乙烯裝置重質(zhì)原料裂解

張雄飛，劉 榛

（中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060）

乙烯原料在乙烯工業(yè)發(fā)展中具有重要意義，其直接關(guān)系到乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，原料費(fèi)用在總成本中所占比例高達(dá)70%～75%，故選擇和優(yōu)化乙烯原料始終是乙烯行業(yè)十分重視的問題。蘭州石化公司46萬t/年乙烯裝置自2006年建成投產(chǎn)以來，始終以丙烷、油田液化氣、拔頭油和石腦油為主要裂解原料，近年來受到國內(nèi)乙烯行業(yè)原料緊缺大環(huán)境的影響，乙烯裝置在公司的統(tǒng)籌安排下，開始嘗試裂解一些重質(zhì)原料以緩解原料供應(yīng)緊張的局面。在此形勢(shì)下，探討解決重質(zhì)乙烯原料裂解的問題，對(duì)于促進(jìn)乙烯工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，提高乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要的意義[1]。

2015年乙烯廠為了響應(yīng)蘭州石化公司生產(chǎn)統(tǒng)籌計(jì)劃，發(fā)揮煉化一體優(yōu)勢(shì)，自2015年下半年起，蘭州石化公司46萬t/年乙烯裝置開始長期投用重質(zhì)原料（以輕柴油為主，輔以部分航空煤油），主要投用方式為選取五臺(tái)裂解爐中的一臺(tái)長期裂解重質(zhì)原料。2020年年初，受新冠疫情影響，公司物料平衡情況出現(xiàn)較大變化，46萬t/年乙烯裝置根據(jù)公司安排，開始同時(shí)投用兩臺(tái)重油裂解爐（裂解原料為航空煤油）。這是裝置首次實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)航煤爐并行，本文將重點(diǎn)對(duì)比雙航煤爐運(yùn)行與雙柴油爐運(yùn)行的不同之處，并嘗試提出針對(duì)雙重油爐并行的建議。

1 運(yùn)行情況對(duì)比

乙烯裝置在2019年大檢修停車之前試投了72h的雙柴油爐 （2019年4月19日14:00至4月22日14:00時(shí)），將近期的生產(chǎn)工況與該工況進(jìn)行對(duì)比。

1.1 投料情況對(duì)比

對(duì)比雙柴油爐工況和雙航煤爐工況的投料情況見表1。

表1 投料情況對(duì)比表

對(duì)比上述兩種工況可知，重質(zhì)原料投用比例基本相同，分別為42.90%和42.76%，但是雙航煤爐工況下原料輕質(zhì)化率較雙柴油爐工況高出8.79%。

1.2 收率情況對(duì)比

對(duì)比雙柴油爐工況和雙航煤爐工況的收率情況見表2。

表2 收率情況對(duì)比-1

對(duì)比上述兩種工況可知，雙柴油爐工況的甲烷氫收率更高，同時(shí)其深度（丙乙比）達(dá)到了0.441，也較雙航煤爐工況的0.500更高，說明在投用雙航煤爐時(shí)原料裂解深度較雙柴油爐更低，但投用雙航煤爐時(shí)的重油收率低于雙柴油爐，說明航煤較柴油更輕。

進(jìn)一步對(duì)比全石腦油工況和單航煤爐工況見表3。

表3 收率情況對(duì)比-2

可以看出隨著航空煤油投用比例的上升，乙烯裝置雙烯收率逐漸下降，裂解重油收率逐漸上升。

1.3 原料對(duì)比

對(duì)不同液相原料的物理性質(zhì)見表4。

表4 原料分析對(duì)比

通過對(duì)比原料分析可知：航空煤油終餾點(diǎn)均明顯低于輕柴油，與石腦油更為接近，且密度也較輕柴油更低，說明航空煤油性質(zhì)較輕柴油更輕，但同時(shí)也可以看到，航空煤油的芳烴指數(shù)較輕柴油更高，說明航空煤油中芳烴含量很高，芳烴在高溫裂解條件下脫氫縮合為多環(huán)芳烴，進(jìn)一步脫氫為稠環(huán)芳烴，再進(jìn)一步脫氫為固體瀝青質(zhì)，這就是裝置提高重質(zhì)原料投用比例后，裂解重油收率大幅度上升的原因。

1.4 廢熱鍋爐出口溫度對(duì)比

裂解爐在正常生產(chǎn)時(shí)，裂解不同的原料，則裂解爐結(jié)焦的部位及結(jié)焦的嚴(yán)重程度也不相同。當(dāng)以石腦油為原料，裂解深度中等時(shí)，結(jié)焦嚴(yán)重的部位為輻射段爐管；以重質(zhì)原料中等深度裂解時(shí)，則廢熱鍋爐結(jié)焦最為嚴(yán)重。

高溫裂解氣離開輻射段進(jìn)入廢熱鍋爐內(nèi)管，與來自汽包的鍋爐給水換熱，裂解氣被冷卻至400～500℃。由于管外高壓沸騰水的傳熱系數(shù)較大，所以廢熱鍋爐內(nèi)管壁溫度接近高壓沸騰水的溫度，當(dāng)內(nèi)管溫度低于裂解氣露點(diǎn)時(shí)，裂解氣中沸點(diǎn)高的重質(zhì)餾分可能在管壁上冷凝下來。冷凝物由于有較長時(shí)間與高溫裂解氣接觸而發(fā)生脫氫、縮聚反應(yīng)釋放出H2，在管壁上固化形成焦，該過程被稱之為冷凝結(jié)焦。

隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，廢熱鍋爐內(nèi)焦層逐漸加厚，其換熱效果也隨之下降，廢熱鍋爐出口的裂解氣溫度會(huì)慢慢升高，當(dāng)該溫度高于裂解氣露點(diǎn)溫度時(shí)，裂解氣中的重質(zhì)餾分將不再繼續(xù)冷凝，PQE內(nèi)焦層的生成速度會(huì)逐漸減緩，PQE出口裂解氣溫度也趨于穩(wěn)定[2]。

因此重質(zhì)原料在裂解時(shí)需要密切關(guān)注廢熱鍋爐出口溫度變化情況，該溫度一方面可以表征出廢熱鍋爐自身的結(jié)焦情況，另一方面也從側(cè)面反映出原料的“輕重”程度。

對(duì)比103B裂解爐投用航空煤油前后的一級(jí)廢熱鍋爐（PQE）出口溫度變化情況見表5。

表5 PQE出口溫度變化（單位：℃）

由表5可知，103B裂解爐在投用航煤一段時(shí)間后，PQE出口溫度并未出現(xiàn)明顯上升，說 “冷凝結(jié)焦”現(xiàn)象并未在PQE內(nèi)出現(xiàn)，進(jìn)一步說明航空煤油裂解后并未產(chǎn)出大量低露點(diǎn)的重質(zhì)裂解氣。這一點(diǎn)與輕柴油原料裂解存在較大的不同。

綜上所述，就原料性質(zhì)而言可以得出如下結(jié)論：①航煤的“輕重”程度介于石腦油和輕柴油之間；②航煤中含有大量的芳烴，并非理想的裂解原料，裂解后會(huì)顯著增加燃料油收率；③雙柴油爐期間，裂解深度較目前雙航煤爐更高。

2 小結(jié)

結(jié)合兩次投用雙重油爐的情況，可以確認(rèn)在乙烯裝置正常的前提下，同時(shí)投用兩臺(tái)重油爐是可行的，但還是存在一些問題：

2.1 雙烯收率顯著降低

裝置投用雙柴油爐后，雙烯收率僅為46.672%，投用雙航煤爐雙烯收率為47.59%，均處于較低水平。造成這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)檩p柴油和航空煤油屬于重質(zhì)裂解原料，其芳烴含量較高，并不具備良好的裂解性能，裂解重油所得到的目的產(chǎn)品收率較低。

2.2 重油收率大幅度上升

同樣是受到輕柴油裂解性能的影響，雙重油爐生產(chǎn)期間，重油收率最高達(dá)到8.296%，較全石腦油工況顯著提升。

2.3 超高壓蒸汽發(fā)生量降低

為了避免裂解氣冷凝結(jié)焦，在投用重質(zhì)原料時(shí)，不得不將二級(jí)廢熱鍋爐（SQE）切出，這直接導(dǎo)致裂解爐超高壓蒸汽產(chǎn)氣量的下降，加之乙烯裝置未設(shè)置開工鍋爐，無法外接10.0Mpa蒸汽，因此在投用雙重油爐的過程中，裂解氣壓縮機(jī)201J是否能夠正常運(yùn)行，是維持乙烯裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在2019年雙柴油爐投用初期，103B裂解爐能夠維持30t/h左右的超高壓蒸汽發(fā)生量，加上外圍高壓蒸汽保供情況良好，乙烯裝置維持住了182t/h的投油負(fù)荷。隨著時(shí)間的推移，103B裂解爐PQE出口溫度快速上升 （在72h內(nèi)上升了約120℃），103B裂解爐的超高壓蒸汽發(fā)生量逐漸降低，裂解氣壓縮機(jī)201J的運(yùn)行開始受到一定程度的影響，運(yùn)行至4月22日下午，裂解氣壓縮機(jī)201J一段吸入壓力開始上升，為了維持裂解氣壓縮機(jī)201J的正常運(yùn)行，只能被迫降低投油負(fù)荷（由182t/h降至180t/h）。

雙航煤爐運(yùn)行時(shí)，由于一級(jí)廢熱鍋爐（PQE）出口溫度未出現(xiàn)持續(xù)快速上漲，故103B裂解爐蒸汽發(fā)生量一直維持在30t/h-33t/h左右，未出現(xiàn)明顯下降。

綜合來看若乙烯裝置長時(shí)間投用兩臺(tái)重油爐，尤其是在裝置運(yùn)行末期，裝置自產(chǎn)的超高壓蒸汽量可能無法滿足裂解氣壓縮機(jī)201J的正常運(yùn)行需要，只能通過降低重油投用負(fù)荷的手段來維持裂解氣壓縮機(jī)201J運(yùn)行。尤其是針對(duì)雙柴油爐工況，這一問題可能會(huì)更加突出。