裂解爐節(jié)能優(yōu)化改造探討

杜學(xué)軍

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)作為國(guó)內(nèi)最早一批建設(shè)乙烯裝置的煉化一體化企業(yè)，目前具備700 kt/a的乙烯產(chǎn)能。隨著國(guó)內(nèi)諸多百萬(wàn)噸乙烯裝置的逐步建設(shè)，早期建設(shè)的乙烯裝置在裝置運(yùn)行能耗等方面都存在缺陷。2021年發(fā)布的《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能源標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平》又對(duì)乙烯能耗的達(dá)標(biāo)值做了明確的要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)老舊乙烯裝置紛紛開展節(jié)能減排改造工作，上海石化乙烯裝置雖已經(jīng)過(guò)多輪技術(shù)改造，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有了一定的提升，但是目前仍面臨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和“雙碳”壓力，進(jìn)一步對(duì)老舊裝置開展技術(shù)改造勢(shì)在必行。乙烯裂解爐消耗了乙烯裝置80%的能耗，因此裂解爐的節(jié)能優(yōu)化改造對(duì)于乙烯裝置的節(jié)能降耗具有重要作用。

1 乙烯裝置裂解爐基本情況

上海石化烯烴部2#烯烴聯(lián)合裝置分新區(qū)和老區(qū)兩套裝置，共有14臺(tái)裂解爐。其中新區(qū)共4臺(tái)裂解爐，為L(zhǎng)UMMUS與中石化合作的SL-2型裂解爐(BA-2101～2104)，2012年采用國(guó)產(chǎn)CBL技術(shù)將其改造為CBL-III型爐。老區(qū)共10臺(tái)裂解爐，BA-101～108原為美國(guó)LUMMUS公司設(shè)計(jì)的SRT-Ⅲ型和SRT-I型裂解爐(BA-108)；BA-110為國(guó)內(nèi)翻版的SRT-Ⅲ型裂解爐；BA-111為GK-Ⅴ型裂解爐。2002—2003年采用TECHNIP公司的GK-Ⅵ型爐技術(shù)對(duì)BA-101及BA-102進(jìn)行了擴(kuò)能改造；2007年又采用同樣技術(shù)對(duì)BA-105、BA-106及BA-110進(jìn)行了擴(kuò)能改造，改造后單爐能力由42 kt/a提高到62 kt/a(年操作時(shí)間按7 650 h計(jì)算)，隨后BA-103/104/107/108爐也進(jìn)行了改造，裂解爐生產(chǎn)能力保持不變。2017年，BA-103/104/107/108爐急冷換熱器進(jìn)行了更換；同年，根據(jù)國(guó)家及地方最新環(huán)保要求，新、老區(qū)所有裂解爐結(jié)合生產(chǎn)安排分批次陸續(xù)實(shí)施了低氮燃燒器改造；同時(shí)，針對(duì)老區(qū)BA-111爐對(duì)流段積灰嚴(yán)重、排煙溫度高、熱效率低的問(wèn)題，也一并進(jìn)行了針對(duì)性的節(jié)能改造(改造內(nèi)容主要涉及對(duì)流段)。目前裂解爐能力情況如表1所示。

表1 上海石化裂解爐基本情況統(tǒng)計(jì)

2#烯烴老區(qū)裂解爐經(jīng)過(guò)2007年改造后，由于翅片密度高且翅高偏高，導(dǎo)致對(duì)流段積灰嚴(yán)重并且無(wú)法有效去除，因此排煙溫度極高，加氫尾油工況下超過(guò)200 ℃。由于對(duì)流段堵塞造成風(fēng)機(jī)抽力不夠，裂解爐負(fù)荷無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重影響正常的工藝操作。近年來(lái)，裂解爐平均熱效率僅為91.5%左右，裂解爐運(yùn)行狀態(tài)較差。

2 裂解爐的節(jié)能優(yōu)化改造

2.1 老區(qū)裂解爐的運(yùn)行情況與改造難點(diǎn)

上海石化新區(qū)裂解爐已于2021年由中國(guó)石化工程建設(shè)公司改造，排煙溫度和運(yùn)行狀態(tài)較好。目前的主要矛盾點(diǎn)集中在老區(qū)，其裂解爐的熱效率情況如表2所示。從表2中可以看出：裂解爐的熱效率偏低，排煙溫度出現(xiàn)超過(guò)200 ℃的情況，處于不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)。

表2 改造前老區(qū)裂解爐運(yùn)行情況

上海石化老區(qū)裂解爐從20世紀(jì)80年代以來(lái)已進(jìn)行過(guò)兩輪改造，現(xiàn)場(chǎng)工程設(shè)計(jì)和施工的困難較大。由于老裂解爐的爐型復(fù)雜，輻射段和對(duì)流段的高度和內(nèi)部排管的布置各不相同，節(jié)能改造的主要對(duì)象對(duì)流段在設(shè)計(jì)排布方面困難較大；同時(shí)由于改造實(shí)施方案的不同，造成各個(gè)層面的規(guī)劃不統(tǒng)一，平臺(tái)布置的協(xié)調(diào)存在問(wèn)題。目前GK-VI裂解爐的爐管熱強(qiáng)度高，投料負(fù)荷無(wú)法達(dá)到100%，并且運(yùn)行周期短，需要對(duì)裂解爐輻射段爐管進(jìn)行重新設(shè)計(jì)選型，但是由于輻射室無(wú)法進(jìn)行改變，因此在降低熱強(qiáng)度的同時(shí)不能減少裂解爐的投料負(fù)荷，輻射段爐管的選型存在很大困難。

2.2 老區(qū)裂解爐的改造方案

根據(jù)裂解爐的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合裂解爐新的設(shè)計(jì)理念以及相關(guān)節(jié)能方案，可以從對(duì)流段、輻射段以及產(chǎn)生超高壓蒸汽的廢熱鍋爐三方面著手進(jìn)行改造，目標(biāo)為消除現(xiàn)有的運(yùn)行瓶頸并同步提升裂解爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。改造前老區(qū)裂解爐存在問(wèn)題以及改造方案見(jiàn)表3所示。

表3 改造前老區(qū)裂解爐存在問(wèn)題以及改造方案

2.2.1 輻射段改造

原GK-Ⅵ型爐輻射室仍為原負(fù)荷30 kt/a的SRT-III型裂解爐時(shí)期的規(guī)模，在上一周期擴(kuò)能改造期間并未對(duì)爐膛進(jìn)行改造，并且選用了48組1-1爐管，管徑較小，換熱面積較小，單位面積的爐管熱強(qiáng)度比較大，導(dǎo)致爐管彎曲嚴(yán)重，并且改型爐管為雙排布置，導(dǎo)致狹小空間內(nèi)的爐管熱膨脹無(wú)法有效開展，爐管運(yùn)行周期僅為55 d以內(nèi)。

2021年新區(qū)4臺(tái)裂解爐已經(jīng)采用了國(guó)內(nèi)GBL技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，改造后節(jié)能效果明顯，因此本次老區(qū)考慮繼續(xù)采用國(guó)內(nèi)新型的CBL技術(shù)進(jìn)行改造，選用CBL-Ⅲ型爐爐管排布方式，第一程管錯(cuò)排布置、第二程管單排布置，管間距均進(jìn)行調(diào)整。全爐共采用30組改進(jìn)2-1型爐管。同時(shí)在輻射段爐管增設(shè)扭曲片，以增大傳熱系數(shù)，增加流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果[1]。

2.2.2 對(duì)流段改造

裂解爐煙氣的取熱主要依靠對(duì)流段內(nèi)的物料與煙氣之間的熱交換，換熱管排的優(yōu)化是最直接有效的降低排煙溫度、提升裂解爐熱效率的手段。但是老區(qū)裂解爐的對(duì)流段由于存在空間、承重等方面的問(wèn)題，優(yōu)化的余地不大。因此對(duì)物料預(yù)熱和鍋爐水預(yù)熱進(jìn)行整體更換，同時(shí)為了彌補(bǔ)對(duì)流段管排優(yōu)化的不足，將原先乙烯開工鍋爐的除鹽水由低壓蒸汽預(yù)熱改為利用裂解爐穹頂空間增設(shè)除鹽水與煙氣的熱交換模塊，進(jìn)一步利用煙氣的余熱。

原對(duì)流段如圖1所示，改造后的對(duì)流段管排如圖2所示。對(duì)流段改造優(yōu)化如下：上混合過(guò)熱段、超高壓蒸汽過(guò)熱段、稀釋蒸汽過(guò)熱段和下混合過(guò)熱段不做改動(dòng)；將原鍋爐給水預(yù)熱段的管排拆除，在原位置上重新設(shè)計(jì)并更換新?lián)Q熱管；將原料預(yù)熱段的管排拆除，在原位置上重新設(shè)計(jì)并更換新?lián)Q熱管；在原對(duì)流段上部增加脫鹽水換熱管排。

UMPH-原料混合；USSH-超高壓蒸汽預(yù)熱；DSSH-稀釋蒸汽混合；LMPH-下部原料混合

TWPH-N2-除鹽水預(yù)熱；FPH-1N2-原料預(yù)熱上部；ECO-1N2-省煤器上部；FPH-2N2-原料預(yù)熱下部；ECO-2N2-省煤器下部

2.2.3 廢熱鍋爐改造

GK-VI裂解爐的廢熱鍋爐目前已使用多年，是線性急冷換熱器，原設(shè)計(jì)初期出口溫度為433 ℃(加氫尾油)/438℃(石腦油)。由于工況苛刻，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，入口下椎體頻繁出現(xiàn)開裂(目前已經(jīng)更換兩次)，存在裂解氣泄漏、著火的安全隱患[2]。為了消除安全隱患，同步延長(zhǎng)使用周期，增加超高壓蒸汽的發(fā)氣量，將該廢熱鍋爐更換為傳統(tǒng)式(固定管板)廢熱鍋爐，改造后預(yù)計(jì)出口溫度為384 ℃(加氫尾油)/382 ℃(石腦油)。

3 裂解爐改造后的效果

以BA-101為例，改造前后的運(yùn)行情況如表4所示。

表4 BA-101改造前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

從表4可以看出：BA101改造后對(duì)流段換熱效果明顯提高，使得排煙溫度下降了48 K，超高壓蒸汽發(fā)氣量增加3.2 t/h，熱效率提高了2.84%，節(jié)能效果明顯。

4 效益分析

裂解爐節(jié)能改造后的效益可以從周期延長(zhǎng)和超高壓蒸汽發(fā)汽量增加等方面進(jìn)行核算。

周期延長(zhǎng)方面。節(jié)能改造后，單臺(tái)爐子的燒焦周期由50 d延長(zhǎng)為78 d，單臺(tái)爐子的每年燒焦次數(shù)可減少2.62次，按照1次燒焦費(fèi)用30萬(wàn)元計(jì)算，實(shí)施后可每年節(jié)省燒焦費(fèi)用：2.62×3×30=235.85萬(wàn)元。

超高壓蒸汽的增產(chǎn)方面。節(jié)能改造后，單臺(tái)爐子超高壓蒸汽由增加3.2 t/h，裂解爐年運(yùn)行時(shí)間按7 650 h(去除燒焦和檢修時(shí)間)考慮，項(xiàng)目實(shí)施后副產(chǎn)超高壓蒸汽增量：3.2×7 650×3/10 000=73.4 kt/a。

燃料消耗減少方面。節(jié)能改造后，單臺(tái)爐子熱效率由92%提高為95%，按燃料熱值50 GJ/kg折算，項(xiàng)目實(shí)施后節(jié)約燃料4.886 kt/a。

由于使用煙氣余熱加熱了除鹽水，低壓蒸汽方面減少消耗量約41.31 kt/a。

5 結(jié)語(yǔ)

老舊裂解爐目前局部性改造基本依靠節(jié)能改造或者環(huán)保方面的改造，從上海石化這幾年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，從老區(qū)的老舊裂解爐廢熱鍋爐更換再到對(duì)流段的節(jié)能改造，都使得裂解爐的運(yùn)行效能得到一定的提升。同時(shí)通過(guò)在裂解爐上的各類探索，用工程實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為裂解爐在今后的環(huán)保運(yùn)行改造積累了較好的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)。