杜學軍

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)作為國內(nèi)最早一批建設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。隨著國內(nèi)諸多百萬噸乙烯裝置的逐步建設，早期建設的乙烯裝置在裝置運行能耗等方面都存在缺陷。2021年發(fā)布的《高耗能行業(yè)重點領域能源標桿水平和基準水平》又對乙烯能耗的達標值做了明確的要求。近年來，國內(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)過多輪技術改造，技術經(jīng)濟指標有了一定的提升，但是目前仍面臨著市場競爭和“雙碳”壓力，進一步對老舊裝置開展技術改造勢在必行。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臺裂解爐。其中新區(qū)共4臺裂解爐，為LUMMUS與中石化合作的SL-2型裂解爐(BA-2101～2104)，2012年采用國產(chǎn)CBL技術將其改造為CBL-III型爐。老區(qū)共10臺裂解爐，BA-101～108原為美國LUMMUS公司設計的SRT-Ⅲ型和SRT-I型裂解爐(BA-108)；BA-110為國內(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型爐技術對BA-101及BA-102進行了擴能改造；2007年又采用同樣技術對BA-105、BA-106及BA-110進行了擴能改造，改造后單爐能力由42 kt/a提高到62 kt/a(年操作時間按7 650 h計算)，隨后BA-103/104/107/108爐也進行了改造，裂解爐生產(chǎn)能力保持不變。2017年，BA-103/104/107/108爐急冷換熱器進行了更換；同年，根據(jù)國家及地方最新環(huán)保要求，新、老區(qū)所有裂解爐結合生產(chǎn)安排分批次陸續(xù)實施了低氮燃燒器改造；同時，針對老區(qū)BA-111爐對流段積灰嚴重、排煙溫度高、熱效率低的問題，也一并進行了針對性的節(jié)能改造(改造內(nèi)容主要涉及對流段)。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

2#烯烴老區(qū)裂解爐經(jīng)過2007年改造后，由于翅片密度高且翅高偏高，導致對流段積灰嚴重并且無法有效去除，因此排煙溫度極高，加氫尾油工況下超過200 ℃。由于對流段堵塞造成風機抽力不夠，裂解爐負荷無法達到設計值，嚴重影響正常的工藝操作。近年來，裂解爐平均熱效率僅為91.5%左右，裂解爐運行狀態(tài)較差。

2 裂解爐的節(jié)能優(yōu)化改造

2.1 老區(qū)裂解爐的運行情況與改造難點

上海石化新區(qū)裂解爐已于2021年由中國石化工程建設公司改造，排煙溫度和運行狀態(tài)較好。目前的主要矛盾點集中在老區(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200 ℃的情況，處于不經(jīng)濟運行的狀態(tài)。

表2 改造前老區(qū)裂解爐運行情況

上海石化老區(qū)裂解爐從20世紀80年代以來已進行過兩輪改造，現(xiàn)場工程設計和施工的困難較大。由于老裂解爐的爐型復雜，輻射段和對流段的高度和內(nèi)部排管的布置各不相同，節(jié)能改造的主要對象對流段在設計排布方面困難較大；同時由于改造實施方案的不同，造成各個層面的規(guī)劃不統(tǒng)一，平臺布置的協(xié)調(diào)存在問題。目前GK-VI裂解爐的爐管熱強度高，投料負荷無法達到100%，并且運行周期短，需要對裂解爐輻射段爐管進行重新設計選型，但是由于輻射室無法進行改變，因此在降低熱強度的同時不能減少裂解爐的投料負荷，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)裂解爐的運行狀態(tài)，結合裂解爐新的設計理念以及相關節(jié)能方案，可以從對流段、輻射段以及產(chǎn)生超高壓蒸汽的廢熱鍋爐三方面著手進行改造，目標為消除現(xiàn)有的運行瓶頸并同步提升裂解爐的運行經(jīng)濟性。改造前老區(qū)裂解爐存在問題以及改造方案見表3所示。

表3 改造前老區(qū)裂解爐存在問題以及改造方案

2.2.1 輻射段改造

原GK-Ⅵ型爐輻射室仍為原負荷30 kt/a的SRT-III型裂解爐時期的規(guī)模，在上一周期擴能改造期間并未對爐膛進行改造，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度比較大，導致爐管彎曲嚴重，并且改型爐管為雙排布置，導致狹小空間內(nèi)的爐管熱膨脹無法有效開展，爐管運行周期僅為55 d以內(nèi)。

2021年新區(qū)4臺裂解爐已經(jīng)采用了國內(nèi)GBL技術進行節(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)采用國內(nèi)新型的CBL技術進行改造，選用CBL-Ⅲ型爐爐管排布方式，第一程管錯排布置、第二程管單排布置，管間距均進行調(diào)整。全爐共采用30組改進2-1型爐管。同時在輻射段爐管增設扭曲片，以增大傳熱系數(shù)，增加流體流動的湍動程度，從而達到強化傳熱的效果[1]。

2.2.2 對流段改造

裂解爐煙氣的取熱主要依靠對流段內(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)裂解爐的對流段由于存在空間、承重等方面的問題，優(yōu)化的余地不大。因此對物料預熱和鍋爐水預熱進行整體更換，同時為了彌補對流段管排優(yōu)化的不足，將原先乙烯開工鍋爐的除鹽水由低壓蒸汽預熱改為利用裂解爐穹頂空間增設除鹽水與煙氣的熱交換模塊，進一步利用煙氣的余熱。

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

UMPH-原料混合；USSH-超高壓蒸汽預熱；DSSH-稀釋蒸汽混合；LMPH-下部原料混合

TWPH-N2-除鹽水預熱；FPH-1N2-原料預熱上部；ECO-1N2-省煤器上部；FPH-2N2-原料預熱下部；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，原設計初期出口溫度為433 ℃(加氫尾油)/438℃(石腦油)。由于工況苛刻，經(jīng)過長時間運行，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，改造后預計出口溫度為384 ℃(加氫尾油)/382 ℃(石腦油)。

3 裂解爐改造后的效果

以BA-101為例，改造前后的運行情況如表4所示。

表4 BA-101改造前后運行參數(shù)對比

從表4可以看出：BA101改造后對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和超高壓蒸汽發(fā)汽量增加等方面進行核算。

周期延長方面。節(jié)能改造后，單臺爐子的燒焦周期由50 d延長為78 d，單臺爐子的每年燒焦次數(shù)可減少2.62次，按照1次燒焦費用30萬元計算，實施后可每年節(jié)省燒焦費用：2.62×3×30=235.85萬元。

超高壓蒸汽的增產(chǎn)方面。節(jié)能改造后，單臺爐子超高壓蒸汽由增加3.2 t/h，裂解爐年運行時間按7 650 h(去除燒焦和檢修時間)考慮，項目實施后副產(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，單臺爐子熱效率由92%提高為95%，按燃料熱值50 GJ/kg折算，項目實施后節(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 結語

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踐經(jīng)驗看，從老區(qū)的老舊裂解爐廢熱鍋爐更換再到對流段的節(jié)能改造，都使得裂解爐的運行效能得到一定的提升。同時通過在裂解爐上的各類探索，用工程實際的運行數(shù)據(jù)，為裂解爐在今后的環(huán)保運行改造積累了較好的數(shù)據(jù)經(jīng)驗。