郭 瑩，杜志國

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

乙烯是石油化工的基礎原料，乙烯裝置是石油化工生產的龍頭裝置，提高乙烯裝置的經濟效益對提升整個石化企業(yè)的市場競爭力具有重要作用［1-3］。以往在制定乙烯裂解爐的操作優(yōu)化方案時，多選用乙烯、雙烯（乙烯和丙烯）、三烯（乙烯、丙烯和丁二烯）等主要產物的收率作為優(yōu)化目標［4-7］。但隨著裂解爐的不斷大型化，目前高附加值的副產品已經達到了經濟分離規(guī)模［8-11］，主、副產品的價格差逐漸縮小，主要產物收率的變化規(guī)律是否準確地反映收益的變化規(guī)律需待探討。

本工作著眼于全部裂解產品，建立了價值優(yōu)化模型，分析了裂解過程價值的變化規(guī)律，制定了裂解爐操作優(yōu)化方案，調整了產品結構，將乙烯裝置的優(yōu)化標準由傳統(tǒng)的物流轉化為價值流，最終實現過程收益最大化。

1 價值優(yōu)化模型的建立

在固定成本相對固定的前提下，乙烯生產過程的價值變化主要體現在產品收入和能耗費用的改變上。以單位原料為基準，選用收益指數作為評價指標。令:

式中，II表示收益指數；PI表示產品收益指數；EI表示能耗費用指數；MI表示原料費用指數；Yi表示裂解產物i的質量收率，%；Pi表示產品i的價格，元/t；Pm表示原料價格，元/t；FI表示燃料費用指數；SI表示分離費用指數；SII表示蒸汽收入指數；F表示單位原料的燃料用量，t/t；Pf表示燃料價格，元/t；SE表示單位原料的分離能耗（以標油計），kg/t；Pso表示標油價格，元/kg；SP表示單位原料的蒸汽產量，t/t；Ps表示蒸汽價格，元/t。

通過對裂解過程進行實驗及模擬研究，確定不同工藝條件下的裂解產物收率分布和過程能耗，進而計算收益指數，以收益指數最大化作為優(yōu)化標尺來尋找裂解裝置的最優(yōu)操作條件。

2 影響價值優(yōu)化的主要因素

選取石腦油、加氫尾油、柴油作為裂解原料（原料性質見表1），在中國石化北京化工研究院開發(fā)的蒸汽模擬裂解爐上［12］模擬CBL爐型進行的裂解評價實驗結果作為產物分布的基礎數據，選用某百萬噸乙烯裝置可行性研究的價格體系（對于產物中不作為產品輸出的組分，它的價格參考工藝和相關產物的價格確定，如乙炔的價格以加氫選擇性、乙烯和乙烷價格確定），對價值的變化規(guī)律及其影響因素進行分析。

圖1 主要裂解產物收率隨COT的變化Fig.1 Change of main product yield with COT.

表1 原料性質Table 1 Physical properties of raw material

2.1 裂解深度對價值的影響

2.1.1 裂解深度對產品結構的影響

裂解過程的主要工藝參數有裂解溫度、裂解壓力、停留時間和水油比，其中裂解溫度是裂解裝置操作中最為重要的可調工藝條件，也是裝置操作調優(yōu)中的主要控制參數，它直接影響裂解深度。為了研究裂解深度對產品結構的影響，圖1和圖2分別給出了主產物收率及膨脹系數（產物與原料的摩爾比）與裂解爐輻射段出口溫度（COT）間的關系。

由圖1可見，裂解深度對產品結構有顯著影 響。三類原料的主產物收率的變化規(guī)律基本一致。隨COT的升高，乙烯以及苯、甲苯與二甲苯（合稱三苯）的收率不斷增大，但增幅逐漸減小；丙烯、丁二烯、裂解柴油和燃料油的收率隨COT的升高呈拋物線變化，其中，丙烯和丁二烯收率先增大后減小，存在極大值；裂解柴油和燃料油的收率先減小后增大，存在極小值。由圖2可見，當COT升高時，膨脹系數不斷增大，即低相對分子質量產物不斷增多。這種裂解深度對產品結構的顯著影響必然會顯著影響產品的收入。

圖2 膨脹系數隨COT的變化Fig.2 Change of expansion coefficient with COT.

2.1.2 裂解深度對能耗的影響

由某裂解爐的燃料量和蒸汽量數據可得，在操作條件范圍內二者與COT基本呈線性變化（如圖3和圖4所示），回歸后可進一步求得相應溫度下的燃料費用和蒸汽收入，再由過程模擬可以得到不同產物分布下的分離能耗。表2～4給出了不同COT下三種油品的單位原料能耗及能耗費用指數。由表2～4可見，在各部分能耗中，燃料能耗所占比例最大，它的變化將對整個能耗費用的變化起著至關重要的作用。隨COT的升高，總能耗費用逐漸增大。

圖3 燃料用量與COT的關系Fig.3 The relation of fuel quantity and COT.

圖4 產生的蒸汽量與COT的關系Fig.4 The relation of generated steam quantity and COT.

表2 石腦油能耗費用與COT的關系Table 2 Relation of naphtha energy consumption expense and COT

表3 加氫尾油蒸汽收入與COT的關系Table 3 Relation of steam income of hydrogenated tail oil and COT

表4 柴油蒸汽收入與COT的關系Table 4 Relation of diesel steam income and COT

2.1.3 裂解深度對價值的影響

依據裂解價值優(yōu)化模型，在裂解產品結構和能耗數據基礎上，求得收益指數。圖5為石腦油原料裂解的收益指數與COT的關系。由圖5可見，裂解深度對收益指數影響顯著，隨COT的升高，收益指數先增大后減小，存在著最大價值下的COT操作點。

圖5 收益指數隨COT的變化Fig.5 Change of income index with COT.

2.2 原料性質對價值的影響

原料的性質對裂解過程的價值及其最大價值下的最優(yōu)操作溫度均有著顯著的影響（如圖6所示），需要針對不同的原料制定各自的優(yōu)化方案。

圖6 不同原料的收益指數變化Fig.6 Income index change of different raw materials.

2.3 價格體系對價值的影響

表5給出了不同企業(yè)不同時期的四套價格體系，圖7比較了四套價格體系下的收益指數。由圖7可見，價格對收益指數的影響較大。如在選用價格體系C和價格體系B時，在同樣的范圍內，兩者的最大價值操作點差異很大。這主要是因為在價格體系B中主產物乙烯的價格明顯偏高，弱化了其他產物對于價值的影響。由此可見，一成不變的按照某個時期的價格來確定操作條件是不科學的，只有按照產品價格的變化，迅速對變化的市場情況做出反應，及時按照真實的價格來求算最優(yōu)的操作條件，才能有效地提高企業(yè)的經濟效益。

由以上分析可知，裂解深度、原料性質和市場價格是裂解價值的主要影響因素，收益指數隨COT的升高先增大后減小，存在著最大價值下的COT操作點?？衫昧呀鈨r值優(yōu)化模型，在裂解產物收率和過程能耗預測研究的基礎上，通過輸入裂解工藝條件、原料組成性質和實時市場價格，準確預測裂解收益指數，進而以最大收益為目標，優(yōu)化裂解溫度，實現裂解爐的操作調優(yōu)。同時也可以利用該模型依據市場變化進行乙烯原料的優(yōu)化選擇。

3 價值最大化與收率最大化對比

收益指數與主產物收率隨COT的變化見圖8。其中，雙烯收率為乙烯與丙烯收率之和，三烯收率為乙烯、丙烯與丁二烯收率之和。

表5 價格數據Table 5 Price data

圖7 不同價格體系下的收益指數變化Fig.7 Income index change under different price systems.

圖8 收益指數與主產物收率隨COT的變化Fig.8 Change of income index and main product yield with COT.

由圖8可見，收益指數隨COT的變化規(guī)律與乙烯、雙烯、三烯及三烯三苯收率的變化規(guī)律較為一致，均存在著最大價值下的COT操作點，但最大價值操作點與最高主產物收率操作點的位置卻相差較大，最大價值下的操作溫度普遍低于最高主產物收率下的操作溫度。也就是說，當主產物收率最大時，對應的裂解收益并不是最大收益，且與最大收益相差較大。因此，一味追求乙烯、丙烯等主要目的產物高收率的做法沒有反映市場的價格信號，以全部產品的價值最大作為評價指標來制定企業(yè)優(yōu)化操作的方案更貼近市場。

4 優(yōu)化實例

以某1 Mt/a乙烯項目的設計方案為例，在固定成本不變的前提下，令總收益＝產品銷售收益－原料費用－燃料費用－分離費用＋蒸汽收入，比較了乙烯收率、雙烯收率、三烯三苯收率和產品價值最大化四種方案下的裂解收益情況。某1 Mt/a乙烯設計方案采用了SL-I型裂解爐和順序分離流程；選取了兩種石腦油（1 112.0 kt/a石腦油1＃和357.3 kt/a石腦油2＃）和一種加氫尾油（1 223.4 kt/a）作為主要原料；裂解產生的乙烷和丙烷循環(huán)利用。在計算過程中，認為煉廠干氣在各方案之間的產物收率差異及收益差異可忽略不計。以相同的原料量為基準，選用價格體系A，分別優(yōu)化每種原料在四種方案下的COT操作點，然后在相應操作溫度下對整個流程進行物料衡算和收益核算，結果見表6～11。

表6 優(yōu)化的COTTable 6 Optimized COT

表7 產品收入Table 7 Product income

表8 燃料費用Table 8 Fuel cost

表9 分離費用Table 9 Separation cost

比較四種方案下的收益值可以發(fā)現，價值最大化方案時的收益值明顯高于其他方案，其中與乙烯收率最大化方案的收益值之間的差距最大，約為4.2×108元/a。與雙烯收率最大化方案的收益值間的差距最小，但也超過了1.3×108元/a?？梢姡鐚⑵髽I(yè)的操作優(yōu)化方案按照最大收益值為標尺進行調整，產生的經濟效益十分明顯。這主要得益于產品結構的調整和燃料費用的降低。同時，也有利于延長裂解爐的運行周期、降低清焦次數，帶來額外的經濟效益。

表10 蒸汽收入Table 10 Steam income

表11 收益Table 11 Total income

5 結論

1）在乙烯裝置的操作中，存在產品價值最大化的COT操作點，該操作點與主產物收率最大化COT操作點的位置差異較大，且前者低于后者。選用產品價值最大化的優(yōu)化方案，除了可以獲得較高的產品收益外，還可以降低燃料消耗、延長裝置的運行周期、減少清焦費用、降低分離能耗，并具有進一步提高裝置處理能力的潛力，可為企業(yè)帶來較大的經濟效益。

2）裂解原料和市場價格對乙烯裝置的經濟效益影響顯著。

3）各企業(yè)應該根據實時的市場價格、原料性質及裝置的工藝特點，對乙烯裝置建立價值優(yōu)化模型，選擇合適的原料、優(yōu)化裂解深度、調整烯烴產品結構，從而實現乙烯裝置效益最大化。下游裝置的配置也要有一定的余量和靈活性，以適應烯烴產品結構的調整。

參 考 文 獻

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