裂解爐燒焦氣返爐膛探索及優化

朱澤強

（中國石化鎮海煉化公司，浙江寧波 315207）

裂解爐是乙烯裝置的核心設備，原料經過裂解爐高溫熱裂解產生乙烯。在裂解反應生產乙烯、丙烯的同時，伴隨發生生焦、生碳的二次反應，在裂解爐管表面形成焦層影響傳熱效率，造成爐管壁溫隨著運行時間增加而升高，不利于生產運行，因此需定期進行在線燒焦。采用蒸汽、空氣燒焦，燒焦氣通過清焦罐排放進入大氣或返回爐膛。燒焦氣含有雜質，也含有少量焦粉，直接排放進入大氣會造成污染；燒焦氣返爐膛雖然能解決排放問題，但在生產運行以及安全方面會帶來潛在風險，需要技術管理人員繼續摸索優化解決方案。

1 流程簡介

某企業2#乙烯裂解裝置設計產能120 萬噸/年，采用國內自主開發設計9 臺CBL 乙烯裂解爐，每臺裂解爐的公稱能力為年產乙烯15 萬噸。其中，8 臺裂解爐F-001～F-008 采用雙輻射室、單對流室的結構型式，1 臺裂解爐F-009 采用單輻射室、單對流室的結構型式。以雙爐膛液體爐為例，雙爐膛液體爐為F003～F008，采用A/B爐膛共計八大組原料進料，每大組有12根爐管，燒焦時A/B爐膛燒焦氣經清焦大閥進入清焦罐脫除顆粒較大的焦粉，清焦罐罐頂出口設置雙流程，用電動閥進行隔離，一路放空至大氣，另一路一分為二分別進入A/B爐膛各大組底部爐底板，具體流程如圖1所示。

圖1 裂解爐燒焦氣返爐膛流程

2 風險識別

為深入推進燒焦氣返爐膛，通過文獻了解[1-2]、調研，經攻關團隊多次討論評估，識別燒焦氣返爐膛過程中潛在的主要風險并制定相應的措施，如表1所示。

表1 燒焦氣返爐膛風險與改進措施

（1）退料燒焦后，原料管線吹掃不徹底導致部分物料隨燒焦氣進入爐膛燃燒，造成爐管表面超溫。

措施：裂解爐退料完畢后，用稀釋蒸汽對原料管線進行大氣量吹掃，一般原料調節閥開至50%以上，吹掃時間不少于20分鐘，直至對應組原料橫跨段壓力先上升后下降，對應組COT明顯下降，說明原料吹掃已完成。

（2）燒焦氣返爐膛時凝液進入爐膛，損壞爐內襯里。

措施：打開爐底燒焦氣管線末端導淋提前排液，同時高溫燒焦氣進入管線時做好暖管脫液。

（3）裂解氣大閥切換至燒焦大閥過程中，裂解氣倒竄入爐膛。

措施：裂解氣大閥采用機械連桿設計，裂解氣大閥關小至一定程度時，燒焦小閥在機械連桿作用下開啟。一般不會因大閥正常切換造成裂解氣反竄，切換過程按正常步驟進行，只需關注裂解氣大閥閥前壓力變化。

（4）對流段溫度高，存在SS超溫風險。

措施：在返爐膛操作前，SS 溫度提前降至490～500 ℃，增加減溫水調節余量。同時，返爐膛時需及時關小風門。

（5）爐膛負壓波動大甚至正壓。

措施：燒焦氣返爐膛時，煙氣系統比較脆弱，負壓波動較大，在調整風機轉速時建議手動控制；同時返回的燒焦氣需要通過裂解氣大閥控制流量，逐步并入爐膛，使操作過程總體受控。

（6）部分火嘴燃燒不佳。

燒焦氣返爐膛可能會影響裂解爐爐膛內的熱場分布，部分火嘴可能燃燒不佳，建議返爐膛結束后，對整個爐膛燃燒情況整體檢查一遍。

（7）COT 波動大，造成爐管內焦層脫落堵塞爐管。

裂解爐運行末期，爐管內焦層較厚，因焦層與爐管熱膨脹系數不同，如果COT大幅波動，焦塊很有可能會脫落堵塞爐管。爐出口燒焦氣780 ℃，經線性鍋爐回收熱量后一般在400 ℃左右，與高溫爐膛相比溫度偏低。因此燒焦氣返爐膛時需要控制返爐膛速度，及時調整燃氣避免溫度大幅度波動。

措施：氣體爐相對液體爐而言，焦層密實且硬度高，剝落堵塞爐管概率較大，因此返爐膛操作優先選取液體爐進行優化。延長裂解氣大閥關閥過程，通過控制流量逐步把燒焦氣引入爐膛，同時通過關小風門調整燃料氣，盡量減少COT變化。

3 實施過程及效果

3.1 煙氣返爐膛實施過程

在燒焦氣返爐膛實施過程中，暖管過程較為順利，脫液不多且脫液完畢后導淋保持打開狀態，無凝液進入爐膛，期間也未出現爐管超溫情況，裂解爐COT 波動在25 ℃左右，SS 溫度最高控制在500 ℃，總體穩定、風險可控，具體實施步驟如下：

（1）返爐膛前，裂解爐原料吹掃徹底、COT控制在780 ℃左右，切換為熱備模式，確認燒焦大閥后路燒焦氣流程至爐膛暢通。

（2）裂解氣大閥采用機械連桿方式，摸索得出將A/B爐膛裂解氣大閥關至36%時，燒焦小閥才剛開始動作，此時作為一個燒焦氣剛開始返爐膛的節點。

（3）分別將A/B爐膛裂解氣大閥關至30%，風門開度分別關小至30%（起始開度約38%），COT溫度微升10 ℃左右（起始COT約780 ℃），燃料氣用量暫不變，通過調整風機轉速控制負壓，煙氣氧含量波動不大，約13.5%。穩定10分鐘左右，將管線徹底暖透，同時在末端導淋進行排液處理。

（4）分別將A/B爐膛裂解氣大閥關至25%，風門開度分別關小至25%（起始開度約38%），COT溫度開始降低，需增加燃料氣用量約200 kg/h，通過調整風機轉速控制負壓，煙氣氧含量開始降低，約10%。注：此步驟負壓波動相對較大。

（5）分別將A/B爐膛裂解氣大閥關至20%，風門開度分別關小至24%，此時COT溫度、燃料氣用量相對穩定，通過調整風機轉速控制負壓，煙氣氧含量持續降低，約8.5%。

（6）分別將A/B爐膛裂解氣大閥關至10%，風門開度分別關小至21%，此時COT溫度、燃料氣用量相對穩定，通過調整風機轉速控制負壓，煙氣氧含量持續降低，約7.5%。

（7）分別將A/B爐膛裂解氣大閥全關，風門開度分別關小至20%，燃料氣用量微提50 kg/h，此時COT 溫度相對穩定，通過調整風機轉速控制負壓，煙氣氧含量持續降低，約6%。

（8）燒焦大閥打開對爐膛工況影響較小，但燒焦大閥開度開至20%時波動相對較大，需穩定一段時間；后續可按照20%、50%、100%分三步全開AB爐膛燒焦大閥，至此燒焦氣全部返回爐膛。

3.2 燒焦過程

燒焦過程中空氣量逐步增加，由純蒸汽燒焦逐步轉為“蒸汽＋空氣”燒焦，爐膛氧含量逐步由6%左右回升至12%左右。

燒焦過程總體穩定，但在燒焦初期沒有通入空氣前，第二組、第三組COT溫度相對第一組、第四組爐管溫度偏低60 ℃左右，隨著燒焦空氣逐步通入，各組爐管溫差逐步縮小，如圖2 所示。在整體燒焦過程中，為防止空氣燒焦反應劇烈，同時延長了低溫階段COT在780 ℃左右的停留時間，讓爐管內焦炭在返爐膛過程中穩定的逐步去除。

圖2 燒焦期間各組爐管COT變化

3.3 工藝參數對比

燒焦氣返爐膛操作總體較為成功，風險受控，但部分參數與返爐膛前相比偏離較大，詳見表2。從參數上容易發現：

表2 返爐膛前后參數比對

（1）因燒焦氣返回爐膛造成煙氣量增加，導致燃料氣消耗增加450 kg/h，折合燃氣能耗增加約4 kg標油/噸乙烯。

（2）對流段熱量上升較多，排煙溫度上升37 ℃；鍋爐給水預熱溫度上升40 ℃，基本接近飽和態；橫跨段溫度上升140 ℃，達到700 ℃。

（3）風機轉速上升217轉/分，現場運行穩定，余量滿足要求。

（4）為控制對流段熱量上移，風門連桿開度由42%關小至19%，氧含量同步由13.5%下降至6%，現場燃燒穩定，火焰剛性較好。

3.4 對NOX 影響

某企業2#乙烯裂解裝置采用低氮燒嘴＋SCR模塊進行脫硝，裂解爐正常運行工況下，引風機出口煙氣中的NOX（干基）能穩定控制在較低數值。在燒焦氣返爐膛過程中，從數據看NOX呈下降趨勢。選取脫銷模塊前NOX在線表數據，如圖3所示，14:00 燒焦氣返爐膛時脫硝前NOX由70 mg/Nm3下降至30 mg/Nm3，在后續燒焦過程中NOX總體穩定。主要原因：一是由于裂解爐NOX的產生機理基本屬于溫度型，因大量氣體進入對火焰有一定的分散作用，降低了火焰溫度，從而減少了NOX的產生[3-4]；二是由于煙氣流量增加，NOX濃度得到一定稀釋。

圖3 煙氣返爐膛及燒焦期間NOx、氧含量變化趨勢

4 需重點關注問題

4.1 鍋爐給水預熱溫度高

隨著燒焦氣改入爐膛總體煙氣量增加、水蒸氣熱容較高以及燃氣增加等多種因素疊加，造成對流段熱量整體偏多，表現為排煙溫度高、鍋爐水預熱溫度高、橫跨段溫度高。橫跨段溫度因為有減溫蒸汽可以調整，能穩定控制；排煙溫度對熱效率會有影響，當前對風機運行還未造成影響。而鍋爐給水預熱溫度上升近40 ℃，基本達到飽和溫度，存在部分氣化造成兩相流沖刷管道的風險。調整過程中，考慮到裂解爐燒焦狀況下鍋爐水量上水也總體偏少，通過加大排污量、增加上水，鍋爐給水預熱溫度未有明顯變化，現場檢查管線總體情況，基本無振動；咨詢設計院，原設計中鍋爐給水管線按氣化率不超15%設計。還需繼續優化解決鍋爐水預熱溫度高情況。

4.2 熱場分布不均

燒焦氣返爐膛后，A/B 爐膛各四大組進料，爐出口溫度總體呈現中間低、兩邊高的特點，返爐膛后COT 分布詳見圖4。從燒焦氣返回至爐膛各組的配管看，雖然各組爐管都有燒焦氣返回，但因兩邊的爐管離爐壁較近，返回的燒焦氣溫度相對爐膛溫度偏低，會造成中間爐管被冷流直吹，溫度偏低的情況。

圖4 返爐膛后COT分布不均

針對中間兩組與旁邊兩組偏差超過60 ℃的現象，采取調整風門、增點火嘴的方法改善效果不佳。采取緩慢通入空氣，依據比平均溫度高的該組爐管空氣少通入或緩通入，比平均溫度低的對應組的爐管空氣多通入的原則，通過空氣燒焦的反應熱去平衡各組爐管溫度，同時通過通入空氣改進爐膛內氧含量分布，避免有局部缺氧，效果較為明顯。隨著空氣燒焦逐步推進，各組爐管出口溫度COT偏差逐步縮小。

4.3 各組返爐膛管線煙氣易竄

燒焦結束后，發現爐底有部分大組的返爐膛管線溫度較高且最高能達到200 ℃，分析判斷存在個別組煙氣互竄情況，即只要爐底任意兩個管口存在壓力梯度，較高壓側煙氣就會通過燒焦氣管線進入較低壓力側管口，現場配管布局如圖5所示。

圖5 燒焦氣返爐膛配管

裂解爐燒焦結束后，對各組返爐膛管線進行盲板隔離，各組燒焦氣管線溫度恢復至常溫。

5 結語

在日益嚴峻的環保形勢下，燒焦氣返爐膛越來越得到重視。某煉化2#乙烯裂解裝置進行燒焦氣返爐膛通過識別風險、細化操作，實現了安全平穩運行目標，在實施過程中也發現了鍋爐給水預熱溫度高、熱場分布不均、返爐膛管線煙氣互竄問題，并提出了解決思路，為其它煉化企業進行燒焦氣返爐膛提供經驗參考。