趙世彬 劉 剛 王曉剛

(中國(guó)石油蘭州石化公司乙烯廠)

乙烯裝置裂解爐熱效率分析與探討

趙世彬*劉 剛 王曉剛

(中國(guó)石油蘭州石化公司乙烯廠)

闡述了乙烯裝置裂解爐熱效率的概念，提出通過減少裂解爐的排煙損失、不完全燃燒損失和散熱損失，在確保爐膛內(nèi)燃料氣完全燃燒的情況下，盡可能降低煙氣中氧含量和排煙溫度的手段來提高裂解爐熱效率，通過改進(jìn)優(yōu)化措施和加強(qiáng)裂解爐管控實(shí)現(xiàn)了裂解爐熱效率的穩(wěn)步提升。

乙烯裂解爐 熱效率 熱損失 氧含量 排煙溫度

乙烯裝置中裂解爐是主要耗能設(shè)備(占總能耗的70%～80%)。 降低裂解爐的能耗、提高熱效率是實(shí)現(xiàn)乙烯裝置節(jié)能降耗和降低成本的重要途徑。中國(guó)石油蘭州石化公司乙烯廠46萬t/a乙烯裝置于2005年4月開工建設(shè)，2006年11月建成投產(chǎn)。該裝置5臺(tái)裂解爐均采用KBR公司和Exxon Mobil公司共同開發(fā)的SC-1型管式裂解爐，單臺(tái)裂解爐設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為13萬t/a，設(shè)計(jì)熱效率為92.5%。SC-1型裂解爐輻射段爐管為內(nèi)翅片單程直管，具有短停留時(shí)間(0.08～0.12s)、高溫、低烴分壓、高選擇性、乙烯收率高及熱效率高等特點(diǎn)。裂解反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，需要在高溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)熱由燃料燃燒供給，在爐膛輻射段為裂解反應(yīng)提供熱量，高溫?zé)煔饨?jīng)過對(duì)流段各部分換熱得到綜合利用，根據(jù)不同能位分別用于原料和稀釋蒸汽的預(yù)熱和過熱、超高壓蒸汽的過熱和鍋爐給水的預(yù)熱。

1 熱效率的計(jì)算方法

通常乙烯裝置裂解爐熱效率計(jì)算方法為裂解爐損失熱量與輸入熱量之比，根據(jù)石油化工管式裂解爐熱效率的計(jì)算方法，輸入熱量等于總供熱量(包括燃料低放熱量、燃料顯熱和空氣顯熱)減去損失熱量(損失熱量等于排煙熱損失、燃料不完全燃燒熱損失和爐壁散熱損失之和)：

式中Q1——排煙熱損失；

Q2——不完全燃燒熱損失；

Q3——爐壁散熱損失；

Qe——總供熱量；

η——熱效率，%。

在熱效率計(jì)算中，通過煙氣中氧含量、排煙溫度和煙氣中CO含量3個(gè)參數(shù)計(jì)算出煙氣熱損失和不完全燃燒損失。提高裂解爐熱效率最直接的手段就是降低裂解爐煙氣熱損失，這就需要降低煙氣中氧含量、排煙溫度和煙氣中CO含量。在確保爐膛內(nèi)燃料氣能夠完全燃燒的情況下，盡可能降低煙氣中氧含量和排煙溫度，是提高裂解爐熱效率的有效途徑。影響乙烯裝置裂解爐熱效率的主要因素是排煙損失和爐壁散熱損失，由于爐壁散熱損失為定值(3%)，因此裂解爐熱效率的高低主要由煙氣熱損失來決定。其中影響煙氣散熱損失的主要是排煙溫度、爐膛氧含量和煙氣中CO含量。

2 影響熱效率的因素分析

2.1氧含量的影響

在相同排煙溫度下，氧含量升高，則過剩空氣系數(shù)增加，熱效率相應(yīng)下降，排煙熱損失上升，因此必須對(duì)氧含量進(jìn)行控制。氧含量控制的目標(biāo)是在確保燒嘴正常燃燒的前提下，將過?？諝庀禂?shù)控制在較低水平。在相同排煙溫度下，氧含量每升高1%，對(duì)應(yīng)過剩空氣系數(shù)提高0.06，熱效率相應(yīng)下降0.2%～0.3%。氧含量過高，過?？諝庀禂?shù)高，煙氣帶走大量熱量，造成熱損失增大；氧含量過低，燃料氣不能完全燃燒，造成燃料浪費(fèi)，使熱效率下降。一般通過調(diào)整爐膛負(fù)壓和燒嘴風(fēng)門開度，將氧含量控制在合理范圍內(nèi)。

2.2排煙溫度的影響

排煙溫度是指裂解爐的煙氣離開對(duì)流段最上層管排(一般為原料預(yù)熱盤管)時(shí)的溫度。隨著排煙溫度的降低，裂解爐熱效率逐漸提高。根據(jù)熱效率計(jì)算公式，排煙溫度下降10℃，熱效率上升0.5%左右。但排煙溫度過低，則可能造成低溫露點(diǎn)腐蝕，使對(duì)流段換熱盤管受到損壞。

2.3其他影響因素

根據(jù)熱效率計(jì)算公式，CO含量變化0.01%，熱效率變化0.04%，因此CO含量會(huì)對(duì)裂解爐熱效率產(chǎn)生一定的影響。

裂解原料、 COT溫度、稀釋蒸汽比例及原料預(yù)熱溫度等不同，會(huì)導(dǎo)致裂解爐熱負(fù)荷和排煙溫度的差異。由于氣相原料需要更高的裂解溫度，因此，輻射段溫度和熱負(fù)荷較液相爐偏高，并且氣相原料在對(duì)流段吸熱較少。因此氣相爐排煙溫度較高，熱效率相對(duì)偏低。氣相裂解原料投入多，裂解爐整體熱負(fù)荷增加，對(duì)排煙溫度影響較大，致使氣相爐熱效率較液相爐偏低。

裂解爐在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，受氣流、火焰沖刷等影響，會(huì)出現(xiàn)耐火襯里縫隙過大，人孔、檢修門、觀火孔模塊損壞，保溫棉脫落等現(xiàn)象，造成裂解爐局部過熱，爐外壁溫度超標(biāo)，散熱損失增大。

乙烯裝置裂解爐在對(duì)流段設(shè)有蒸汽吹灰系統(tǒng)，但是由于長(zhǎng)期連續(xù)使用和難以在線維護(hù)的原因，造成目前各裂解爐對(duì)流段吹灰系統(tǒng)存在不同程度的故障，難以對(duì)裂解爐對(duì)流段盤管進(jìn)行徹底全面的吹掃，使各裂解爐對(duì)流段存在一定的積灰現(xiàn)象。對(duì)流段盤管存在積灰將會(huì)直接影響對(duì)流段盤管的換熱，導(dǎo)致煙氣中的殘余熱量難以吸收，造成裂解爐排煙溫度升高，影響裂解爐熱效率。

3 改進(jìn)措施

通過分析可以看出，影響裂解爐熱效率的因素是多方面的，提高熱效率最直接的手段就是降低煙氣熱損失，這就需要降低煙氣中氧含量、排煙溫度和煙氣中CO含量。

3.1更換新型燃燒器

乙烯裝置使用的是John Zink公司提供的分級(jí)燃料燃燒器(圖1)，原燃燒器燒嘴孔徑過小、開孔位置較低，致使燃料氣的線速度過高和在火盆上的反射，這樣易造成火焰發(fā)飄和撲舔爐管的現(xiàn)象發(fā)生。為避免火焰撲舔爐管，只能加大風(fēng)門開度，但風(fēng)門開度過大，將導(dǎo)致裂解爐爐膛內(nèi)氧含量過高。由于原燃燒器存在缺陷，導(dǎo)致裂解爐爐膛內(nèi)氧含量偏高，影響投油生產(chǎn)負(fù)荷和裂解爐熱效率。經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)和操作參數(shù)的分析對(duì)比，認(rèn)為燃料變化、火焰形狀和爐膛煙氣流動(dòng)狀態(tài)造成燃料未能與空氣良好混合，直接影響到燃燒器的燃燒狀態(tài)和熱強(qiáng)度，需要消耗大量的燃料和更多的空氣。后經(jīng)多次與各燃燒器廠家討論交流，筆者決定對(duì)裂解爐燃燒器進(jìn)行優(yōu)化改造，將原燃燒器更換為Exxon Mobil公司專為SC-1裂解爐設(shè)計(jì)的LN2-C型燃燒器(圖2)。該新型燃燒器可有效解決燃料氣在火盆外表面反射的問題，使燃料氣與助燃空氣均勻混合，消除了缺氧區(qū)。改造更換后明顯改善了火焰燃燒狀況，取得了良好效果。

圖1 原燃燒器燃燒狀況示意圖

圖2 LN2-C型燃燒器燃燒狀況示意圖

裂解爐進(jìn)行燃燒器改造更換后，火焰燃燒狀況有明顯好轉(zhuǎn)(表1)。改造前火焰明亮、軟散、發(fā)飄，直撲裂解爐爐管；改造后火焰較暗、剛勁有力，有效解決了燃料氣在火盆外表面反射的問題，使得爐膛內(nèi)氧含量和排煙溫度有所下降。目前已對(duì)3臺(tái)裂解爐進(jìn)行了燃燒器改造更換，剩余裂解爐的燃燒器將擇機(jī)進(jìn)行更換改造。

表1 改造前、后裂解爐熱效率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2增加空氣預(yù)熱器

當(dāng)進(jìn)入裂解爐的空氣溫度較高時(shí)，可以減少加熱空氣的燃料消耗量。該乙烯裝置通過實(shí)施1#爐空氣預(yù)熱器節(jié)能改造項(xiàng)目，增加了空氣預(yù)熱器，利用急冷水作為空氣預(yù)熱器的加熱介質(zhì)，給助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，回收了急冷水熱量。減少裂解爐燃料氣消耗的同時(shí)，減少了循環(huán)冷卻水用量，達(dá)到了裝置節(jié)能降耗的目的。1#爐空氣預(yù)熱器投用后，燃料氣消耗量下降248.1kg/h，排煙溫度下降了3.1℃，提高了裂解爐熱效率。

3.3改善爐體保溫密閉性能

46萬t/a乙烯裝置已運(yùn)行近十年，隨著裂解爐運(yùn)行時(shí)間的增加，其密封材料性能和耐火材料保溫性能都在下降。自2006年開工投產(chǎn)至今，未進(jìn)行爐體保溫材料的整體更換和維修，人孔、檢修門耐火磚及保溫材料等逐步老化、破損，導(dǎo)致裂解爐外壁溫度偏高，爐體散熱損失逐步增加。為此，在裂解爐停爐檢修時(shí)，將修復(fù)爐膛內(nèi)壁保溫作為重要工作，使用保溫材料將保溫墻裂縫進(jìn)行填塞，對(duì)爐墻和爐底局部脫落、老化失效的保溫材料進(jìn)行修復(fù)完善，盡量消除高溫點(diǎn)，提高保溫效果。同時(shí)，對(duì)爐體漏風(fēng)的地方及時(shí)進(jìn)行修復(fù)處理，以改善爐體的保溫性和密閉性，減少爐壁散熱損失。

3.4優(yōu)化工藝操作，強(qiáng)化火焰管控

經(jīng)過技術(shù)人員討論決定對(duì)裂解爐火焰采用二次調(diào)節(jié)的方式，以達(dá)到優(yōu)化裂解爐火焰的目的。在每次裂解爐負(fù)荷調(diào)整后，要求操作人員根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裂解爐火焰進(jìn)行初調(diào)，將裂解爐火焰限制在一個(gè)較優(yōu)的范圍內(nèi)，然后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)火焰的實(shí)際情況對(duì)風(fēng)門進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。考慮到火焰調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)難以量化、各人調(diào)節(jié)存在偏差的問題，特別指派專人進(jìn)行裂解爐火焰的二次調(diào)節(jié)，同時(shí)制定出相關(guān)控制參數(shù)，盡最大可能改善火焰的燃燒狀況。實(shí)施后裂解爐火焰的燃燒情況出現(xiàn)了明顯好轉(zhuǎn)，裂解爐熱效率較之前有所提高，同時(shí)由于火焰燃燒狀況的改善，裂解爐的運(yùn)行周期也有所提高。

加強(qiáng)對(duì)裂解爐的維護(hù)和監(jiān)控，密切關(guān)注并調(diào)整火焰燃燒狀況，根據(jù)裝置實(shí)際生產(chǎn)狀況和投油負(fù)荷，及時(shí)調(diào)整各個(gè)通道的燃料氣量和風(fēng)門開度。加強(qiáng)對(duì)熱效率、排煙溫度、氧含量、CO含量及爐膛負(fù)壓等指標(biāo)的管控。若員工對(duì)火焰管理不到位，一旦發(fā)現(xiàn)裂解爐火焰燃燒狀況差，則會(huì)對(duì)相關(guān)責(zé)任人員進(jìn)行考核。在裂解爐每次退出燒焦時(shí)，對(duì)對(duì)流段盤管進(jìn)行吹灰，盡可能使加熱爐操作運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.5采用先進(jìn)控制方案

針對(duì)裂解爐操作運(yùn)行中存在的工藝參數(shù)繁多、控制過程復(fù)雜和干擾因素多的問題，筆者在裂解爐中引入先進(jìn)控制系統(tǒng)，改善裂解爐控制品質(zhì)，提高裂解爐精細(xì)化操作水平。先進(jìn)控制器投用后，投用率大于95%，提高了操作平穩(wěn)性，優(yōu)化了工藝操作；COT溫度偏差在±1℃，總烴進(jìn)料量波動(dòng)范圍在0.5%以內(nèi)，裂解溫度、進(jìn)料量和燃料氣流量波動(dòng)范圍明顯減小，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行和精細(xì)化操作。

3.6及時(shí)維護(hù)在線氧表

由于裂解爐爐膛氧含量在線表讀數(shù)與節(jié)能監(jiān)測(cè)中心現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值存在較大偏差，導(dǎo)致崗位人員缺乏參考依據(jù)，給操作帶來困難，不利于裂解爐的穩(wěn)定運(yùn)行和熱效率的提高。兩者存在較大誤差的主要原因是裂解爐在線氧表數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；另外，由于裂解爐長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，爐體密閉性能下降，觀火孔、對(duì)流段部分區(qū)域存在漏風(fēng)現(xiàn)象，一定程度上造成兩者存在差值。針對(duì)該問題，在監(jiān)測(cè)熱效率時(shí)，節(jié)能監(jiān)測(cè)人員、乙烯廠人員與在線儀表人員需共同參加，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與在線儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、核對(duì)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，盡量確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、有效地指導(dǎo)工藝操作。

3.7后續(xù)保障

將爐體保溫更換列入大檢修項(xiàng)目，在下次大檢修時(shí)整體更換裂解爐內(nèi)壁爐墻保溫，以改善裂解爐保溫性能。申報(bào)采購新火盆，用以更換老化、損壞的火盆，改善裂解爐火焰燃燒狀況。聯(lián)系廠家盡快修復(fù)裂解爐吹灰器，使吹灰器恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。論證裂解爐對(duì)流段清洗的可行性，對(duì)對(duì)流段盤管進(jìn)行化學(xué)清洗，以改善裂解爐運(yùn)行狀況，為裂解爐節(jié)能降耗和提高熱效率創(chuàng)造有利條件。

4 改進(jìn)效果

經(jīng)過改進(jìn)和工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了裂解爐熱效率的穩(wěn)步提升， 2015年上半年乙烯裝置5臺(tái)裂解爐熱效率累計(jì)平均值為93.45%，超過達(dá)標(biāo)指標(biāo)(93.20%)，達(dá)到開車以來的最好水平。近幾年裂解爐熱效率統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 裂解爐熱效率情況統(tǒng)計(jì)表

目前乙烯裝置裂解爐平均熱效率、排煙溫度等指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值。在現(xiàn)有操作條件下，裂解爐滿足低能耗、長(zhǎng)周期、雙烯收率高及熱效率高等多項(xiàng)要求，裂解爐熱效率已達(dá)到較好水平，也是現(xiàn)有條件下的最好水平。

5 結(jié)束語

提高裂解爐熱效率的關(guān)鍵是對(duì)裂解爐各種熱損失進(jìn)行合理有效控制，提高熱量綜合利用率。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)排煙溫度和煙氣氧含量?jī)身?xiàng)指標(biāo)的控制，盡可能降至較低水平，同時(shí)改善火焰燃燒狀況，以提高裂解爐熱效率。通過對(duì)裂解爐熱效率的影響因素進(jìn)行分析探討，采取相應(yīng)改進(jìn)措施和優(yōu)化工藝操作，并加強(qiáng)裂解爐的日常管理維護(hù)和技術(shù)攻關(guān)，控制排煙溫度和氧含量，改善火焰燃燒狀況，有效提高了裂解爐的熱效率，實(shí)現(xiàn)了裝置的節(jié)能降耗。

ZHANG Zhong-bin, XIE Fei-fan, DONG Bing, XU Zhi-ming
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Having fractal theory and image disposal method based to investigate surface morphology of the differently-sized particle fouling was implemented to show that, the particle fouling has fractal property and the particle sizes can influence fouling surface’s fractal dimension; and the fractal dimension of nanoparticle fouling is bigger than that of the micron particle fouling; and the fractal dimension can be used to quantitatively describe both morphology and porous distribution of the particle fouling surface. The bigger fractal dimension can result in rougher fouling surface.

plate heat exchanger, fractal theory, particle fouling

* 趙世彬，男，1981年8月生，工程師。甘肅省蘭州市,730060。

TQ054

B

0254-6094(2016)02-0244-04

2015-12-17)

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