乙烯企業燃料氣過剩原因分析以及應對策略

高晨陽，余仁杰

（1.中國石化石油化工管理干部學院，北京 100012；2.中國石化北京燕山分公司，北京 102500）

某企業從國外引進的年產30萬噸乙烯生產裝置經過兩次大規模擴能改造，形成了目前“兩頭一尾”格局，裂解老區與裂解新區分別擁有一套裂解爐、急冷、壓縮系統，裂解氣加壓后匯合進入分離單元進行深冷分離。設計產能710 kt/a，實際生產能力已超過800 kt/a。與之配套的熱電鍋爐是30萬噸乙烯的配套裝置，后經過陸續發展，形成了目前1#、2#、3#、4#爐以及配套2臺汽輪發電機組的配置。其中1#、2#爐為高壓爐，3#、4#為中壓爐；日常生產時為工區內分別提供11.8 MPa、3.5 MPa、1.5 MPa、1.0 MPa以及0.3 MPa的不同級別蒸汽。另外，正常生產時配套一臺410 t/h CFB鍋爐可與1#、4#高壓爐同時運行或者形成互相備用模式，為乙烯等化工裝置的平穩運行奠定基礎。

該企業工區內燃料氣系統以乙烯裝置副產的甲烷氫為主要燃料，同時1#、4#高壓爐完成了脫硫、脫硝改造，還可以采用乙烯裝置副產的裂解燃料油為燃料，不足部分由天然氣補充。2020年夏季生產時，工區內燃料氣系統出現過剩，造成了甲烷氫進入地面火炬燃燒，同時乙烯裝置冷箱溫度高、乙烯損失大、裂解燃料油過剩等諸多問題，同時影響了生產裝置的平穩運行。因此，對燃料氣過剩原因進行分析并給予針對性的解決方案具有重要意義。

1 流程簡介

從圖1可以看到，工區內燃料氣主要來自乙烯裝置的高、中、低壓甲烷、再生氣（高壓甲烷再生出口氣）以及經火炬氣壓縮機回收的火炬氣，同時不足部分可以補充天然氣或者液化氣，燃料氣用戶主要包括乙烯裝置裂解爐、熱電高壓爐、熱電中壓爐，另外還有一些其他用戶，如苯乙烯裝置、二甲苯裝置的加熱爐等。高壓爐可以采用裂解燃料油作為燃料，正常生產時可以通過調整燃油和燃氣燒嘴的數目來實現；高壓爐和中壓爐均具備天然氣補入流程，可通過調整天然氣和自產燃料氣的比例來調整鍋爐的煙氣排放。工區外還設有CFB鍋爐和蒸汽鍋爐，該蒸汽鍋爐不能使用工區內的燃料氣。

圖1 燃料氣管網流程

2 問題描述

燃料氣過剩，一方面會造成甲烷氫進入地面火炬燃燒，導致物料大量浪費；另一方面也會造成火炬系統背壓高，如圖2所示。

圖2 火炬系統壓力對比

火炬系統背壓高會造成低壓甲烷在冷箱的進出口壓差減少，根據節流膨脹等焓過程變化原理，壓差越小理論上可吸收的熱量越小，因此會導致冷箱溫度升高，低壓甲烷中乙烯損失增大。低壓甲烷中乙烯含量2019年8月為0.7%，2020年8月為1.5%，明顯增大。當外補天然氣量為零，即燃料氣系統不需要天然氣補入時，如果火炬系統背壓仍高，則說明燃料氣過剩，火炬氣壓縮機回收火炬氣的能力無法充分發揮，只能通過沖破地面火炬水封進行燃燒。2020年外補天然氣流量和火炬系統背壓如圖3所示，燃料氣存在較為嚴重的過剩情況。

圖3 火炬背壓與FG系統外補天然氣流量變化關系

3 原因分析

3.1 鍋爐負荷低，燃料消耗少

根據2020年8月企業實際產汽成本測算，石油焦的產汽成本約為63.8元/t，液化氣產汽成本約為144.8元/t，天然氣產汽成本為162.8元/t，燃料油產汽成本為164.6元/t。因此，為保證CFB鍋爐滿負荷運行，8月份生產時采用CFB鍋爐、1臺工區外中壓爐、1臺高壓爐、1臺發電機運行的模式，工區實際上只有1臺高壓爐運行，鍋爐負荷較低，燃料氣消耗較少。

3.2 燃料油庫存高，油氣燒嘴無法調整

由于CFB鍋爐長期運行，且正值7―8月份下游企業燃料油用戶較少，燃料油出廠壓力偏大，造成工區內的燃料油庫存較高，在生產調整時要充分考慮。同時從生產穩定運行的角度，高壓爐正常運行最低要保證2個燃油燒嘴運行。因此在甲烷氫過剩時，通過調整油氣燒嘴調節燃料氣系統的消耗已不具備條件。

3.3 火炬氣排放量大

夏季生產時，由于環境溫度較高，以輕石腦油儲罐為代表的儲運設施罐壓較高，將會造成火炬氣排放大增。從圖4可以看出，輕石腦油罐的放火炬調節閥閥位開度較大，造成火炬系統火炬氣回收量增大，此部分火炬氣回收至燃料氣系統后造成燃料氣流量明顯增大。

圖4 輕石腦油系統放火炬調節閥閥位

3.4 乙烯裝置甲烷氫產率高

從圖5可以看出，2020年甲烷流量對比2019年明顯增大。分析主要原因有：（1）裝置負荷增大，甲烷產率高；（2）原料品質變化，尤其是原料品質變差以后，甲烷收率高。以石腦油原料為例，2020年石腦油總烷烴含量為71.26%，其中正構烷烴37.97%，異構烷烴33.29%；相應地2019年石腦油總烷烴含量為74.96%，其中正構烷烴41.66%，異構烷烴33.3%。可見石腦油品質明顯下滑，造成甲烷收率增加。

圖5 冷箱低壓甲烷產出量

4 應對措施

4.1 調整鍋爐運行方式

將鍋爐運行方式由1臺CFB鍋爐、1臺發電機、1臺工區外中壓爐和1臺高壓爐的模式，調整為1臺CFB鍋爐、1臺高壓爐和1臺工區內中壓爐的模式；同時工區內中壓爐的燃料方式采用乙烯裝置自產甲烷氫，不足部分由天然氣補充。鍋爐運行方式調整以后，工區內鍋爐負荷增大，自產甲烷氫耗量顯著增加，甲烷氫過剩情況明顯緩解。調整前后，熱電鍋爐的燃料平衡如表1所示。

表1 調整前后燃料氣平衡

4.2 高壓鍋爐增燒甲烷氫

高壓爐在清潔化改造中，煙氣系統新增了脫硫脫硝處理設施，因此燃料結構上可實現燃料油嘴和燃料氣嘴的混燒功能，每個油嘴的燃燒油流量約為0.8～1.6 t/h。正常生產時，應盡量避免全天然氣運轉，一是純天然氣運轉時，鍋爐負荷受限，緊急情況下調整空間有限；二是純天然氣運轉時，鍋爐運行存在風險，如燃料油中斷將導致全爐聯鎖停爐。因此，通過調整油嘴、氣嘴的燃燒分配方式，可以實現甲烷氫耗用量的調節，但是應盡量避免使用純天然氣運轉。

4.3 優化乙烯裝置原料品質

乙烯裝置原料品質越差，甲烷氫收率越高[1]，因此，在夏季生產時，建議優化乙烯裝置的原料品質，適當提高外購裂解料品質，增加石腦油中正構烷烴含量，在保證足夠的雙烯產量情況下，盡量降低乙烯裝置加工量，減少甲烷氫等燃料氣組份的產出，同時減少燃料油產出，減輕燃料油庫存壓力。另外，在夏季生產時，液化氣價格往往處在低位，同時外部客戶需求較小，此時液化氣作為副產品外銷不利于公司整體經濟效益的提高，這也是在夏季優化乙烯裝置原料品質重要性的另外一個重要原因。

5 結論

夏季生產時，造成某乙烯企業燃料氣過剩的主要原因是鍋爐負荷低、燃料油庫存高、火炬氣排放量大、甲烷氫收率高等，通過以下措施可減少燃料氣過剩：（1）調整鍋爐運行方式，增開中壓爐，全力消耗甲烷氫；（2）調整二熱電高壓爐油嘴和氣嘴燃燒方式配置；（3）優化乙烯裝置原料品質，減少甲烷氫收率。通過以上措施，燃料氣過剩情況明顯緩解，火炬氣排放損失明顯降低，乙烯裝置乙烯損失也明顯減小。