煤化工副產品綜合利用項目乙烯裂解裝置運行模式優化

吳榮煒，楊進福，馬金欣

（國家能源集團寧夏煤業公司，寧夏 銀川750000）

國家能源集團寧夏煤業公司煤化工副產品深加工綜合利用項目，以煤制油裝置（CT L）、甲醇制丙烯裝置（M TP）等副產的石腦油（NP）和液化石油氣（LPG）為原料，生產聚合級乙烯、聚合級丙烯等產品。在裂解工段，烴和蒸汽混合物在裂解爐中高溫熱裂解，形成富含乙烯和其他烯烴氣體的混合物，同時副產裂解汽油、混合碳四、氫氣等。項目自2017年開工生產至今，經過對操作條件和工藝參數的不斷完善，生產操作已經達到平穩狀態，各產品質量合格。

裂解工段包括4臺雙爐膛裂解爐（2#～5#爐），用于裂解石腦油和輕烴原料；1臺單爐膛8M型裂解爐（1#爐），用于裂解后續分離裝置產生的循環C2/C3原料。其中，2#爐、3#爐的A爐膛也可以用于裂解循環C2/C3原料。裂解反應設計采用4開1備模式運行，以滿足周期性的清焦需求。為保證產量指標，在線4臺裂解爐的單爐進料負荷較高，運行中常出現對流段超溫、爐膛低氧等問題，不利于裝置的長周期穩定運行。為優化裝置運行、保證經濟效益最大化，需改進現有的裂解爐進料模式[1]。現將裂解爐進料方案調整情況及調整后設備運行情況、能耗和經濟效益情況介紹如下。

1 運行方案調整

該乙烯裂解裝置設計原料組成有：來自煤制油裝置的石腦油、加氫LPG、油洗LPG、煤基烯烴項目甲醇制丙烯裝置副產的LPG（MTP-LPG）、來自丙烯聚合裝置（PP）的尾氣。原料由原料罐區泵送至裂解爐后，在裂解爐的對流段與離開輻射段的高溫煙氣進行換熱，并與稀釋蒸汽混合，逐步預熱到橫跨溫度，送入輻射段爐管進行裂解。

裂解爐設計工況與調整前后的兩種運行模式見表1。調整前，裂解裝置在方案Ⅰ（4爐運行）工況下運行。由表1可知，4爐運行時各裂解爐處于高負荷運行狀態，個別裂解爐的進料負荷超100%。為降低單爐負荷，調整各裂解爐依照方案Ⅱ運行，即由4開1備模式調整為5爐運行（無備用運行），5臺裂解爐的進料負荷平均降為4爐工況的70%～85%（1#裂解爐滿負荷），取消備用裂解爐。理論上，單爐負荷降低將使整個裂解裝置熱負荷分配更加合理，可提高運行效率，延長清焦周期[2]。

表1 裂解爐設計工況與調整前后的兩種運行模式 t/h

1.1 運行負荷

為準確評估不同運行方案的效果，同時考慮上下游物料平衡，控制調整前后的裝置總負荷一致，兩種進料模式下的運行負荷對比見表2。從2#裂解爐上線（第1天）至4#裂解爐下線（第12天），依照方案Ⅱ測試工況運行10 d期間，兩種進料模式下裝置總負荷基本一致，均為225 t/h左右。

表2 不同進料模式下的運行負荷對比t/h

1.2 爐管出口溫度COT

乙烯裂解反應過程有3個關鍵變量，分別是停留時間、烴分壓和反應溫度。這些變量在裂解爐上對應4個主要操作參數，分別是原料進料流量、稀釋蒸汽流量、爐管出口壓力和爐管出口溫度（COT）。其中，原料最大流量（裂解爐最大負荷）主要由裂解爐管和爐膛的設計能力決定，正常流量或操作流量主要根據生產需要確定，原料進料流量和稀釋蒸汽流量一般不作大的調整；爐管出口壓力由裂解氣體壓縮機的吸入壓力決定，操作中不作大的調整，因此，實際操作中能實現靈活調變的唯一變量是COT。

裂解產物分布對COT變化非常敏感，COT微小的變化即會對裂解深度和產物分布造成較大影響。在實際操作中，控制裂解爐的本質就是控制COT。通過調節COT控制反應過程，5爐運行期間各裂解爐的出口溫度變化如圖1所示（運行時間第-1天和第-2天分別代表5爐運行的前1天和前2天）。理論上，提高COT有利于反應平衡向生成乙烯的方向移動。需要指出的是，5爐運行2 d后，為提高丙烯收率，將COT微調降至829℃。

圖1 各裂解爐在5爐運行期間的COT變化

2 5爐運行方案評估

2.1 裝置運行情況

從2#裂解爐上線至4#裂解爐下線，運行方案調整期間密切觀察每臺裂解爐的運行情況、熱效率、運行存在的問題等，排查隱患并進行詳細記錄；實行裂解爐COT動態調整，保證裂解深度適宜。

對流段是回收煙氣高溫熱能的主要設備，高溫煙氣與原料、鍋爐給水、稀釋蒸汽、蒸汽進行換熱，回收熱能，同時避免高溫煙氣排放對環境造成污染。單爐運行負荷較高時，可能發生對流段局部熱量升高而超溫，進而引起爐管結焦，裂解爐運行周期縮短。以4#爐和5#爐為例，5爐運行工況下，單臺裂解爐的投料量平均為4爐工況的70%～80%，運行負荷低，氧氣消耗量和爐膛溫度也相應降低：稀釋蒸汽過熱段溫度由4爐運行時的512℃～523℃（設計514℃超溫報警）大幅降至498℃以下，爐膛氧體積分數由4爐運行時最低0.8%升高為2.0%（設計值≥1.7%），有效控制了對流段超溫的問題，延緩了爐管的結焦速度，有利于延長裂解爐運轉周期。

對流段頂部的引風機是維持裂解爐爐膛負壓、保障燃料正常燃燒和裂解爐安全的核心動設備。4爐運行工況下，引風機發生間歇性振動，振值最高可達7.0 mm/s（報警值5.6 mm/s）。振動超標可能導致引風機及周圍鋼結構發生疲勞損傷，或造成軸承故障，導致附近儀表或電氣開關發生故障，甚至停機。經檢測，5爐運行工況下，引風機振值維持在2.0 mm/s以下，保證了風機及裂解爐的穩定運行。

2.2 雙烯收率及產量

運行方案調整期間的收率和產量變化如圖2所示。在運行方案Ⅱ下，單爐進料負荷降低，COT有可調空間。結合圖1和圖2可知，當石腦油裂解COT在825℃～835℃時，升高溫度有助于乙烯收率及產量提高，同時裂解深度增大，當COT為835℃時（第9天～第11天）可獲得最高收率，與運行方案Ⅰ相比，乙烯收率上漲2.4～2.5個百分點，日產量增加約110 t。此外，調整期間雙烯（乙烯+丙烯）收率由原來的51.3%上漲至53.4%，日產量最多可增長100 t，與運行方案Ⅰ相比，丙烯收率下降0.4～0.5個百分點，日產量降低20 t～30 t。

圖2 5爐運行期間的收率和產量變化

裂解產物分布取決于裂解深度。轉化率是衡量裂解深度的主要指標，可選取某關鍵組分的轉化率來衡量整個原料的轉化率，如對于石腦油可選取正戊烷作為關鍵組分，對于輕烴原料可選取正丁烷作為關鍵組分。在實際生產中，由于關鍵組分轉化率不易直接測得，一般采用其他方法表征裂解深度，例如通過經驗數值回歸獲得裂解深度函數（A S F），或利用與關鍵組分轉化率有直接關系的一些參數對裂解深度進行監測：裂解氣密度、裂解氣分析（丙烯與乙烯比、丙烯與甲烷比）、裂解爐C0T等。5爐運行期間的丙烯與乙烯質量比變化見圖3。由圖3可知，隨COT逐漸升高，裂解深度增大，丙烯與乙烯質量比降低。

圖3 5爐運行期間的丙烯與乙烯質量比變化

一般而言，裂解深度加深，反應的劇烈程度增加，有利于提高乙烯收率，丙烯與乙烯比則會降低。在COT可調時，可以通過調整裂解深度，在一定程度上調整各產品的收率分配比。因此，在運行方案Ⅱ下，裂解裝置產物分布可調變，系統靈活性有所提升。

需要指出的是，在運行方案調整期間，石腦油原料的組分有一定變化，見表3。在典型的裂解工藝條件下，石腦油中的正構烷烴對裂解產物乙烯的貢獻最大，而異構烷烴是產生丙烯的主要來源。調整期間，裂解原料石腦油中的正構烷烴含量上漲也是導致乙烯收率上漲的原因之一。

表3 運行方案調整期間石腦油原料的組分變化（質量分數）%

2.3 副產物收率及組分變化

裂解裝置副產品包括裂解碳四、裂解碳五、粗裂解汽油、氫氣（用于裝置內的加氫反應）和甲烷（用作燃料氣）。此外，裂解產物也包含少量的乙炔，將在下游分離工序脫除，以滿足乙烯和丙烯產品的規格要求。裝置內部生產的乙烷和丙烷被循環回氣體原料裂解爐，以增加乙烯產率。

裝置運行方案調整期間主要副產物的收率變化見表4。對比發現，與調整前相比，隨著COT提高，裂解碳四、裂解碳五和裂解汽油的收率明顯下降，而甲烷和氫氣的變化則與之相反，即裂解爐出口組分隨COT提高而輕質化。5爐運行期間，COT有可調空間，裂解碳四、碳五和裂解汽油3種副產品量與4爐運行時相比日最多下降170 t，而燃料氣日產量增加約70 t，副產品總量降低。

表4 調整期間副產品的收率%

運行方案調整期間裂解碳四各組成變化見圖4。結合圖1、2、4和表4可知，裂解碳四中丁二烯含量隨COT提高上漲明顯，裂解產物三烯（乙烯+丙烯+丁二烯）收率可達60%以上。丁二烯作為一種重要的化工基礎有機原料，其生產多數是從混合碳四中抽提而得。乙烯裂解裝置副產的裂解碳四可作為丁二烯抽提裝置原料，產生的抽余油可進一步作為M T B E裝置原料。因此5爐運行模式對產物組成的調變可以為整套裝置帶來更高的經濟價值。

圖4 運行方案調整期間裂解碳四的組成變化

5爐運行期間，裂解汽油組成變化見表5。結合圖1和表5可知，裂解汽油中的芳烴含量隨COT升高明顯提高。裂解產物經急冷油塔冷卻分餾后，裂解氣、裂解汽油從塔頂分離出去，塔底重組分作為急冷油循環使用。一方面，以輕烴為原料時，裂解產物中碳五以上重烴產率相對較低，急冷油中的輕組分易隨裂解氣從塔頂排出，油量逐漸減少；另一方面，急冷油與高溫裂解產物接觸時易發生縮合、結焦反應，生成大分子物質，導致黏度增加，傳熱性能降低，甚至堵塞設備。通常需要連續補充調質油（以重芳烴組分與柴油為原料經加工制得），以降低黏度、保證油洗塔的塔底液位。在5爐運行工況下，裂解汽油中芳烴含量明顯提高，有利于急冷油的產生和改質。此次運行方案調整期間，未引用調質油即可保證裝置正常生產。

表5 調整期間裂解汽油的組成變化（質量分數）%

3 能耗及經濟效益評估

3.1 園區物料平衡

調整運行方案對園區物料平衡的影響如表6所示。運行方案調整后，每日石腦油富余外銷量約減少110.4 t，而加氫LPG外銷增加144 t，油洗LPG外銷減少50 t。

表6 調整運行方案對園區物料平衡的影響t/d

3.2 能耗

在該裂解裝置中，除原料外涉及到的能源、物質消耗主要有以下幾種：

（1）裂解裝置副產的甲烷等通過回收系統分離后進入燃料氣系統，與外供燃料一起為裂解爐提供所需燃料氣，維持裂解爐穩定運行；

（2）為降低烴分壓、幫助清焦，向裂解原料中注入的稀釋蒸汽；

（3）為保護爐管，延長運行周期，隨稀釋蒸汽注入結焦抑制劑二甲基二硫（D M D S），以提供足夠的硫占據爐管鎳金屬表面的活性位，減少結焦反應；

（4）裂解爐的高壓蒸汽系統通過回收高溫裂解氣和對流段高溫煙氣的高位熱能加熱高壓鍋爐給水，產生高壓蒸汽；

（5）為抑制產物乙烯發生二次反應，輻射段爐管出口的裂解氣進入急冷換熱器迅速冷卻，同時副產一定量的高壓蒸汽。

兩種運行工況下裝置的能源消耗對比見表7。由表7分析可知，調整運行方案后，能耗未見明顯增大，高壓蒸汽產量增大約20 t/h。

表7 兩種運行模式的能源消耗對比

3.3 經濟效益評估

兩種運行模式的原料消耗及電耗對比見表8。在調整運行方案前后，裝置總負荷基本一致，但由于進料配比的微調，5爐運行時石腦油進料增加4.6 t/h，加氫LPG進料減少6 t/h。結合近期市場價格，對比兩種運行方案下的原料消耗，運行方案Ⅱ消耗了更多的石腦油和油洗LPG，且由于5臺裂解爐同時在線，耗電量明顯增加，經核算，總原料費用增加了42 584元/d。

表8 兩種運行模式的原料消耗及電耗對比

兩種運行方案的經濟效益對比如表9所示。5爐運行時主產品（乙烯）日產量升高，副產品產量降低，收益增加。此外，調整期間藥劑使用量基本不變，故忽略不計。綜合其經濟效益，5爐上線后日收益增加了281 820元，抵銷總原料及電耗費用增加后日凈增239 236元，經濟效益明顯提高。

表9 兩種運行模式的經濟效益對比

4 結 論

針對國家能源集團寧夏煤業公司煤化工副產品深加工綜合利用項目乙烯裂解裝置原4爐運行模式導致的單爐運行負荷高、對流段超溫、爐膛低氧等問題，提出了裂解爐5爐運行的進料優化方案，通過對兩種運行模式的對比，5爐運行（無備用）模式可有效提高三烯產率，減少副產物生成，具有更高的經濟效益。

4.1 5爐運行模式下，裂解爐運行穩定，設備運行狀況得到優化。5爐運行工況下，稀釋蒸汽過熱段溫度大幅下降，爐膛氧含量升高，有效解決對流段超溫的問題，延緩了爐管的結焦速度，有望延長裂解爐運轉周期和爐管壽命。此外，5爐運行時引風機振值明顯下降，保證了風機及裂解爐的穩定運行。

4.2 5爐運行模式下，裂解裝置的主產品產量提高，副產品產量減少。與4爐運行模式相比，5爐運行工況下，乙烯收率上漲2.4～2.5個百分點，日產量增加約110 t；雙烯日產量最多可增長100 t；裂解深度增大，丙烯與乙烯質量比降低，丙烯日產量降低20 t～30 t；隨COT提高，裂解爐出口組分變輕；裂解碳四、碳五和裂解汽油3種副產品量日最多下降170 t，燃料氣日增加約70 t，副產品量降低；此外，裂解碳四中丁二烯含量上漲，裂解產物三烯收率可達60%以上；裂解汽油中的芳烴含量提高，有利于急冷油的產生和改質。

4.3 5爐運行模式下，裂解裝置的經濟效益有所提升。5爐運行的日電耗和原料費用增加了42 584元，核算增產的乙烯、氫氣、高壓蒸汽等，5爐上線后日收益增加281 820元，日凈增239 236元。

綜上，與原4開1備模式相比，裂解爐無備用運行取得了良好的效果。由于單爐運行負荷降低，裂解深度可優化，原料分配方式更靈活，且裂解爐處于較寬松的工況，有利于延長爐管的使用壽命，為保障乙烯裝置長周期穩定運行奠定基礎。在未來的研究中，將從優化COT控制、調節稀釋蒸汽比、調節停留時間等方面進一步挖掘裝置生產潛力，提高乙烯產量，降低綜合生產成本，延長運行周期，提高裝置在線率，提升裝置的經濟效益和競爭能力。