乙烯裝置氣相裂解爐收率低的原因及對策

尚煒洪

(中化泉州石化有限公司烯烴運行部，福建 泉州 362100)

0 引言

乙烯收率的高低是衡量裂解爐性能優劣的關鍵，我司裂解爐采用KBR毫秒爐技術，平均停留時間在0.1秒左右，高溫短停留時間的操作理念保證了乙烯產品的高收率。同時高溫意味著會有更多的焦炭生成、導致裂解爐周期較短，僅為30天左右，焦炭的生成降低了傳熱系數，需要加大燃料氣的用量來保障裂解深度，此時又會帶來較高的爐管溫度，焦炭的生成不僅造成管壁溫度的上升，還造成系統壓力降的的增加，使乙烯收率降低，甚至堵塞爐管。影響乙烯收率的因素眾多，本文主要從8個方面闡述影響乙烯收率高低的原因，其中原料的組成對乙烯收率的影響因素較大，原料的輕質化、及較高的正構烷烴含量，成為提高乙烯收率的關鍵。

1 泉州石化裂解爐簡介

泉州石化共有七臺裂解爐，期中F-101、F-102為液相爐，F-103～F-107為氣相爐，裂解原料種類有：富乙烷氣、PX馳放氣、丙烷、輕烴回收LPG、重整LPG、輕石腦油、柴油加氫石腦油、芳烴抽余油和加氫尾油(HCR)等。

從界區來的富乙烷氣和循環乙烷以及部分PX馳放氣匯合在一起，在乙烷進料換熱器(E-201)中用急冷水(QW)加熱到60 ℃，然后進入裂解爐。由于進料構成的限制，可能會有部分乙烷進入LPG系統中(即通過LPG-乙烷互竄線)。

從界區來的LPG和新鮮丙烷一起進入LPG進料緩沖罐(V-201)，V-201能提供30 min緩沖量，然后通過LPG進料泵P-201A/B抽出，與循環丙烷混合后在在LPG進料汽化器E-203中用急冷水加熱到54.8 ℃后氣化，然后進入進料過熱器E-204中用QW加熱到60 ℃進入裂解爐。由于裂解爐進料構成的限制，部分LPG也可以進入到乙烷中(即通過LPG-乙烷互竄線)。

裂解單元由7臺SC-1型裂解爐組成，進入裂解爐的物料被平行分為8組通道，這7臺裂解爐都可以在不同的通道中同時裂解兩種不同的原料。

對于每臺裂解爐，原料和稀釋蒸汽(DS)各自被分為8組通道，原料在對流段預熱后，和經過對流段過熱的DS通過比值控制按照適當的稀釋比混合后進入對流段進行進一步過熱，此時原料已經完全汽化。每臺裂解爐有288根爐管(每組36根)，爐管長度約12 m，外徑約57 mm，公稱壁厚6 mm，爐管內部帶有翅片來提高處理能力。

2 存在的問題及解決方案

泉州石化乙烯裂解裝置自2020年9月份開工已來，已經平穩運行一年時間，氣相裂解爐收率長期低于設計值，甚至低至22.6%。工藝及操作團隊對裂解爐COT(裂解爐輻射段出口溫度)、COP(裂解爐一級油冷器出口壓力)、XOT(裂解爐橫跨段溫度)、XOP(裂解爐橫跨段壓力)、原料性質等各項工藝指標進行篩查，發現其正常運行時數值與設計值有較大出入。隨后在一個生產周期內對裂解爐的運行狀態進行調整，調整的原則為少量多次、并且一次只調整一個或兩個變量，待運行穩定后對裂解氣出口氣體進行采樣分析，分析此次操作變量對乙烯收率高低的影響。最后將裂解爐各項操作指標均調整至設計值、稀釋比高于設計值，經過此次生產調整后，氣相裂解爐乙烯收率提高的較明顯，乙烯收率在28%左右，乙烷爐可以達到30%，下文對可能造成氣相裂解爐乙烯收率低的因素進行單獨分析。

2.1 乙烷-LPG互竄線

乙烷原料和LPG原料在E201(乙烷原料加熱器)、E204(LPG原料過熱器)出口設置了一條跨線，為18寸管線，打開此跨線閥后，根據乙烷、LPG壓力，可由高壓至低壓自由互竄而后合并進入裂解爐，避免了因LPG流量波動造成LPG裂解爐原料低流量聯鎖、亦或是因為后系統停車，導致乙烷裂解爐原料中斷被迫停爐的窘況，該流程的設計可最大程度降低因原料進料的波動，造成氣相裂解爐非計劃停車的次數。但此跨線閥打開后，造成氣相爐存在混合共裂解現象，每臺氣相裂解爐，均同時裂解乙烷、LPG兩種原料，原料組分波動大，很難匹配到一個使兩種原料收率均同時最高的COT，如果氣相裂解爐COT溫度控制偏低，會存在乙烷原料裂解深度不夠，導致乙烯收率低，且C3、C4組分增多，造成分離系統C3、C4分離效果不好。如果氣相裂解爐COT溫度控制偏高，又會造成LPG原料過度裂解，生成的乙烯又繼續發生二次反應，生成炔烴、乃至結焦，堵塞爐管縮短裂解爐的運行周期，經裝置權衡利弊后，為了減少氣相裂解爐因原料聯鎖導致非計劃停車的次數，該閥又不得不處于開啟狀態，工藝上發現乙烯收率下降時，及時對氣相裂解爐原料組分進行分析，調整裂解爐COT，使裂解深度維持在設計值。

2.2 稀釋比（HC/DS）

KBR設計中給出氣相裂解爐稀釋比為0.30，但實際生產中發現，較低的稀釋比勢必會造成較高的烴分壓，乙烯裂解反應是氣體體積增大的反應，較高的烴分壓，不利于原料的裂解反應，會造成一次反應減少，乙烯收率降低。其次較低的稀釋比也會使裂解爐橫跨段壓力過低，造成停留時間的延長，二次反應增多，生產的乙烯、丙烯等產品，進一步過度裂解生成炔烴、焦炭等，縮短氣相裂解爐的運行周期。同時稀釋比也不能無限量增加，較高的稀釋比會造成稀釋蒸汽對裂解爐爐管的沖刷、增加急冷水塔負荷、也會造成乙烯裝置能耗的增加，目前生產上已將氣相裂解爐的稀釋比由0.30提高至0.45，調整后乙烯收率增加的較為明顯。

2.3 COT（裂解爐輻射段出口溫度）

COT是影響乙烯收率最關鍵的因素之一，有一個合適的COT不僅能使原料達到最大利用化，同時也能使裂解爐達到一個穩定的運行周期。如表1所示，KBR設計中給出LPG原料裂解時COT為863 ℃，乙烷原料裂解時COT為874 ℃，通過生產觀察發現乙烯收率遠低于設計值。在其他變量不變的情況下，嘗試通過提高氣相裂解爐COT，來增加裂解爐的裂解深度、提高乙烯產量。生產上以乙烷裂解爐為例，每隔一段時間提高一次COT，待穩定后采裂解爐出口裂解氣分析組成，在逐步提高至881 ℃后，發現在此COT附近，乙烯收率顯著提高、乙烷轉化率提高，甲烷、氫氣收率也有所提高，證明提高COT對提高氣相裂解爐裂解深度效果非常顯著。由此可見，在氣相裂解爐運行至末期乙烯收率下降較為明顯時，生產上可以通過提高氣相裂解爐COT來保證裂解深度。

表1 不同溫度的收率 單位：%

2.4 PQE出口壓力（裂解爐一級油冷器出口壓力COP）

PQE出口壓力不能直接控制，而是受到裂解氣壓縮機入口壓力和急冷系統管線壓力降的制約，裂解氣壓縮機設計入口壓力為0.016 MPa，而實際生產時壓力約為0.022 MPa，因裂解氣壓縮機選型小、裂解爐負荷大的原因，導致PQE出口壓力較設計值高，較高的PQE出口壓力，會造成輻射段爐管內裂解氣停留時間的延長，造成二次反應的增多，原料裂解生成乙烯后，繼續裂解脫氫，生成乙炔，造成乙烯收率降低，也會造成爐管結焦增多，縮短裂解爐運行周期。在裂解爐出口溫度不變的情況下，COP由0.206 MPa升至0.226 MPa后，雙烯收率均有明顯的下降，乙烯收率下降的更明顯，下降0.3%。生產上通過提高超高壓蒸汽的品質、提高裂解氣壓縮機轉速等因素，來降低裂解氣壓縮機一段吸入罐壓力，進而降低裂解爐的COP、提高乙烯收率。同時裂解氣壓縮機正常運轉時不僅需要注入沖洗油，還可以注入抗垢劑等助劑，來提高裂解氣壓縮機的效率、降低COP[1]。

2.5 XOT（裂解爐橫跨段溫度）

KBR設計給出乙烷爐XOT為：700 ℃，而實際運行時XOT僅為680 ℃左右。 XOT的高低直接影響裂解反應的深度，如果XOT溫度過高，會造成裂解反應提前在對流段發生，導致反應時間延長，較長的反應時間，造成二次反應增多，烯烴繼續裂解生成炔烴及焦炭。如果XOT溫度過低，原料到達輻射段后還要繼續預熱后才能達到反應的起始溫度，相當于將一部分輻射段爐管變成對流段盤管使用，造成反應時間的縮短，使本就是毫秒級的裂解爐停留時間不夠，裂解深度降低，乙烯收率降低，且乙烷、C3、C4等組分增多，增加了高低壓脫丙烷塔、及脫丁烷塔負荷，使循環乙烷、丙烷在整個系統內打循環，嚴重制約了裂解爐的生產能力，實際生產中將XOT提高至695 ℃以上時，乙烯收率有明顯上漲趨勢，隨著XOT的提高，排煙溫度也上漲了10 ℃，降低了裂解爐的熱效率，需要總體來權衡利弊。

2.6 原料的性質

近年來隨著乙烯裝置原料越來越輕質化，國內很多新建的化工廠采用純氣相裂解爐，甚至有的公司只設計乙烷爐，原料僅為富乙烷氣和循環乙烷，設計上不僅節約了急冷油塔的費用，還能得到較高的乙烯收率，原料的類別對乙烯生產有著至關重要的影響。根據采樣分析，LPG原料中正丁烷含量較設計值低，異丁烷含量較設計值高，有時能達到28%左右，雖然異丁烷產生的乙烯收率大于環烷烴，但相對于正構烷烴比還是稍低，可以通過改善原料性質，增加正構烷烴含量，來提高乙烯收率。裂解氣收率與原料中正構烷烴的比例呈線性關系。原料中正構烷烴比例越大，裂解氣的收率越大。在其他裂解條件不變的情況下，正構烷烴更容易裂解成小分子。用不含正構烷烴的抽余油作為裂解原料來裂解時，裂解氣相收率為82.80%；選用石腦油裂解時(其中正構烷烴含量29.50%)，裂解氣相收率85.80%，可見原料的組成對裂解氣相收率、乙烯收率有較大影響[2]。為保證乙烯裝置原料的品質，需要生產調度、經營計劃等部門的支持，合理采購原油的種類，不同地區的石腦油組分相差較大時，聯系罐區互相勾兌調和，來保證原料性質的穩定。

2.7 APC先進控制的投用

目前泉州石化裂解爐還有較大的調整空間，還未采購先進控制系統，將來投用APC先進控制系統后，可以在原來乙烯收率的基礎上提升0.5～1.0個百分點[3]，投用先進控制后，使得COT在很窄的范圍內波動調整，大大延長了裂解原料在最佳裂解溫度下的時間，使得乙烯產量提高，COT波動范圍縮小后，會使裂解爐各組爐管的生焦狀況更加穩定，延長裂解爐運行時間，減少了因各別幾根爐管溫度高，導致裂解爐被迫燒焦的次數。

2.8 投退爐次數

眾所周知KBR裂解爐以收率高、運行周期短而聞名，氣相裂解爐的運行周期僅為30天，這就導致需要頻繁的對裂解爐進行燒焦，因裂解爐投退料過程中COT控制較低，COT僅為840～850 ℃，此時乙烯收率極低，此種因素也是造成乙烯收率低的原因之一，要解決該問題，就需要平時注意生產平穩，減少波動，提高裂解爐在線率、減少投退爐次數。

3 結語

本文從8個方向闡述了裂解爐乙烯收率低的原因：其中重點從改變原料性質、提高裂解溫度、稀釋比等方向來進行論證，經過一系列調整后，目前氣相裂解爐乙烯收率已經有了較大改觀，達到行業內先進水平，因乙烯產量產率的提高，導致乙烯裝置能耗、物耗明顯降低，今后還將會一如既往的調整思路、優化操作，來提高乙烯收率，為公司取得更好的經濟效益而奮斗。