大庆乙烯裂解炉热效率分析与优化

大庆乙烯裂解炉热效率分析与优化张昆【摘要】裂解炉热效率是评价裂解炉运行状态的重要参数.本文以大庆石化乙烯装置裂解炉为例,分析影响裂解炉热效率的各种因素，并在实际操作中采取有效的优化措施，提高裂解炉热效率，促进乙烯装置节能降耗.【期刊名称】《江西化工》【年(卷)，期】2015(000)002【总页数】4页(P17-20)【关键词】裂解炉;热效率;过剩空气系数;排烟温度;节能降耗【作者】张昆【作者单位】大庆石化公司化工一厂，黑龙江大庆163714【正文语种】中文乙烯装置是石油化工行业的龙头装置，裂解炉是乙烯装置的核心设备，能耗占到整个乙烯装置的80%左右。裂解炉正常运行过程中，及时调整裂解炉的燃烧状态，提高裂解炉热效率，降低燃料消耗，对整个乙烯装置节能降耗有着举足轻重的作用。大庆石化新建60万吨/年乙烯装置于2012年投产，裂解炉采用SSW公司的超选择性裂解技术(USC)。裂解炉包括五台USC-192U型液相裂解炉，设计乙烯生产能力为13.8万吨/年，一台USC-8M型气相裂解炉设计乙烯生产能力为5万吨/年；2013年新增一台国产化USC-176U型液相裂解炉。其中气相炉裂解原料为精馏系统分离出的循环乙丙烷，进料负荷设计为12.7t/h，设计热效率为93.8%；轻质液相炉可以裂解混合轻烃和石脑油，进料负荷设计为68t/h，设计热效率为95%;重质液相炉可以裂解尾油和石脑油，进料负荷设计为59t/h，设计热效率为93%；国产化裂解炉为轻质液相裂解炉，可以裂解混合轻烃和石脑油，进料负荷设计为59t/h，设计热效率为94%。裂解炉设计全部为底部燃料火嘴。在实际运行中，气相炉热效率只能达到92-93%，轻质液相炉93-93.5%，重质液相炉91-92%，国产炉可以达到94%。本文统计了2013年6月到2014年12月各台裂解炉对应的热效率数据。除国产炉（7#炉）外，其他裂解炉与设计热效率值对比，均存在较大差距，增加了装置能耗；同时，随着裂解炉炉管在线时间的增加，裂解炉炉管表面结焦、对流段积灰等问题导致裂解炉热效率随之下降。裂解炉热效率是衡量裂解炉体系热量利用有效程度的一个重要指标。它等于有效热量除以供给热量的百分数。在进行热效率计算时，一般通过反平衡法，先计算损失热量占总热量的百分数，由此反推出有效利用热量占总热量的百分数。依照中国石油天然气股份有限公司企业标准《Q/Y50-2002石油化工工艺加热炉节能监测方法》，热效率n用下列公式表示[1]:n—热效率，%；q1——排烟损失热量占供给能量的百分数，%；q2——不完全燃烧损失热量占供给能量的百分数，%；q3——表面散热损失热量热量占供给能量的百分数，%；a——干烟气过剩空气系数；tg——排烟温度，°C；ta外供热源预热空气时，热空气的温度，C；2——氧含量，%；W——雾化蒸汽用量，kg/kg燃料，烧气时为0；通过对裂解炉热效率公式的分解，结合裂解炉运行状态，裂解炉损失热量分为三部分：排烟损失、不完全燃烧损失和表面散热损失。当裂解炉热效率达到90%时，排烟损失占到总损失的70-80%。而排烟损失热量，主要受到烟气氧含量和排烟温度参数影响。不完全燃烧损失热量，主要受到烟气氧含量、一氧化碳含量、空气预热温度等影响，但由于此公式中一氧化碳含量为ppm级别，含量变化100ppm,热效率仅变化0.04%，这不是影响裂解炉热效率的主要因素。表面散热损失热量，主要受到裂解炉密闭性影响，根据经验参数在热效率计算时设定为2%。因此，影响裂解炉热效率的主要因素为烟气氧含量和排烟温度。2.2.1过剩空气系数过剩空气系数是实际所需空气量与理论空气量比值，通过氧含量计算得到。在相同排烟温度下，氧含量每升高1%，对应过剩空气系数提高0.06；过剩空气系数每升高0.1，热效率相应下降0.3-0.4%。氧含量过高，过剩空气系数过高，烟气带走大量的热量，造成热效率下降；氧含量过低，燃料气不能完全燃烧，造成了燃料浪费。2.2.2排烟温度排烟温度指裂解炉的烟气离开对流段最上排的管排(一般为原料预热段)时的温度。随着排烟温度的降低，裂解炉的热效率逐渐提高。但排烟温度过低，则可能造成低温露点腐蚀，使对流段的某些换热排管受到损害。2.2.3其他因素(1)火嘴燃烧状态和空气预热器换热效果。在裂解炉运行过程中，燃料气来源为装置自产甲烷氢和外引天然气或者碳四组分。自产的甲烷氢容易携带干燥器再生产生的绿油进入燃料气系统，同时碳四作为燃料常，火焰冒烟，在对流段翅片管上积灰，造成传热系数下降，排烟温度升高。由于大庆时，容易在火嘴头处堵塞或者结焦而燃烧异乙烯对流段没有设计吹灰器，翅片管积灰在一定程度上降低了裂解炉热效率。因此，考虑利用裂解炉下线的机会，对对流段进行化学清理。(2)裂解炉密闭性。裂解炉在长期的运行过程中，会出现观火孔模块损坏、耐火衬里缝隙过大或者脱落现象，造成裂解炉局部透风或者过热，表面散热损失随之增加。3.1.1控制过剩空气系数大庆乙烯裂解炉设计氧含量为2.1%，设计过剩空气系数为10%，在辐射段拱顶安装有氧化锆烟气氧含量分析仪，作为燃烧状态的参考。日常加强此分析仪表的维护，正确指导炉膛负压和底部风门开度的调整，将过剩空气系数控制在合理范围内。通过两年多的运行经验，摸索出一组裂解炉风门开度与原料类型、负荷的对应关系，先关小底部风门开度，再微调炉膛负压到-20PaG左右，将轻质液相炉氧含量控制在2-3%，重质液相炉和气相炉控制在3-4%。3.1.2降低排烟温度排烟温度的高低取决于裂解炉设计水平、原料类型和对流段积灰程度。在运行过程中，可以通过适当降低原料和超高压锅炉给水预热温度，增加对流段盘管换热，降低排烟温度。大庆乙烯设计原料预热温度循环乙丙烷为50°C，混合轻烃为65°C,石脑油为80C，尾油为110C。在确保急冷水、中油正常取热的前提下，将混合轻烃预热温度降至40C，石脑油预热温度降至50C，尾油预热温度降至70C。在确保横跨段温度的前提下，可以进一步降低原料预热温度，增加烃预热盘管取热。同时，大庆乙烯装置设计有除氧器，可以适当降低超高压锅炉给水温度到90C,增加锅炉给水省煤器取热，降低排烟温度。经过优化后，大庆乙烯混合轻烃炉排烟温度控制在90-105C，石脑油炉110-125C，尾油炉130-150C，气相炉125-140C。通过对比发现，同种原料相同负荷下，国产化轻质裂解炉比SSW轻质裂解炉排烟温度要低5°c,主要区别在于对流段设计为两段烃预热盘管、一段锅炉给水省煤器，而SSW为两段锅炉给水省煤器、一段烃预热盘管，对流段设计更为合理，取热更为充分。因此可以考虑对SSW裂解炉对流段进行改造，降低排烟温度。3.2.1加强裂解炉火嘴维护大庆乙烯装置成立了裂解炉特护小组，每天对裂解炉运行状态进行检查，及时调整底部风门开度，发现堵塞火嘴在线清理，保证裂解炉处于良好的燃烧状态。裂解炉运行期间，定期对燃料气罐和燃料气管网端头进行排放；在裂解炉下线期间，利用低压蒸汽对燃料气管线进行吹扫，防止绿油在燃料气系统内积累，造成燃料气不完全燃烧，增加不完全燃烧损失。3.2.1加强空气预热器维护大庆乙烯裂解炉配有空气预热器，在运行中，翅片管容易积灰，同时冬季温度低翅片管容易挂霜，造成进风量低、换热效果差等问题。定期对空气预热器翅片管进行清理，防止因裂解炉进风量少或者空气预热温度低造成燃料气不完全燃烧，造成热量损失。裂解炉特护小组每周对裂解炉外墙和顶温度进行测量，发现过热点利用裂解炉下线机会处理。大庆乙烯裂解炉设计辐射段和对流段外墙温度不能超过82C,辐射段底部不超过91C，表面散热损失热量为1%。运行中，辐射段外墙温度一般为50-80C，密闭性能较好，可以满足表面散热损失要求。设备人员在裂解炉下线期间，对辐射段炉膛耐火衬里、横跨段拐角模块进行检查，发现存在较大缝隙，及时进行修复，同时对损坏的观火孔模块进行修复，保证了裂解炉的密闭性，防止裂解炉局部过热造成透火。通过一年半的时间，2015年至今液相炉平均热效率为93%。虽然热效率较裂解炉运行初期有所下降，但相应能耗大幅降低。2013年装置燃料气能耗均值为550.8千克标油/吨，2014年全年为501.7千克标油/吨，同比下49.1千克标油/吨。通过对裂解炉热效率影响因素的分析，控制过剩空气系数，降低排烟温度，加强裂解炉日常维护与管理，保证裂解炉密闭性，有利于提高裂解炉热效率，降低装置能耗。［1］王松汉.乙烯装置技术与运行［M］.北京.中