃時(shí)（第9天～第11天）可獲得最高收率，與運(yùn)行方案Ⅰ相比，乙烯收率上漲2.4～2.5個(gè)百分點(diǎn)，日產(chǎn)量增加約110 t。此外，調(diào)整期間雙烯（乙烯+丙烯）收率由原來的51.3%上漲至53.4%，日產(chǎn)量最多可增長(zhǎng)100 t，與運(yùn)行方案Ⅰ相比，丙烯收率下降0.4～0.5個(gè)百分點(diǎn)，日產(chǎn)量降低20 t～30 t。

圖2 5爐運(yùn)行期間的收率和產(chǎn)量變化

裂解產(chǎn)物分布取決于裂解深度。轉(zhuǎn)化率是衡量裂解深度的主要指標(biāo)，可選取某關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率來衡量整個(gè)原料的轉(zhuǎn)化率，如對(duì)于石腦油可選取正戊烷作為關(guān)鍵組分，對(duì)于輕烴原料可選取正丁烷作為關(guān)鍵組分。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率不易直接測(cè)得，一般采用其他方法表征裂解深度，例如通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)值回歸獲得裂解深度函數(shù)（A S F），或利用與關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率有直接關(guān)系的一些參數(shù)對(duì)裂解深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)：裂解氣密度、裂解氣分析（丙烯與乙烯比、丙烯與甲烷比）、裂解爐C0T等。5爐運(yùn)行期間的丙烯與乙烯質(zhì)量比變化見圖3。由圖3可知，隨COT逐漸升高，裂解深度增大，丙烯與乙烯質(zhì)量比降低。

圖3 5爐運(yùn)行期間的丙烯與乙烯質(zhì)量比變化

一般而言，裂解深度加深，反應(yīng)的劇烈程度增加，有利于提高乙烯收率，丙烯與乙烯比則會(huì)降低。在COT可調(diào)時(shí)，可以通過調(diào)整裂解深度，在一定程度上調(diào)整各產(chǎn)品的收率分配比。因此，在運(yùn)行方案Ⅱ下，裂解裝置產(chǎn)物分布可調(diào)變，系統(tǒng)靈活性有所提升。

需要指出的是，在運(yùn)行方案調(diào)整期間，石腦油原料的組分有一定變化，見表3。在典型的裂解工藝條件下，石腦油中的正構(gòu)烷烴對(duì)裂解產(chǎn)物乙烯的貢獻(xiàn)最大，而異構(gòu)烷烴是產(chǎn)生丙烯的主要來源。調(diào)整期間，裂解原料石腦油中的正構(gòu)烷烴含量上漲也是導(dǎo)致乙烯收率上漲的原因之一。

表3 運(yùn)行方案調(diào)整期間石腦油原料的組分變化（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.3 副產(chǎn)物收率及組分變化

裂解裝置副產(chǎn)品包括裂解碳四、裂解碳五、粗裂解汽油、氫氣（用于裝置內(nèi)的加氫反應(yīng)）和甲烷（用作燃料氣）。此外，裂解產(chǎn)物也包含少量的乙炔，將在下游分離工序脫除，以滿足乙烯和丙烯產(chǎn)品的規(guī)格要求。裝置內(nèi)部生產(chǎn)的乙烷和丙烷被循環(huán)回氣體原料裂解爐，以增加乙烯產(chǎn)率。

裝置運(yùn)行方案調(diào)整期間主要副產(chǎn)物的收率變化見表4。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與調(diào)整前相比，隨著COT提高，裂解碳四、裂解碳五和裂解汽油的收率明顯下降，而甲烷和氫氣的變化則與之相反，即裂解爐出口組分隨COT提高而輕質(zhì)化。5爐運(yùn)行期間，COT有可調(diào)空間，裂解碳四、碳五和裂解汽油3種副產(chǎn)品量與4爐運(yùn)行時(shí)相比日最多下降170 t，而燃料氣日產(chǎn)量增加約70 t，副產(chǎn)品總量降低。

表4 調(diào)整期間副產(chǎn)品的收率%

運(yùn)行方案調(diào)整期間裂解碳四各組成變化見圖4。結(jié)合圖1、2、4和表4可知，裂解碳四中丁二烯含量隨COT提高上漲明顯，裂解產(chǎn)物三烯（乙烯+丙烯+丁二烯）收率可達(dá)60%以上。丁二烯作為一種重要的化工基礎(chǔ)有機(jī)原料，其生產(chǎn)多數(shù)是從混合碳四中抽提而得。乙烯裂解裝置副產(chǎn)的裂解碳四可作為丁二烯抽提裝置原料，產(chǎn)生的抽余油可進(jìn)一步作為M T B E裝置原料。因此5爐運(yùn)行模式對(duì)產(chǎn)物組成的調(diào)變可以為整套裝置帶來更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖4 運(yùn)行方案調(diào)整期間裂解碳四的組成變化

5爐運(yùn)行期間，裂解汽油組成變化見表5。結(jié)合圖1和表5可知，裂解汽油中的芳烴含量隨COT升高明顯提高。裂解產(chǎn)物經(jīng)急冷油塔冷卻分餾后，裂解氣、裂解汽油從塔頂分離出去，塔底重組分作為急冷油循環(huán)使用。一方面，以輕烴為原料時(shí)，裂解產(chǎn)物中碳五以上重?zé)N產(chǎn)率相對(duì)較低，急冷油中的輕組分易隨裂解氣從塔頂排出，油量逐漸減少；另一方面，急冷油與高溫裂解產(chǎn)物接觸時(shí)易發(fā)生縮合、結(jié)焦反應(yīng)，生成大分子物質(zhì)，導(dǎo)致黏度增加，傳熱性能降低，甚至堵塞設(shè)備。通常需要連續(xù)補(bǔ)充調(diào)質(zhì)油（以重芳烴組分與柴油為原料經(jīng)加工制得），以降低黏度、保證油洗塔的塔底液位。在5爐運(yùn)行工況下，裂解汽油中芳烴含量明顯提高，有利于急冷油的產(chǎn)生和改質(zhì)。此次運(yùn)行方案調(diào)整期間，未引用調(diào)質(zhì)油即可保證裝置正常生產(chǎn)。

表5 調(diào)整期間裂解汽油的組成變化（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3 能耗及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

3.1 園區(qū)物料平衡

調(diào)整運(yùn)行方案對(duì)園區(qū)物料平衡的影響如表6所示。運(yùn)行方案調(diào)整后，每日石腦油富余外銷量約減少110.4 t，而加氫LPG外銷增加144 t，油洗LPG外銷減少50 t。

表6 調(diào)整運(yùn)行方案對(duì)園區(qū)物料平衡的影響t/d

3.2 能耗

在該裂解裝置中，除原料外涉及到的能源、物質(zhì)消耗主要有以下幾種：

（1）裂解裝置副產(chǎn)的甲烷等通過回收系統(tǒng)分離后進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)，與外供燃料一起為裂解爐提供所需燃料氣，維持裂解爐穩(wěn)定運(yùn)行；

（2）為降低烴分壓、幫助清焦，向裂解原料中注入的稀釋蒸汽；

（3）為保護(hù)爐管，延長(zhǎng)運(yùn)行周期，隨稀釋蒸汽注入結(jié)焦抑制劑二甲基二硫（D M D S），以提供足夠的硫占據(jù)爐管鎳金屬表面的活性位，減少結(jié)焦反應(yīng)；

（4）裂解爐的高壓蒸汽系統(tǒng)通過回收高溫裂解氣和對(duì)流段高溫?zé)煔獾母呶粺崮芗訜岣邏哄仩t給水，產(chǎn)生高壓蒸汽；

（5）為抑制產(chǎn)物乙烯發(fā)生二次反應(yīng)，輻射段爐管出口的裂解氣進(jìn)入急冷換熱器迅速冷卻，同時(shí)副產(chǎn)一定量的高壓蒸汽。

兩種運(yùn)行工況下裝置的能源消耗對(duì)比見表7。由表7分析可知，調(diào)整運(yùn)行方案后，能耗未見明顯增大，高壓蒸汽產(chǎn)量增大約20 t/h。

表7 兩種運(yùn)行模式的能源消耗對(duì)比

3.3 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

兩種運(yùn)行模式的原料消耗及電耗對(duì)比見表8。在調(diào)整運(yùn)行方案前后，裝置總負(fù)荷基本一致，但由于進(jìn)料配比的微調(diào)，5爐運(yùn)行時(shí)石腦油進(jìn)料增加4.6 t/h，加氫LPG進(jìn)料減少6 t/h。結(jié)合近期市場(chǎng)價(jià)格，對(duì)比兩種運(yùn)行方案下的原料消耗，運(yùn)行方案Ⅱ消耗了更多的石腦油和油洗LPG，且由于5臺(tái)裂解爐同時(shí)在線，耗電量明顯增加，經(jīng)核算，總原料費(fèi)用增加了42 584元/d。

表8 兩種運(yùn)行模式的原料消耗及電耗對(duì)比

兩種運(yùn)行方案的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比如表9所示。5爐運(yùn)行時(shí)主產(chǎn)品（乙烯）日產(chǎn)量升高，副產(chǎn)品產(chǎn)量降低，收益增加。此外，調(diào)整期間藥劑使用量基本不變，故忽略不計(jì)。綜合其經(jīng)濟(jì)效益，5爐上線后日收益增加了281 820元，抵銷總原料及電耗費(fèi)用增加后日凈增239 236元，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

表9 兩種運(yùn)行模式的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

4 結(jié) 論

針對(duì)國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司煤化工副產(chǎn)品深加工綜合利用項(xiàng)目乙烯裂解裝置原4爐運(yùn)行模式導(dǎo)致的單爐運(yùn)行負(fù)荷高、對(duì)流段超溫、爐膛低氧等問題，提出了裂解爐5爐運(yùn)行的進(jìn)料優(yōu)化方案，通過對(duì)兩種運(yùn)行模式的對(duì)比，5爐運(yùn)行（無備用）模式可有效提高三烯產(chǎn)率，減少副產(chǎn)物生成，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 5爐運(yùn)行模式下，裂解爐運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行狀況得到優(yōu)化。5爐運(yùn)行工況下，稀釋蒸汽過熱段溫度大幅下降，爐膛氧含量升高，有效解決對(duì)流段超溫的問題，延緩了爐管的結(jié)焦速度，有望延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期和爐管壽命。此外，5爐運(yùn)行時(shí)引風(fēng)機(jī)振值明顯下降，保證了風(fēng)機(jī)及裂解爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 5爐運(yùn)行模式下，裂解裝置的主產(chǎn)品產(chǎn)量提高，副產(chǎn)品產(chǎn)量減少。與4爐運(yùn)行模式相比，5爐運(yùn)行工況下，乙烯收率上漲2.4～2.5個(gè)百分點(diǎn)，日產(chǎn)量增加約110 t；雙烯日產(chǎn)量最多可增長(zhǎng)100 t；裂解深度增大，丙烯與乙烯質(zhì)量比降低，丙烯日產(chǎn)量降低20 t～30 t；隨COT提高，裂解爐出口組分變輕；裂解碳四、碳五和裂解汽油3種副產(chǎn)品量日最多下降170 t，燃料氣日增加約70 t，副產(chǎn)品量降低；此外，裂解碳四中丁二烯含量上漲，裂解產(chǎn)物三烯收率可達(dá)60%以上；裂解汽油中的芳烴含量提高，有利于急冷油的產(chǎn)生和改質(zhì)。

4.3 5爐運(yùn)行模式下，裂解裝置的經(jīng)濟(jì)效益有所提升。5爐運(yùn)行的日電耗和原料費(fèi)用增加了42 584元，核算增產(chǎn)的乙烯、氫氣、高壓蒸汽等，5爐上線后日收益增加281 820元，日凈增239 236元。

綜上，與原4開1備模式相比，裂解爐無備用運(yùn)行取得了良好的效果。由于單爐運(yùn)行負(fù)荷降低，裂解深度可優(yōu)化，原料分配方式更靈活，且裂解爐處于較寬松的工況，有利于延長(zhǎng)爐管的使用壽命，為保障乙烯裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。在未來的研究中，將從優(yōu)化COT控制、調(diào)節(jié)稀釋蒸汽比、調(diào)節(jié)停留時(shí)間等方面進(jìn)一步挖掘裝置生產(chǎn)潛力，提高乙烯產(chǎn)量，降低綜合生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)運(yùn)行周期，提高裝置在線率，提升裝置的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)能力。