張雄飛，王　朝（中國石油蘭州石化公司，甘肅　蘭州　730060）

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乙烯裝置氣相裂解爐爐管異常運(yùn)行分析

張雄飛，王朝
（中國石油蘭州石化公司，甘肅蘭州730060）

摘要：乙烯裝置裂解爐清焦周期是衡量裂解爐運(yùn)行的重要參數(shù)，清焦周期的長短直接關(guān)系到乙烯裝置綜合能耗的高低。通過對裂解爐氣相通道運(yùn)行狀況的分析，找出了導(dǎo)致裂解爐氣相通道出現(xiàn)異常的原因，并提出解決方案。

關(guān)鍵詞：乙烯裝置裂解爐；清焦周期；偏流；過裂解；稀釋蒸汽流量

裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀況的好壞直接影響到乙烯裝置的綜合經(jīng)濟(jì)效益。蘭州石化公司46萬t/年乙烯裝置共有5臺裂解爐，均采用美國KBR公司開發(fā)的SC-1型管式裂解爐，5臺裂解爐中有3臺為液相爐，液相爐僅可對液相原料進(jìn)行裂解；另外2臺為氣相爐，氣相爐可裂解氣相原料，也可裂解輕質(zhì)液相原料。

1　結(jié)焦機(jī)理與清焦周期

原料在裂解爐輻射段裂解過程中除生產(chǎn)烴類產(chǎn)物外，同時有少量炭生成。這種炭是數(shù)百個碳原子稠合形成的炭，其中尚含少量氫（碳含量約95%以上）。通常，將這種炭稱之為焦，管式裂解爐中裂解生成的結(jié)焦聚于管壁的過程，稱為結(jié)焦。

隨著裂解爐運(yùn)行時間的增加其爐管內(nèi)壁的焦層也逐漸加厚，導(dǎo)致爐管內(nèi)熱阻不斷增加，造成爐管外壁溫度上升，因此，管式裂解爐運(yùn)行到一定時間則需進(jìn)行清焦操作，中斷原料供給并通入空氣，使?fàn)t管內(nèi)的焦層充分與氧氣反應(yīng)，將其除去。每清焦一次到下次清焦的時間稱之為清焦周期。

裂解爐在運(yùn)行過程中，如果某一根爐管焦層生成不均勻或焦層生成過快，則需要及時對該爐管進(jìn)行清焦，否則極易造成爐管堵塞。而裂解爐一般不具備單一爐管（或者通道）單獨(dú)清焦的能力，故只要有一根爐管出現(xiàn)結(jié)焦異常的情況，就需要對整臺裂解爐進(jìn)行清焦操作，因此，爐管內(nèi)焦層生產(chǎn)的速度及均勻程度，是決定裂解爐運(yùn)行周期的核心因素。當(dāng)爐管內(nèi)焦層生成異常時，會導(dǎo)致該爐管熱阻增大，造成爐管外表面溫度上升，在生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際觀察時可以發(fā)現(xiàn)異常爐管較其他爐管顏色明顯更紅，因此稱這種現(xiàn)象為爐管發(fā)紅。

2　氣相裂解爐運(yùn)行現(xiàn)狀

根據(jù)KBR公司的設(shè)計(jì)參數(shù)，乙烯裝置氣相裂解爐要求運(yùn)行周期達(dá)到30d，但是在裝置實(shí)際生產(chǎn)中氣相裂解爐的運(yùn)行周期很難達(dá)到30d的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)2013年乙烯裝置氣相裂解爐的平均運(yùn)行周期僅為26.5d，距離30d的目標(biāo)值還存在一定差距。

易造成氣相裂解爐爐管發(fā)紅的主要因素，公認(rèn)的有以下3點(diǎn)：

（1）裂解爐運(yùn)行過程中的負(fù)荷調(diào)整，即在生產(chǎn)過程中改變裂解爐的投油負(fù)荷；（2）裂解爐運(yùn)行過程中進(jìn)行在線油品切換，即在生產(chǎn)過程中臨時改變某一通道的油品，由氣相原料改為液相原料，或由液相原料改為氣相原料；（3）裂解原料組成波動。

2014年乙烯裝置氣相裂解爐發(fā)生了4次氣相通道爐管發(fā)紅，裂解爐提前退出清焦的情況。具體見表1。

表1　氣相通道爐管異常統(tǒng)計(jì)

3　原因分析

通過對2014年全年氣相通道爐管異常情況的分析，發(fā)現(xiàn)在上述4次氣相通道爐管發(fā)紅的運(yùn)行周期之內(nèi)，整個裂解爐投油負(fù)荷平穩(wěn)，未進(jìn)行在線油品切換，同時原料組成非常穩(wěn)定。因此，我們意識到造成氣相通道爐管發(fā)紅的原因可能不止上述三個，應(yīng)該還存在其他原因。于是針對這4次爐管發(fā)紅事件展開了詳細(xì)的調(diào)查，在整個調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)了以下兩個疑點(diǎn)：

1）曾經(jīng)在對堵塞的氣相通道爐管進(jìn)行疏通時，觀察掉落的焦粒，發(fā)現(xiàn)焦粒硬且脆，類似原料過裂解后所形成的焦粒。如圖1所示。

圖1　氣相通道爐管內(nèi)焦粒

2）氣相裂解爐在投油量較低時，氣相通道的橫跨段壓力較同爐液相通道而言略低，且在生產(chǎn)過程中會微有波動。如圖2所示。

圖2　氣相通道橫跨段流程簡圖

氣相原料過裂解，說明原料在輻射段內(nèi)的停留時間超出預(yù)期值；氣相通道橫跨段壓力低，說明管道內(nèi)物料量少；橫跨段壓力波動，說明管道內(nèi)存在一定程度的斷續(xù)非均勻流現(xiàn)象。以上3點(diǎn)均表明了：裂解爐氣相通道流量過低。

氣相通道流量過低會導(dǎo)致物料再橫跨管及聯(lián)箱內(nèi)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象（故橫跨段壓力低且微有波動），28根爐管進(jìn)料不均勻，造成爐管內(nèi)結(jié)焦不均勻，同時由于原料流量小造成流速低，使原料在輻射段內(nèi)停留時間延長（原料過裂解），在這幾個因素的共同作用下，最終使得爐管發(fā)紅，裂解爐未到周期提前退出。

4　解決方案

由于在正常生產(chǎn)中，裂解爐的負(fù)荷不可隨意調(diào)整，故只能通過增加裂解爐氣相通道稀釋蒸汽注入量，以提高氣相通道物料的總流量，從而避免氣相通道因流量低而出現(xiàn)偏流及過裂解的現(xiàn)象。如圖3所示。

圖3　裂解爐進(jìn)料流程簡圖

通過逐步提高稀釋蒸汽的注入量，觀察橫跨段壓力的變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著稀釋蒸汽注入量的逐步提升，橫跨壓力漸漸升高，同時橫跨壓力的波動也逐漸減小。當(dāng)稀釋蒸汽量和氣相原料進(jìn)料量總和大于6300kg/h時，氣相通道的橫跨壓力與液相通道持平，并且可以基本消除橫跨段的壓力波動，故認(rèn)為此時通道內(nèi)偏流現(xiàn)象已消除。

5　效益計(jì)算

乙烯裝置于2015年2月起對這一方案進(jìn)行試用，截至2015年底，氣相裂解爐未出現(xiàn)氣相通道爐管發(fā)紅，導(dǎo)致裂解爐提前退出清焦的事件。

對比2014年氣相裂解爐減少清焦次數(shù)4次。單爐清焦四爐生產(chǎn)時主要能源消耗及產(chǎn)出見表2：

表2　單爐清焦時裂解爐“消耗-產(chǎn)出”對比

其中稀釋蒸汽單價：129元/t，超高壓蒸汽單價：156元/t，燃料氣單價：860元/t。故方案實(shí)施后每年可獲得直接經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如下（每次清焦需要24h）：

M=（29×129+2.7×860-11×156）×24×4

=41.72萬元

中圖分類號：TQ221