乙烯裝置氣相裂解爐收率低的原因及對(duì)策

尚煒洪

(中化泉州石化有限公司烯烴運(yùn)行部，福建 泉州 362100)

0 引言

乙烯收率的高低是衡量裂解爐性能優(yōu)劣的關(guān)鍵，我司裂解爐采用KBR毫秒爐技術(shù)，平均停留時(shí)間在0.1秒左右，高溫短停留時(shí)間的操作理念保證了乙烯產(chǎn)品的高收率。同時(shí)高溫意味著會(huì)有更多的焦炭生成、導(dǎo)致裂解爐周期較短，僅為30天左右，焦炭的生成降低了傳熱系數(shù)，需要加大燃料氣的用量來保障裂解深度，此時(shí)又會(huì)帶來較高的爐管溫度，焦炭的生成不僅造成管壁溫度的上升，還造成系統(tǒng)壓力降的的增加，使乙烯收率降低，甚至堵塞爐管。影響乙烯收率的因素眾多，本文主要從8個(gè)方面闡述影響乙烯收率高低的原因，其中原料的組成對(duì)乙烯收率的影響因素較大，原料的輕質(zhì)化、及較高的正構(gòu)烷烴含量，成為提高乙烯收率的關(guān)鍵。

1 泉州石化裂解爐簡(jiǎn)介

泉州石化共有七臺(tái)裂解爐，期中F-101、F-102為液相爐，F(xiàn)-103～F-107為氣相爐，裂解原料種類有：富乙烷氣、PX馳放氣、丙烷、輕烴回收LPG、重整LPG、輕石腦油、柴油加氫石腦油、芳烴抽余油和加氫尾油(HCR)等。

從界區(qū)來的富乙烷氣和循環(huán)乙烷以及部分PX馳放氣匯合在一起，在乙烷進(jìn)料換熱器(E-201)中用急冷水(QW)加熱到60 ℃，然后進(jìn)入裂解爐。由于進(jìn)料構(gòu)成的限制，可能會(huì)有部分乙烷進(jìn)入LPG系統(tǒng)中(即通過LPG-乙烷互竄線)。

從界區(qū)來的LPG和新鮮丙烷一起進(jìn)入LPG進(jìn)料緩沖罐(V-201)，V-201能提供30 min緩沖量，然后通過LPG進(jìn)料泵P-201A/B抽出，與循環(huán)丙烷混合后在在LPG進(jìn)料汽化器E-203中用急冷水加熱到54.8 ℃后氣化，然后進(jìn)入進(jìn)料過熱器E-204中用QW加熱到60 ℃進(jìn)入裂解爐。由于裂解爐進(jìn)料構(gòu)成的限制，部分LPG也可以進(jìn)入到乙烷中(即通過LPG-乙烷互竄線)。

裂解單元由7臺(tái)SC-1型裂解爐組成，進(jìn)入裂解爐的物料被平行分為8組通道，這7臺(tái)裂解爐都可以在不同的通道中同時(shí)裂解兩種不同的原料。

對(duì)于每臺(tái)裂解爐，原料和稀釋蒸汽(DS)各自被分為8組通道，原料在對(duì)流段預(yù)熱后，和經(jīng)過對(duì)流段過熱的DS通過比值控制按照適當(dāng)?shù)南♂尡然旌虾筮M(jìn)入對(duì)流段進(jìn)行進(jìn)一步過熱，此時(shí)原料已經(jīng)完全汽化。每臺(tái)裂解爐有288根爐管(每組36根)，爐管長(zhǎng)度約12 m，外徑約57 mm，公稱壁厚6 mm，爐管內(nèi)部帶有翅片來提高處理能力。

2 存在的問題及解決方案

泉州石化乙烯裂解裝置自2020年9月份開工已來，已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行一年時(shí)間，氣相裂解爐收率長(zhǎng)期低于設(shè)計(jì)值，甚至低至22.6%。工藝及操作團(tuán)隊(duì)對(duì)裂解爐COT(裂解爐輻射段出口溫度)、COP(裂解爐一級(jí)油冷器出口壓力)、XOT(裂解爐橫跨段溫度)、XOP(裂解爐橫跨段壓力)、原料性質(zhì)等各項(xiàng)工藝指標(biāo)進(jìn)行篩查，發(fā)現(xiàn)其正常運(yùn)行時(shí)數(shù)值與設(shè)計(jì)值有較大出入。隨后在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)對(duì)裂解爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的原則為少量多次、并且一次只調(diào)整一個(gè)或兩個(gè)變量，待運(yùn)行穩(wěn)定后對(duì)裂解氣出口氣體進(jìn)行采樣分析，分析此次操作變量對(duì)乙烯收率高低的影響。最后將裂解爐各項(xiàng)操作指標(biāo)均調(diào)整至設(shè)計(jì)值、稀釋比高于設(shè)計(jì)值，經(jīng)過此次生產(chǎn)調(diào)整后，氣相裂解爐乙烯收率提高的較明顯，乙烯收率在28%左右，乙烷爐可以達(dá)到30%，下文對(duì)可能造成氣相裂解爐乙烯收率低的因素進(jìn)行單獨(dú)分析。

2.1 乙烷-LPG互竄線

乙烷原料和LPG原料在E201(乙烷原料加熱器)、E204(LPG原料過熱器)出口設(shè)置了一條跨線，為18寸管線，打開此跨線閥后，根據(jù)乙烷、LPG壓力，可由高壓至低壓自由互竄而后合并進(jìn)入裂解爐，避免了因LPG流量波動(dòng)造成LPG裂解爐原料低流量聯(lián)鎖、亦或是因?yàn)楹笙到y(tǒng)停車，導(dǎo)致乙烷裂解爐原料中斷被迫停爐的窘?jīng)r，該流程的設(shè)計(jì)可最大程度降低因原料進(jìn)料的波動(dòng)，造成氣相裂解爐非計(jì)劃停車的次數(shù)。但此跨線閥打開后，造成氣相爐存在混合共裂解現(xiàn)象，每臺(tái)氣相裂解爐，均同時(shí)裂解乙烷、LPG兩種原料，原料組分波動(dòng)大，很難匹配到一個(gè)使兩種原料收率均同時(shí)最高的COT，如果氣相裂解爐COT溫度控制偏低，會(huì)存在乙烷原料裂解深度不夠，導(dǎo)致乙烯收率低，且C3、C4組分增多，造成分離系統(tǒng)C3、C4分離效果不好。如果氣相裂解爐COT溫度控制偏高，又會(huì)造成LPG原料過度裂解，生成的乙烯又繼續(xù)發(fā)生二次反應(yīng)，生成炔烴、乃至結(jié)焦，堵塞爐管縮短裂解爐的運(yùn)行周期，經(jīng)裝置權(quán)衡利弊后，為了減少氣相裂解爐因原料聯(lián)鎖導(dǎo)致非計(jì)劃停車的次數(shù)，該閥又不得不處于開啟狀態(tài)，工藝上發(fā)現(xiàn)乙烯收率下降時(shí)，及時(shí)對(duì)氣相裂解爐原料組分進(jìn)行分析，調(diào)整裂解爐COT，使裂解深度維持在設(shè)計(jì)值。

2.2 稀釋比（HC/DS）

KBR設(shè)計(jì)中給出氣相裂解爐稀釋比為0.30，但實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，較低的稀釋比勢(shì)必會(huì)造成較高的烴分壓，乙烯裂解反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，較高的烴分壓，不利于原料的裂解反應(yīng)，會(huì)造成一次反應(yīng)減少，乙烯收率降低。其次較低的稀釋比也會(huì)使裂解爐橫跨段壓力過低，造成停留時(shí)間的延長(zhǎng)，二次反應(yīng)增多，生產(chǎn)的乙烯、丙烯等產(chǎn)品，進(jìn)一步過度裂解生成炔烴、焦炭等，縮短氣相裂解爐的運(yùn)行周期。同時(shí)稀釋比也不能無限量增加，較高的稀釋比會(huì)造成稀釋蒸汽對(duì)裂解爐爐管的沖刷、增加急冷水塔負(fù)荷、也會(huì)造成乙烯裝置能耗的增加，目前生產(chǎn)上已將氣相裂解爐的稀釋比由0.30提高至0.45，調(diào)整后乙烯收率增加的較為明顯。

2.3 COT（裂解爐輻射段出口溫度）

COT是影響乙烯收率最關(guān)鍵的因素之一，有一個(gè)合適的COT不僅能使原料達(dá)到最大利用化，同時(shí)也能使裂解爐達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行周期。如表1所示，KBR設(shè)計(jì)中給出LPG原料裂解時(shí)COT為863 ℃，乙烷原料裂解時(shí)COT為874 ℃，通過生產(chǎn)觀察發(fā)現(xiàn)乙烯收率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。在其他變量不變的情況下，嘗試通過提高氣相裂解爐COT，來增加裂解爐的裂解深度、提高乙烯產(chǎn)量。生產(chǎn)上以乙烷裂解爐為例，每隔一段時(shí)間提高一次COT，待穩(wěn)定后采裂解爐出口裂解氣分析組成，在逐步提高至881 ℃后，發(fā)現(xiàn)在此COT附近，乙烯收率顯著提高、乙烷轉(zhuǎn)化率提高，甲烷、氫氣收率也有所提高，證明提高COT對(duì)提高氣相裂解爐裂解深度效果非常顯著。由此可見，在氣相裂解爐運(yùn)行至末期乙烯收率下降較為明顯時(shí)，生產(chǎn)上可以通過提高氣相裂解爐COT來保證裂解深度。

表1 不同溫度的收率 單位：%

2.4 PQE出口壓力（裂解爐一級(jí)油冷器出口壓力COP）

PQE出口壓力不能直接控制，而是受到裂解氣壓縮機(jī)入口壓力和急冷系統(tǒng)管線壓力降的制約，裂解氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)入口壓力為0.016 MPa，而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)壓力約為0.022 MPa，因裂解氣壓縮機(jī)選型小、裂解爐負(fù)荷大的原因，導(dǎo)致PQE出口壓力較設(shè)計(jì)值高，較高的PQE出口壓力，會(huì)造成輻射段爐管內(nèi)裂解氣停留時(shí)間的延長(zhǎng)，造成二次反應(yīng)的增多，原料裂解生成乙烯后，繼續(xù)裂解脫氫，生成乙炔，造成乙烯收率降低，也會(huì)造成爐管結(jié)焦增多，縮短裂解爐運(yùn)行周期。在裂解爐出口溫度不變的情況下，COP由0.206 MPa升至0.226 MPa后，雙烯收率均有明顯的下降，乙烯收率下降的更明顯，下降0.3%。生產(chǎn)上通過提高超高壓蒸汽的品質(zhì)、提高裂解氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等因素，來降低裂解氣壓縮機(jī)一段吸入罐壓力，進(jìn)而降低裂解爐的COP、提高乙烯收率。同時(shí)裂解氣壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不僅需要注入沖洗油，還可以注入抗垢劑等助劑，來提高裂解氣壓縮機(jī)的效率、降低COP[1]。

2.5 XOT（裂解爐橫跨段溫度）

KBR設(shè)計(jì)給出乙烷爐XOT為：700 ℃，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)XOT僅為680 ℃左右。 XOT的高低直接影響裂解反應(yīng)的深度，如果XOT溫度過高，會(huì)造成裂解反應(yīng)提前在對(duì)流段發(fā)生，導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，造成二次反應(yīng)增多，烯烴繼續(xù)裂解生成炔烴及焦炭。如果XOT溫度過低，原料到達(dá)輻射段后還要繼續(xù)預(yù)熱后才能達(dá)到反應(yīng)的起始溫度，相當(dāng)于將一部分輻射段爐管變成對(duì)流段盤管使用，造成反應(yīng)時(shí)間的縮短，使本就是毫秒級(jí)的裂解爐停留時(shí)間不夠，裂解深度降低，乙烯收率降低，且乙烷、C3、C4等組分增多，增加了高低壓脫丙烷塔、及脫丁烷塔負(fù)荷，使循環(huán)乙烷、丙烷在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)打循環(huán)，嚴(yán)重制約了裂解爐的生產(chǎn)能力，實(shí)際生產(chǎn)中將XOT提高至695 ℃以上時(shí)，乙烯收率有明顯上漲趨勢(shì)，隨著XOT的提高，排煙溫度也上漲了10 ℃，降低了裂解爐的熱效率，需要總體來權(quán)衡利弊。

2.6 原料的性質(zhì)

近年來隨著乙烯裝置原料越來越輕質(zhì)化，國(guó)內(nèi)很多新建的化工廠采用純氣相裂解爐，甚至有的公司只設(shè)計(jì)乙烷爐，原料僅為富乙烷氣和循環(huán)乙烷，設(shè)計(jì)上不僅節(jié)約了急冷油塔的費(fèi)用，還能得到較高的乙烯收率，原料的類別對(duì)乙烯生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。根據(jù)采樣分析，LPG原料中正丁烷含量較設(shè)計(jì)值低，異丁烷含量較設(shè)計(jì)值高，有時(shí)能達(dá)到28%左右，雖然異丁烷產(chǎn)生的乙烯收率大于環(huán)烷烴，但相對(duì)于正構(gòu)烷烴比還是稍低，可以通過改善原料性質(zhì)，增加正構(gòu)烷烴含量，來提高乙烯收率。裂解氣收率與原料中正構(gòu)烷烴的比例呈線性關(guān)系。原料中正構(gòu)烷烴比例越大，裂解氣的收率越大。在其他裂解條件不變的情況下，正構(gòu)烷烴更容易裂解成小分子。用不含正構(gòu)烷烴的抽余油作為裂解原料來裂解時(shí)，裂解氣相收率為82.80%；選用石腦油裂解時(shí)(其中正構(gòu)烷烴含量29.50%)，裂解氣相收率85.80%，可見原料的組成對(duì)裂解氣相收率、乙烯收率有較大影響[2]。為保證乙烯裝置原料的品質(zhì)，需要生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營(yíng)計(jì)劃等部門的支持，合理采購(gòu)原油的種類，不同地區(qū)的石腦油組分相差較大時(shí)，聯(lián)系罐區(qū)互相勾兌調(diào)和，來保證原料性質(zhì)的穩(wěn)定。

2.7 APC先進(jìn)控制的投用

目前泉州石化裂解爐還有較大的調(diào)整空間，還未采購(gòu)先進(jìn)控制系統(tǒng)，將來投用APC先進(jìn)控制系統(tǒng)后，可以在原來乙烯收率的基礎(chǔ)上提升0.5～1.0個(gè)百分點(diǎn)[3]，投用先進(jìn)控制后，使得COT在很窄的范圍內(nèi)波動(dòng)調(diào)整，大大延長(zhǎng)了裂解原料在最佳裂解溫度下的時(shí)間，使得乙烯產(chǎn)量提高，COT波動(dòng)范圍縮小后，會(huì)使裂解爐各組爐管的生焦?fàn)顩r更加穩(wěn)定，延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行時(shí)間，減少了因各別幾根爐管溫度高，導(dǎo)致裂解爐被迫燒焦的次數(shù)。

2.8 投退爐次數(shù)

眾所周知KBR裂解爐以收率高、運(yùn)行周期短而聞名，氣相裂解爐的運(yùn)行周期僅為30天，這就導(dǎo)致需要頻繁的對(duì)裂解爐進(jìn)行燒焦，因裂解爐投退料過程中COT控制較低，COT僅為840～850 ℃，此時(shí)乙烯收率極低，此種因素也是造成乙烯收率低的原因之一，要解決該問題，就需要平時(shí)注意生產(chǎn)平穩(wěn)，減少波動(dòng)，提高裂解爐在線率、減少投退爐次數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從8個(gè)方向闡述了裂解爐乙烯收率低的原因：其中重點(diǎn)從改變?cè)闲再|(zhì)、提高裂解溫度、稀釋比等方向來進(jìn)行論證，經(jīng)過一系列調(diào)整后，目前氣相裂解爐乙烯收率已經(jīng)有了較大改觀，達(dá)到行業(yè)內(nèi)先進(jìn)水平，因乙烯產(chǎn)量產(chǎn)率的提高，導(dǎo)致乙烯裝置能耗、物耗明顯降低，今后還將會(huì)一如既往的調(diào)整思路、優(yōu)化操作，來提高乙烯收率，為公司取得更好的經(jīng)濟(jì)效益而奮斗。