陳德明

(中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270)

表1 2018年裂解爐熱效率統(tǒng)計(jì)

中國(guó)石化天津分公司烯烴部20萬t/a乙烯裝置(以下簡(jiǎn)稱天津乙烯)采用順序深冷分離的乙烯技術(shù)，共有6臺(tái)裂解爐。

裂解爐是乙烯裝置的主要耗能設(shè)備， 提高其熱效率， 可有效降低裝置能源消耗水平。為此， 尋找影響裂解爐熱效率的因素， 并采取有效措施提高其熱效率， 對(duì)節(jié)能降耗、降本增效有重要的意義。

1 現(xiàn)狀分析

近年來，隨著裂解爐的整體設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)操作水平的不斷提高，對(duì)裂解爐熱效率的要求也逐漸提升到了一個(gè)新的高度。天津乙烯在提高裂解爐熱效率、節(jié)能降耗上下足了功夫。表1為2018年的平均熱效率統(tǒng)計(jì)。

由表1可知：2018年，天津乙烯裂解爐平均熱效率BA-102最高，而BA-101投用輕烴原料時(shí)，排煙溫度及氧含量高，平均熱效率最低。

2 熱效率反平衡公式

從理論上講，裂解爐熱效率應(yīng)采用“單位時(shí)間的加熱爐有效熱量”與“單位時(shí)間加熱爐的供給熱量”的比值得出，但在實(shí)際生產(chǎn)中,因二者難以直接測(cè)量，因此采用熱效率反平衡計(jì)算公式來計(jì)算其熱效率：

(1)

式中：η——綜合效率，%;

(2)

式中：α——過?？諝庀禂?shù)，可按式(4)計(jì)算得到；

tg——排煙溫度，℃;

W——霧化蒸汽用量，kg/kg燃料。

(3)

式中：CO——煙氣中一氧化碳含量，mL/m3;

tα——外供熱源預(yù)熱空氣時(shí)，熱空氣的溫度，℃。

干煙氣(取樣分析)：

(4)

式中：α2——煙氣中氧含量百分?jǐn)?shù)，%。

由式(1)～式(3)可以看出，裂解爐熱效率和排煙溫度、過?？諝庀禂?shù)及表面散熱損失熱量有關(guān)系。在實(shí)際操作中，如沒有特殊情況發(fā)生，裂解爐穩(wěn)定運(yùn)行期間的爐壁熱損失較為固定，因此裂解爐熱效率的高低由排煙溫度、過?？諝庀禂?shù)來決定。

裂解爐輻射段一般只能吸收燃料總放熱量的40%～45%， 其余熱量則大部分由對(duì)流段吸收， 其換熱效果由排煙溫度反映。排煙溫度越低， 換熱效果越好。對(duì)流段回收熱量主要用于兩方面： 一是將裂解原料預(yù)熱； 二是預(yù)熱鍋爐給水和過熱超高壓蒸汽。表2為排煙溫度與熱效率的關(guān)聯(lián)。

表2 排煙溫度與熱效率的關(guān)聯(lián)

由表2可以看出，在氧含量一定的情況下，排煙溫度每下降20 ℃，裂解爐的熱效率提高一個(gè)百分點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，排煙溫度一定的情況下，過剩空氣系數(shù)升高1%，則熱效率相應(yīng)下降0.2%；CO每增加100 mL/m3，熱效率下降0.05%。因此在煙氣熱損失中，排煙溫度和過?？諝庀禂?shù)是影響裂解爐熱效率的主要因素。

綜上所述，提高裂解爐輻射段和對(duì)流段對(duì)熱量的有效利用是提高熱效率的主要途徑。

3 提高天津乙烯裂解爐熱效率已經(jīng)采用的方法與對(duì)策

3.1 提高燃料利用率

3.1.1 裂解爐裝有空氣預(yù)熱器

在正常情況下，裂解爐內(nèi)裂解反應(yīng)需要在0.2～0.4 s內(nèi)將物料加熱到820 ℃左右的反應(yīng)溫度。爐膛內(nèi)溫度一般在1 000 ℃左右，燃料燃燒的過程同時(shí)也是對(duì)進(jìn)入其中的空氣進(jìn)行加熱的過程。提高空氣的初始溫度可以減少用于加熱空氣的熱量消耗，進(jìn)而降低燃料氣用量，并相應(yīng)地降低過剩空氣量，提高燃燒效率，加快燃燒反應(yīng)速度。因此在裂解爐燃燒器前增加空氣預(yù)熱器對(duì)進(jìn)入其中的空氣進(jìn)行預(yù)熱，可有效減少過氧燃燒，改善燃燒環(huán)境，提高燃料利用率。

天津乙烯6臺(tái)裂解爐底部燃燒器全部裝有空氣預(yù)熱器。投用空氣預(yù)熱器后，其急冷水進(jìn)水總管溫度為70 ℃，回水總管溫度為60 ℃，各空氣預(yù)熱器空氣溫升35 ℃左右。

裂解爐投用空氣預(yù)熱器后，利用急冷水的余熱預(yù)熱裂解爐燃燒空氣，回收了急冷水中的部分熱量，增加了燃燒空氣的顯熱，從而降低了燃料氣的消耗。

投用空氣預(yù)熱器后，單臺(tái)裂解爐平均燃料氣消耗量為2 778.02 kg/h。

根據(jù)燃料氣消耗量、燃料氣組成及煙氣氧含量可以算出在正常負(fù)荷下實(shí)際通過空氣預(yù)熱器的燃燒空氣總量Q1為57 505.014 kg/h，預(yù)熱空氣溫升ΔT1以35 ℃計(jì)，單臺(tái)空氣預(yù)熱器燃燒空氣顯熱增加值為：

ΔH1=Q1×ΔT1×CPA

=57 505.014×35×1.005

=2 022 738.87 kJ/h

其中CPA=1.005 kJ/kg(空氣的定壓比熱)

根據(jù)裝置實(shí)際燃料組成確認(rèn)燃料低發(fā)熱量為53 362.14 kJ/kg燃料。

每臺(tái)空氣預(yù)熱器節(jié)約燃料氣量

=2 022 738.87/53 362.14

=37.9 kg/h

3.1.2 輻射段爐管裝有扭曲片

裂解爐輻射段爐管上加裝扭曲片管可強(qiáng)迫流體從原來的活塞流旋轉(zhuǎn)起來， 對(duì)管壁形成強(qiáng)烈的沖刷作用， 使熱阻大的邊界層厚度減薄，增大爐管的總傳熱系數(shù)， 從而降低爐管管壁的溫度， 提高爐管的總傳熱系數(shù)；輻射段爐管管壁溫度的降低可使裂解原料在反應(yīng)所需相同熱量情況下降低爐膛溫度， 從而減少燃料氣的消耗， 提高燃料利用率； 運(yùn)行周期也會(huì)隨著爐管管壁結(jié)焦速度的減緩而延長(zhǎng)， 提高裂解爐的平均熱效率。

現(xiàn)天津乙烯6臺(tái)裂解爐輻射段爐管全部裝有扭曲片管段，爐膛溫度較之前降低50 ℃，同等投料負(fù)荷下，運(yùn)行周期提高20%以上。

3.2 降低裂解爐排煙溫度

3.2.1 利用改造機(jī)會(huì)增加對(duì)流段預(yù)熱管線

2011～2013年，天津乙烯相繼進(jìn)行了4臺(tái)裂解爐(BA-101、 BA-102、 BA-104、 BA-105)節(jié)能降耗達(dá)標(biāo)改造。BA-101、 BA-102增加了2排氣相原料預(yù)熱管線， 換熱管由原來的6排增加到8排， 換熱管尺寸和翅片位置與原設(shè)計(jì)相同，氣相原料進(jìn)料口位置上移。BA-104、 BA-105對(duì)流段新增原料預(yù)熱整體模塊，原料經(jīng)新增預(yù)熱模塊預(yù)熱后再進(jìn)入原料預(yù)熱段。4臺(tái)裂解爐改造后，對(duì)流段末級(jí)煙氣余熱的回收量進(jìn)一步增加，有效降低了煙氣排放溫度，提高了裂解爐對(duì)熱量的利用。

4臺(tái)裂解爐在原鍋爐給水預(yù)熱器預(yù)留的2排盤管位置處， 增加了2排鍋爐給水預(yù)熱盤管， 換熱管由原來的8排增加為10排， 換熱管尺寸及翅片位置與原設(shè)計(jì)相同。對(duì)比原裂解爐，鍋爐給水預(yù)熱后溫度相應(yīng)提高，進(jìn)而發(fā)生的超高壓蒸汽量也顯著增加，鍋爐給水量因此也必然增大。鍋爐給水充分利用煙氣余熱進(jìn)行加熱，進(jìn)一步降低了裂解爐的排煙溫度，提高了裂解爐熱效率。由表1可以看出，經(jīng)過5年運(yùn)行后，改造后的裂解爐熱效率仍與設(shè)計(jì)值接近，改造效果良好。

3.2.2 對(duì)流段翅片管的清理

1) 對(duì)流段管線翅片的吹灰操作

在裂解爐正常運(yùn)行過程中，存在燃燒器提供的空氣中含有灰塵顆粒的情況，燃料在燃燒過程中因不完全燃燒也會(huì)產(chǎn)生部分微小的焦炭顆粒，這兩種顆粒會(huì)隨著高溫?zé)煔獗粠У搅呀鉅t上部的對(duì)流段并附著在對(duì)流段管翅片上，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)就形成了灰垢。這就增大了翅片管的傳熱熱阻，導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降，煙氣中的大量余熱從煙囪排出，熱效率降低。

天津乙烯定期利用1.0 MPa 蒸汽的較高壓力以及吹入蒸汽時(shí)的震動(dòng)有效清潔翅片上的灰垢， 從而提高管內(nèi)介質(zhì)對(duì)煙氣余熱的有效吸收， 降低排煙溫度， 提高裂解爐對(duì)有效熱量的利用率。

2) 對(duì)流段管線化學(xué)清洗

雖然對(duì)流段吹灰能清除翅片表面附著的雜質(zhì)，卻不能將翅片間多年積存的銹垢以及因?qū)α鞫涡孤┒掣街念愃平褂蜖畹碾s物除掉，導(dǎo)致對(duì)流段煙氣阻力降增大。為保證燃燒狀態(tài)，只能增大煙道擋板開度，這會(huì)導(dǎo)致熱量上移，排煙溫度升高，熱損失嚴(yán)重。

近幾年，天津乙烯充分利用裂解爐停爐機(jī)會(huì)，及時(shí)對(duì)部分積灰嚴(yán)重的裂解爐對(duì)流段進(jìn)行化學(xué)清洗，利用清洗液的濕潤(rùn)、滲透、乳化、分散和剝離性能，將污垢從爐管表面清除干凈。圖1是BA-106對(duì)流段爐管清洗前后的情況對(duì)比。

圖1 化學(xué)清洗前后對(duì)流段盤管對(duì)比

對(duì)流段爐管化學(xué)清洗后，在進(jìn)料負(fù)荷相同的情況下，排煙溫度較之前下降了12.1 ℃，熱效率提高了0.6%。

3.2.3 提高鍋爐給水進(jìn)水量

雖然裂解爐運(yùn)行周期結(jié)束后都要進(jìn)行在線燒焦，但是由于受廢熱鍋爐(TLE：Transfer Line Exchanger)自身特性以及其管束內(nèi)結(jié)焦特點(diǎn)的約束，燒焦效果往往達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，廢熱鍋爐內(nèi)鍋爐水與高溫裂解氣的換熱效果因廢熱鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重而明顯下降，導(dǎo)致發(fā)生的超高壓蒸汽量大幅度降低，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐給水量也相應(yīng)下降，大量煙氣余熱不能被鍋爐給水預(yù)熱管線撤走，排煙溫度上升。利用單臺(tái)裂解爐停爐檢修的時(shí)間，對(duì)廢熱鍋爐進(jìn)行水力清焦，徹底清除管束內(nèi)硬度很大的焦層。再次投入運(yùn)行后，廢熱鍋爐傳熱效果良好，增大了超高壓蒸汽發(fā)生量的同時(shí)提高了鍋爐給水進(jìn)水量，可有效吸收煙氣余熱；同時(shí)裂解氣溫度的有效降低，減少了裂解氣中不飽和組分發(fā)生二次反應(yīng)的幾率，有效提高了雙烯的收率。

2018年8月15日對(duì)BA-104進(jìn)行退料燒焦，燒焦結(jié)束后停爐進(jìn)行全面檢查，利用這一時(shí)間對(duì)2臺(tái)廢熱鍋爐進(jìn)行了水力清焦，8月27日投爐恢復(fù)生產(chǎn)，原料同樣為石腦油原料，負(fù)荷相同。圖2為水力清焦前后廢熱鍋爐出口溫度、鍋爐給水量和汽包產(chǎn)汽量的變化趨勢(shì)。

從圖2中可以看出，廢熱鍋爐出口溫度下降明顯，由440 ℃降低至365 ℃。據(jù)以往在線燒焦后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，不進(jìn)行水力清焦時(shí)出口溫度在385 ℃ 左右，水力清焦后進(jìn)一步降低，證明廢熱鍋爐內(nèi)換熱效果進(jìn)一步加強(qiáng)；從鍋爐給水量、汽包產(chǎn)汽量能明顯看出，鍋爐給水預(yù)熱以及超高壓蒸汽過熱使裂解爐對(duì)煙氣余熱吸收量增大，排煙溫度降低，熱效率提高。

圖2 水力清焦前后廢熱鍋爐出口溫度、鍋爐給水量和汽包產(chǎn)汽量的變化

3.3 優(yōu)化操作和管理

3.3.1 爐膛負(fù)壓、氧含量的強(qiáng)化管理

由熱效率反平衡公式可以得出，煙氣中氧含量以及一氧化碳含量越高，熱效率越低。因此有效控制煙氣氧含量以及使燃料氣充分燃燒對(duì)提高裂解爐熱效率有很大的幫助。而爐膛負(fù)壓決定了煙氣的排放量以及輻射段有效熱量的利用率，負(fù)壓過大會(huì)導(dǎo)致過量的空氣漏入， 過?？諝庀禂?shù)增加，大量煙氣被煙囪抽走， 輻射室需要加大燃料氣的供給才能保證裂解反應(yīng)的正常發(fā)生； 負(fù)壓過小甚至正壓則會(huì)導(dǎo)致爐壁溫度過高， 熱量向外流動(dòng)， 爐管吸收輻射熱量效果下降， 燃料氣消耗量也會(huì)加大。因此，應(yīng)加強(qiáng)裂解爐負(fù)壓、氧含量的管理，保證爐膛明亮不渾濁， 避免火焰過長(zhǎng)、過大、冒煙，嚴(yán)禁舔爐管。

3.3.2 裂解爐停爐期間修復(fù)

一般裂解爐設(shè)計(jì)中均將爐墻外壁溫度控制在70 ℃以下，多數(shù)情況下，裂解爐外壁溫度高表現(xiàn)為爐體局部超溫，主要發(fā)生在爐底燒嘴上部、側(cè)壁火嘴周圍、看火孔、人孔門、過渡段爐襯周圍等部位。這些問題主要是襯里材料選型不當(dāng)、施工質(zhì)量不過關(guān)或襯里老化失修等原因造成的。因此在裂解爐停爐時(shí)，天津乙烯組織專業(yè)工藝技術(shù)人員、設(shè)備技術(shù)人員對(duì)裂解爐上述襯里薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位檢查，檢查內(nèi)容包括爐膛內(nèi)耐火材料是否完整以及爐體密封、燒嘴是否完好。如遇保溫襯里和爐墻耐火磚達(dá)不到質(zhì)量要求、保溫材料損壞等情況，則進(jìn)行徹底更換，減少爐墻熱量損失，提高裂解爐熱效率。

3.3.3 減少裂解爐漏風(fēng)量

利用裂解爐低氮燃燒器改造機(jī)會(huì)， 將側(cè)壁火嘴全部由原來的4排減至3排， 并且通過焊接的方式封堵好原火嘴位置， 做好爐膛襯里的耐火及保溫， 減少輻射室火嘴處的漏風(fēng)情況， 降低側(cè)壁火嘴的熱負(fù)荷， 避免熱量上移， 減少散熱損失。

對(duì)裂解爐所有看火孔進(jìn)行升級(jí)改造， 全部更換為新型看火孔。新型看火孔蓋與視孔磚為一體， 改善了看火孔的密封效果， 使看火孔的外壁溫度降低了20 ℃ 左右， 同時(shí)使操作更簡(jiǎn)單， 減少了裂解爐測(cè)溫時(shí)的操作時(shí)間， 降低了看火孔的散熱損失。如圖3所示， 新型看火孔密封效果良好。

圖3 新型看火孔的應(yīng)用

安裝爐頂軟密封結(jié)構(gòu)， 徹底解決了爐頂蓋板和爐管吊管之間的密封問題， 而且能有效吸收開、 停車過程中爐管的伸縮量。爐頂軟密封結(jié)構(gòu)使用壽命長(zhǎng)， 密封效果好， 很好地克服了爐管的長(zhǎng)期振動(dòng)和爐膛內(nèi)熱振， 使得由于振動(dòng)而形成的縫隙不容易出現(xiàn)， 密封效果明顯增強(qiáng)(如圖4所示)。

4 有待改進(jìn)的措施

4.1 氧含量監(jiān)測(cè)儀

裂解爐的煙氣氧分析儀一般安裝在輻射室拱頂處， 用來在線分析煙氣氧含量， 以控制燃燒； 在對(duì)流室上部設(shè)置煙氣取樣點(diǎn)， 供計(jì)算熱效率使用。由于對(duì)流室可能存在漏風(fēng)現(xiàn)象， 其上部煙氣氧含量往往較輻射室拱頂處高， 因此該處的煙氣氧分析儀數(shù)據(jù)不能作為調(diào)整空氣的依據(jù)， 應(yīng)根據(jù)裂解爐在線氧含量調(diào)整火嘴燃燒存在的不足?？梢钥紤]在對(duì)流室增加1臺(tái)氧分析儀，將2處氧分析儀數(shù)據(jù)綜合對(duì)比后再進(jìn)行氧含量、 負(fù)壓、 火嘴燃燒狀態(tài)的調(diào)整， 使燃燒狀態(tài)達(dá)到最佳。

圖4 爐頂軟密封結(jié)構(gòu)

4.2 火嘴更換

為了適應(yīng)裂解爐低氮燃燒的需要，對(duì)部分裂解爐的火嘴進(jìn)行了改造。改造后盡管煙氣中氮氧化物指標(biāo)合格，但部分裂解爐側(cè)壁燃燒器風(fēng)門開度大，使得進(jìn)入的冷空氣過多，裂解爐熱效率下降。建議更換火嘴，以適應(yīng)較小的爐膛負(fù)壓及氧含量。

另外，也可在對(duì)流段上部增加脫硝設(shè)施，及時(shí)消除煙氣中的氮氧化物，這樣可以在提高裂解爐熱效率的同時(shí)降低氮氧化物的排放。

5 結(jié)語

結(jié)合工作實(shí)際，天津乙烯對(duì)影響裂解爐熱效率的因素進(jìn)行了多方面研究并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證，取得了較好效果。提高裂解爐熱效率的關(guān)鍵是強(qiáng)化輻射段和對(duì)流段爐管對(duì)熱量的有效利用，合理控制各種熱損失，減少燃料氣的消耗。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)排煙溫度和煙氣氧含量?jī)蓚€(gè)技術(shù)指標(biāo)要持續(xù)密切關(guān)注，采取一切可行手段使其繼續(xù)降低，以提高裂解爐熱效率。