论文部分内容阅读
摘要：对乙烯装置裂解炉节能降耗的各种措施进行分析，并提出裂解炉优化操作建议和节能技术改造方案，为裂解炉优化操作、技术改造提供了可参考的意见。
乙烯装置能耗占石油化学工业总能耗的三分之一以上，是化学工业之中能耗最大的装置，裂解炉为乙烯装置的核心，是乙烯装置的能耗大户，其能耗占装置总能耗的50%以上，因此降低裂解炉的能耗是降低乙烯装置能耗的重要途径之一。随着能源价格的不断上涨，化工产品市场激烈的竞争，为了降低装置能耗，降低产品成本，国内外相关机构和部门均加强了裂解炉节能措施的研究。裂解炉的能耗在很大程度上取决于裂解炉系统本身的技术和操作水平，裂解原料优劣和原料优化开展情况对裂解炉能耗也有很大的影响。通过选择优质裂解原料和原料优化、优化裂解炉烧焦控制方案、高裂解炉热效率、实施新型节能技术和对裂解炉进行改造等措施可使裂解炉能耗显著下降。
一、选择优质裂解原料和原料优化
乙烯成本中裂解原料费用所占比例很大，乙烯装置原料费用占总成本的70%～75%。搞好乙烯原料的优化和平衡，是降低乙烯生产成本、提高竞争力的重要措施。同时，乙烯原料的优化对降低乙烯后续石化产品的生产成本同样也具有重要意义。
1.发挥炼油化工一体化优势，优化乙烯原料
优化裂解原料要从生产源头抓起，优化炼油加工方案，增加正构烷烃含量高的石脑油的供应。
炼油装置的功能要从提供燃料用油为主转变为提供燃料用油和化工原料相结合，选择原油品种要充分考虑石脑油的收率和品质，并要尽量做到相同品质的原油分储、分输、分炼。
2.选择优质的裂解原料
在相同工艺技术水平的前提下，乙烯收率主要取决于裂解原料的性质，不同裂解原料，其综合能耗相差较大。裂解原料的选择在很大程度上决定乙烯生产的能耗水平。通过适当调整裂解原料配置结构，优化炼油加工方案，增加优质乙烯原料如正构烷烃含量高的丙烷、轻烃、轻石脑油、拔头油等供应，改善原料结构和整体品质，在提高乙烯收率的同时，达到节能降耗的目标。
3.优化工艺操作条件
通过优化裂解炉工艺操作条件，不仅能使原料消耗大幅度降低，也能够使乙烯生产能耗明显下降。不同的裂解原料对应于不同的炉型具有不同的最佳土艺操作条件。对于一定性质的裂解原料与特定的炉型来说，在满足目标运转周期和产品收率的前提下，都有其最适宜的裂解温度、进料量与汽烃比。如果裂解原料性质与原设计差别不大，裂解炉最优化的工艺操作条件可以参照设计值。充分利用流程模拟和蒸汽裂解模拟评价实验装置等生产优化工具来预知裂解原料的裂解效果，对裂解温度、裂解收率做到提前预知，在裂解温度的控制上要做到窄范围稳定控制。
4.在条件允许的情况下，坚持裂解原料的轻质化、优质化，要积极拓宽乙烯原料的来源，充分利用超轻质油、拔头油、丙烷、轻烃、凝析油等资源。
二、优化烧焦控制方案
裂解炉烧焦操作是完全耗能工况，在烧焦过程中需要消耗大量的稀释蒸汽、工业风、燃料气等能源，因此通过合理控制裂解炉，减少裂解炉烧焦次数；优化裂解炉烧焦方案，缩短裂解炉烧焦时间，可以节省裂解炉烧焦过程中的能量消耗，达到降低装置能耗的目的。
1.控制合理的裂解深度和稀释比，减少裂解炉烧焦次数
长时间在末期状态下运行对烯烃收率、燃料消耗、材料寿命等不利，长时间在末期状态下运行，炉管及急冷锅炉内的焦垢更加质密，不容易烧掉，有的几乎烧不掉，裂解炉在运行过程中，过高的裂解深度不但会导致主要产品及副产品的产量和收率下降，而且还会导致裂解炉炉管结焦速度加快，缩短裂解炉的运行周期，增加裂解炉烧焦次数。
2.优化裂解炉烧焦方案，缩短裂解炉烧焦时间
正常裂解炉烧焦操作需要48-72小时，通过提高烧焦过程中的空气配比量，提高裂解炉的烧焦温度，可将裂解炉的烧焦时间缩短至24小时。
三、提高裂解炉热效率
1.降低排烟温度
在其他条件不变的前提下，裂解炉热效率与排烟温度直接相关。1975年前裂解炉设计排烟温度为190-240℃，相应热效率为87%-90%。20世纪70年代末期，裂解炉排烟温度降至120-140℃，相应热效率提高到92%-93%。近年来，新设计的裂解炉进一步将排烟温度降至100-120℃，相应热效率提高到93%-94%。但是，如果排烟温度低于烟气中酸性气体露点温度，将出现对流段炉管腐蚀的问题。因此，在降低排烟温度的同时，必须考虑烟气中酸性气体露点温度，此温度取决于燃料中的硫含量。为防止对流段发生腐蚀，需提高对流段炉管材质等级，或者需要对燃料的含硫量严格限制。通常，降低排烟温度主要措施有改进对流段设计，包括增大传热面积、增加对流段管束、缩短对流段炉管与炉墙距离等；其次定期吹扫对流段炉管表面积灰；另外降低过剩空气系数也很重要。
2.控制过剩空气系数
为保证燃料完全燃烧，需保持一定的过剩空气。过剩空气量与理论空气量之比称为过剩空气系数。增大过剩空气可以保证燃料的完全燃烧，但在相同排烟温度下，排烟热损失加大，裂解炉热效率相应降低。因此，在保证燃料完全燃烧的前提下，降低过剩空气系数也是提高裂解炉热效率的措施之一。一般情况下，燃料气烧嘴的过剩空气系数为10%，油烧嘴的过剩空气系数为20%，油气联合烧嘴的过剩空气系数为15%，实际操作往往偏高。通常，当过剩空气系数下降10%时，裂解炉热效率可相应提高2%。
3.加强绝热保温
一般裂解炉设计中，炉墙外壁温度应控制在70℃以下。在此情况下，根据环境温度和风力的不同，炉体热损失为总供热负荷的2.5%-4.0%。近年来，为减少炉体热损失，对保温材料及保温设计进行了改进，如选用优质的保温材料，增加保温层厚度。
四、实施新型节能技术
1.风机变频技术
由于裂解炉为负压操作，通常在炉顶设1台风机抽风，并由烟道挡板控制炉膛负压，风机由电机驱动，电机功率随着裂解炉产能增大而增大。一般6万吨/年裂解炉电机功率为132 kW，10万吨/年裂解炉电机功率为160kW。由于这种大功率电机启动电流很大，很容易发生过载。因此，一般需要采用6 kV高压电机。目前国内外很多裂解装置采用变频电机替代普通电机，并取消了烟道挡板，由电机转速直接来控制炉膛负压。变频电机不仅启动电流低，而且正常运转时比普通电机节电30%-40%，并且可以采用380V低压电机。
2.燃烧空气预热技术
利用乙烯装置废热源来预热燃烧空气可以减少燃料用量，减少的燃料用量大致相当于预热空气的热负荷。因此，预热炉用空气是提高炉效率，降低乙烯能耗的有效措施之一。空气预热最常用的方式是利用烟道气排烟余热进行空气预热，最近也有利用低压蒸汽、中压蒸汽凝液或急冷水等介质来预热空气，节能效果显著。
3.炉管强化传热技术
开发裂解炉管的强化传热技术具有重要的意义。首先，可以使炉管的传热得到加强，从而提高传热效率，节省燃料消耗；其次，强化传热后裂解炉管内的动状态得到改善，从而使裂解过程目的产物的选择性有所提高；另外，由于传热改善，炉管的管壁温度有所降低，有利于延长裂解炉运转周期。
4.裂解炉与燃气轮机联合技术
近年来，为进一步降低乙烯生产的能耗，国外有很多乙烯装置采用裂解炉与燃气轮机联合的节能技术，节能效果十分显著。采用裂解炉与燃气轮机联合的方案是，燃料气先进入燃气轮机发电，产生450-550℃高温燃气，再送人裂解炉作为助燃空气。由于燃气轮机燃烧室中燃料燃烧所用的过剩空气系数一般为3-4，因此，燃气轮机排出的高温燃气中含有体积分数13%-15%的氧。将这些高温富氧燃气作为裂解炉的助燃空气，实际上燃气轮机起到了具有做功能力的空气预热器的作用，并且燃气轮机排气的能量得到了充分的利用，从而使裂解炉的燃料消耗大幅度下降。就整个联合系统而言，总的燃料使用率在80%以上，并使裂解炉有效能利用率提高10%。
五、实施裂解炉节能技术改造
1.将裂解炉改造为新型炉或对辐射段炉管进行改造
新型裂解炉均采用高温-短停留时间与低烃分压的设计。20世纪70年代设计的裂解炉，炉管大多为4管程设计，大多数裂解炉的停留时间在0.4s左右，相应轻烃裂解温度控制在845-855℃，石脑油裂解温度控制在820-840℃，加氢尾油裂解温度控制在790-820℃。近年来，新型裂解炉的停留时间a缩短到0.2s左右，并且出现低于0.1s的毫秒裂解技术，由于停留时间大幅度缩短，裂解温度提高，裂解产品的乙烯收率大幅度提高。对相同的裂解原料而言，在相同工艺设计的装置中，乙烯收率提高1%，则乙烯生产能耗大约相应降低1%。因此，改善裂解选择性，提高乙烯收率是决定乙烯装置能耗的最基本因素。通过裂解选择性的改善，不仅达到节能的效果，而且相应减少裂解原料消耗，在降低生产成本方面起到十分明显的作用。
2.对裂解炉对流段进行改造
在对流段的顶部或原料预热模块，可降低排烟温度，同时可以使物料的横跨温度升高，是辐射炉管的热强度降低。利用对流段的原设计时预留的管排空位，增加增加蒸汽过热模块换，取消蒸汽过热炉。20世纪70年代初期的乙烯装置设计，均设有蒸汽过热炉，集中过热各台裂解炉回收的超高压蒸汽。此后，新装置的设计均取消了蒸汽过热炉，回收的超高压蒸汽在裂解炉对流段进行过热。由此，不仅节省了蒸汽过热炉的投资，同时也降低了燃料的消耗量，并且充分利用了烟气的余热，使裂解炉热效率明显提高，有助于降低乙烯能耗。
参考文献
[1]钱伯章.中国乙烯工业市场和原料分析.中外能源.2011（6）.
[2]胡天生.提高乙烯裂解炉热效率的措施.乙烯工业年会增刊
[3]张磊.裂解炉技术改造与节能.乙烯工业.2009，21（1）
乙烯装置能耗占石油化学工业总能耗的三分之一以上，是化学工业之中能耗最大的装置，裂解炉为乙烯装置的核心，是乙烯装置的能耗大户，其能耗占装置总能耗的50%以上，因此降低裂解炉的能耗是降低乙烯装置能耗的重要途径之一。随着能源价格的不断上涨，化工产品市场激烈的竞争，为了降低装置能耗，降低产品成本，国内外相关机构和部门均加强了裂解炉节能措施的研究。裂解炉的能耗在很大程度上取决于裂解炉系统本身的技术和操作水平，裂解原料优劣和原料优化开展情况对裂解炉能耗也有很大的影响。通过选择优质裂解原料和原料优化、优化裂解炉烧焦控制方案、高裂解炉热效率、实施新型节能技术和对裂解炉进行改造等措施可使裂解炉能耗显著下降。
一、选择优质裂解原料和原料优化
乙烯成本中裂解原料费用所占比例很大，乙烯装置原料费用占总成本的70%～75%。搞好乙烯原料的优化和平衡，是降低乙烯生产成本、提高竞争力的重要措施。同时，乙烯原料的优化对降低乙烯后续石化产品的生产成本同样也具有重要意义。
1.发挥炼油化工一体化优势，优化乙烯原料
优化裂解原料要从生产源头抓起，优化炼油加工方案，增加正构烷烃含量高的石脑油的供应。
炼油装置的功能要从提供燃料用油为主转变为提供燃料用油和化工原料相结合，选择原油品种要充分考虑石脑油的收率和品质，并要尽量做到相同品质的原油分储、分输、分炼。
2.选择优质的裂解原料
在相同工艺技术水平的前提下，乙烯收率主要取决于裂解原料的性质，不同裂解原料，其综合能耗相差较大。裂解原料的选择在很大程度上决定乙烯生产的能耗水平。通过适当调整裂解原料配置结构，优化炼油加工方案，增加优质乙烯原料如正构烷烃含量高的丙烷、轻烃、轻石脑油、拔头油等供应，改善原料结构和整体品质，在提高乙烯收率的同时，达到节能降耗的目标。
3.优化工艺操作条件
通过优化裂解炉工艺操作条件，不仅能使原料消耗大幅度降低，也能够使乙烯生产能耗明显下降。不同的裂解原料对应于不同的炉型具有不同的最佳土艺操作条件。对于一定性质的裂解原料与特定的炉型来说，在满足目标运转周期和产品收率的前提下，都有其最适宜的裂解温度、进料量与汽烃比。如果裂解原料性质与原设计差别不大，裂解炉最优化的工艺操作条件可以参照设计值。充分利用流程模拟和蒸汽裂解模拟评价实验装置等生产优化工具来预知裂解原料的裂解效果，对裂解温度、裂解收率做到提前预知，在裂解温度的控制上要做到窄范围稳定控制。
4.在条件允许的情况下，坚持裂解原料的轻质化、优质化，要积极拓宽乙烯原料的来源，充分利用超轻质油、拔头油、丙烷、轻烃、凝析油等资源。
二、优化烧焦控制方案
裂解炉烧焦操作是完全耗能工况，在烧焦过程中需要消耗大量的稀释蒸汽、工业风、燃料气等能源，因此通过合理控制裂解炉，减少裂解炉烧焦次数；优化裂解炉烧焦方案，缩短裂解炉烧焦时间，可以节省裂解炉烧焦过程中的能量消耗，达到降低装置能耗的目的。
1.控制合理的裂解深度和稀释比，减少裂解炉烧焦次数
长时间在末期状态下运行对烯烃收率、燃料消耗、材料寿命等不利，长时间在末期状态下运行，炉管及急冷锅炉内的焦垢更加质密，不容易烧掉，有的几乎烧不掉，裂解炉在运行过程中，过高的裂解深度不但会导致主要产品及副产品的产量和收率下降，而且还会导致裂解炉炉管结焦速度加快，缩短裂解炉的运行周期，增加裂解炉烧焦次数。
2.优化裂解炉烧焦方案，缩短裂解炉烧焦时间
正常裂解炉烧焦操作需要48-72小时，通过提高烧焦过程中的空气配比量，提高裂解炉的烧焦温度，可将裂解炉的烧焦时间缩短至24小时。
三、提高裂解炉热效率
1.降低排烟温度
在其他条件不变的前提下，裂解炉热效率与排烟温度直接相关。1975年前裂解炉设计排烟温度为190-240℃，相应热效率为87%-90%。20世纪70年代末期，裂解炉排烟温度降至120-140℃，相应热效率提高到92%-93%。近年来，新设计的裂解炉进一步将排烟温度降至100-120℃，相应热效率提高到93%-94%。但是，如果排烟温度低于烟气中酸性气体露点温度，将出现对流段炉管腐蚀的问题。因此，在降低排烟温度的同时，必须考虑烟气中酸性气体露点温度，此温度取决于燃料中的硫含量。为防止对流段发生腐蚀，需提高对流段炉管材质等级，或者需要对燃料的含硫量严格限制。通常，降低排烟温度主要措施有改进对流段设计，包括增大传热面积、增加对流段管束、缩短对流段炉管与炉墙距离等；其次定期吹扫对流段炉管表面积灰；另外降低过剩空气系数也很重要。
2.控制过剩空气系数
为保证燃料完全燃烧，需保持一定的过剩空气。过剩空气量与理论空气量之比称为过剩空气系数。增大过剩空气可以保证燃料的完全燃烧，但在相同排烟温度下，排烟热损失加大，裂解炉热效率相应降低。因此，在保证燃料完全燃烧的前提下，降低过剩空气系数也是提高裂解炉热效率的措施之一。一般情况下，燃料气烧嘴的过剩空气系数为10%，油烧嘴的过剩空气系数为20%，油气联合烧嘴的过剩空气系数为15%，实际操作往往偏高。通常，当过剩空气系数下降10%时，裂解炉热效率可相应提高2%。
3.加强绝热保温
一般裂解炉设计中，炉墙外壁温度应控制在70℃以下。在此情况下，根据环境温度和风力的不同，炉体热损失为总供热负荷的2.5%-4.0%。近年来，为减少炉体热损失，对保温材料及保温设计进行了改进，如选用优质的保温材料，增加保温层厚度。
四、实施新型节能技术
1.风机变频技术
由于裂解炉为负压操作，通常在炉顶设1台风机抽风，并由烟道挡板控制炉膛负压，风机由电机驱动，电机功率随着裂解炉产能增大而增大。一般6万吨/年裂解炉电机功率为132 kW，10万吨/年裂解炉电机功率为160kW。由于这种大功率电机启动电流很大，很容易发生过载。因此，一般需要采用6 kV高压电机。目前国内外很多裂解装置采用变频电机替代普通电机，并取消了烟道挡板，由电机转速直接来控制炉膛负压。变频电机不仅启动电流低，而且正常运转时比普通电机节电30%-40%，并且可以采用380V低压电机。
2.燃烧空气预热技术
利用乙烯装置废热源来预热燃烧空气可以减少燃料用量，减少的燃料用量大致相当于预热空气的热负荷。因此，预热炉用空气是提高炉效率，降低乙烯能耗的有效措施之一。空气预热最常用的方式是利用烟道气排烟余热进行空气预热，最近也有利用低压蒸汽、中压蒸汽凝液或急冷水等介质来预热空气，节能效果显著。
3.炉管强化传热技术
开发裂解炉管的强化传热技术具有重要的意义。首先，可以使炉管的传热得到加强，从而提高传热效率，节省燃料消耗；其次，强化传热后裂解炉管内的动状态得到改善，从而使裂解过程目的产物的选择性有所提高；另外，由于传热改善，炉管的管壁温度有所降低，有利于延长裂解炉运转周期。
4.裂解炉与燃气轮机联合技术
近年来，为进一步降低乙烯生产的能耗，国外有很多乙烯装置采用裂解炉与燃气轮机联合的节能技术，节能效果十分显著。采用裂解炉与燃气轮机联合的方案是，燃料气先进入燃气轮机发电，产生450-550℃高温燃气，再送人裂解炉作为助燃空气。由于燃气轮机燃烧室中燃料燃烧所用的过剩空气系数一般为3-4，因此，燃气轮机排出的高温燃气中含有体积分数13%-15%的氧。将这些高温富氧燃气作为裂解炉的助燃空气，实际上燃气轮机起到了具有做功能力的空气预热器的作用，并且燃气轮机排气的能量得到了充分的利用，从而使裂解炉的燃料消耗大幅度下降。就整个联合系统而言，总的燃料使用率在80%以上，并使裂解炉有效能利用率提高10%。
五、实施裂解炉节能技术改造
1.将裂解炉改造为新型炉或对辐射段炉管进行改造
新型裂解炉均采用高温-短停留时间与低烃分压的设计。20世纪70年代设计的裂解炉，炉管大多为4管程设计，大多数裂解炉的停留时间在0.4s左右，相应轻烃裂解温度控制在845-855℃，石脑油裂解温度控制在820-840℃，加氢尾油裂解温度控制在790-820℃。近年来，新型裂解炉的停留时间a缩短到0.2s左右，并且出现低于0.1s的毫秒裂解技术，由于停留时间大幅度缩短，裂解温度提高，裂解产品的乙烯收率大幅度提高。对相同的裂解原料而言，在相同工艺设计的装置中，乙烯收率提高1%，则乙烯生产能耗大约相应降低1%。因此，改善裂解选择性，提高乙烯收率是决定乙烯装置能耗的最基本因素。通过裂解选择性的改善，不仅达到节能的效果，而且相应减少裂解原料消耗，在降低生产成本方面起到十分明显的作用。
2.对裂解炉对流段进行改造
在对流段的顶部或原料预热模块，可降低排烟温度，同时可以使物料的横跨温度升高，是辐射炉管的热强度降低。利用对流段的原设计时预留的管排空位，增加增加蒸汽过热模块换，取消蒸汽过热炉。20世纪70年代初期的乙烯装置设计，均设有蒸汽过热炉，集中过热各台裂解炉回收的超高压蒸汽。此后，新装置的设计均取消了蒸汽过热炉，回收的超高压蒸汽在裂解炉对流段进行过热。由此，不仅节省了蒸汽过热炉的投资，同时也降低了燃料的消耗量，并且充分利用了烟气的余热，使裂解炉热效率明显提高，有助于降低乙烯能耗。
参考文献
[1]钱伯章.中国乙烯工业市场和原料分析.中外能源.2011（6）.
[2]胡天生.提高乙烯裂解炉热效率的措施.乙烯工业年会增刊
[3]张磊.裂解炉技术改造与节能.乙烯工业.2009，21（1）