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1、乙烯裂解炉节能措施与运行管理节能石油化工没备技术,2O11.32(4)?62?PetroChemicalEquiprnenlIcchnology乙烯裂解炉节能措施与运行管理徐跃华(中国石油化工股份有限公司化工事业部,北京100728)摘要:对乙烯裂解炉的节能措施进行了介绍,着重介绍了实现裂解炉节能与运行管理之间的关系,并提出了节能的方向以及在样板炉的实施.关键词:裂解炉节能运行管理随着我国国民经济的快速发展,我国的能源消耗量也随之提高,相应的温室气体排放量也逐渐增加,能源问题已经成为制约我国国民经济进一步发展的瓶颈,节能减排也已经成为各企业发展的自主需求.同时国际价势的发展对我国节能减排的压力
2、也越来越大,随着京都议定书的签订以及哥本哈根会议上我国政府的承诺,我国提出在十二五末期要达到新增单位国民生产总值能耗下降20的目标,这就对节能减排提出了更高的要求.目前,石化工业仍是我国国民经济发展的支柱之一,在经济发展中所占比例也相当高,工业节能水平的提高对我国实现节能减排目标有着举足轻重的影响.乙烯工业作为石油化工企业的核心装置,不仅提供了大量的基础原料,而且是化工产业的能耗大户,因此,乙烯装置节能水平的提高,对实现国家节能减排目标意义重大.乙烯作为石油化工工业的重要基础原料,其生产能力是衡量一个国家化工生产能力的重要标志.乙烯装置是石油化工的龙头,而乙烯裂解炉是乙烯装置的龙头,关键和核心
3、工艺专利设备.乙烯装置的能耗占石化工业总能耗的三分之一以上,是化学工业中能耗最大的装置】.在乙烯装置中,裂解炉能耗约占装置总能耗的5O60.降低裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径之一.燃料消耗占整个乙烯装置能耗的8O以上,因此围绕乙烯裂解炉的节能是降低碳排放的关键,降低燃料消耗和回收热量是降低能耗的有力手段.因此各国都在采取各种措施来降低燃料消耗,降低裂解炉排烟温度和散热损失.总体趋势是在裂解石脑油原料时热效率达到94以上,国外最先进水平是热效率达到95,裂解炉散热损失达到l1.5左右,裂解炉运仃周期要达到60天以上.随着能源价格的断f涨,国内外均加强了裂解炉节能措施的研究.裂解炉的能耗
4、在很大程度上取决于裂解炉系统本身的设计,材料性能和操作水平.近年来,乙烯裂解技术的发展主要围绕提高裂解选择性,降低原料消耗,降低能耗,降低污染物排放,大型化,低投资等.通过改善裂解选择性,提高裂解炉热效率,改善高温裂解气热量回收,延长运转周期和实施新型节能技术等措施,可使裂解炉能耗显着F降.2005年9月初至10月底总部组织对集团公司所属9家乙烯生产企业开展了题渊研和技术服务二L作.调研情况简述如F:实际操作排烟温度一般在12o】5o(之问,普遍高于设计值.SRT1I炉和GK一型炉排烟温度较高,在l60C以.炉外壁温度最低为5lC,最高为18C,除新建裂解炉炉外壁温度平均较低外,其他裂解炉炉外
5、壁温度高于80C的点比例趟过5O.除中国石化的北方炉(CBI炉)之外,l其他专利商的裂解炉实际运行周期普遍低于设汁周期,如以石脑油为原料的裂解炉,运行剧期?般在4555天;以加氢尾油为原料的裂解炉,运行胤期一般在4O5O天;以柴油为原料的裂解炉.运周期一般在4045天.截至20l0年底,中国化拥有14家乙烯生产企业(包括上海赛科等_家收稿日期:2011_()607.作者简介:徐跃华(1961),男.1982年,莉京化【+院有机化_1专业.多年从事乙烯等f油化I:装置的q-产和管理二r作.王见为化二事,Ik部副_丰侄,高级1程帅Email:xuyhsinopec.cont第32卷第4期徐跃华.乙
6、烯裂解炉节能措施与运行管理合资企业),共18套乙烯装置,总的乙烯生产能力达到9475kt/al2.中国石化共计有裂解炉159台,裂解炉的最大能力达到150kt/a.2010年,中国石化乙烯燃动能耗(标油)为609.28kg/t,创历史最好水平,其中能耗最低的是茂名乙烯为559.11kg/t.国外以石脑油为原料的乙烯装置的能耗大约为500550kg标油/t,国内乙烯装置的能耗与国外相比仍有较大的差距.鉴于在乙烯装置中,裂解炉能耗约占乙烯装置总能耗的5O60,因此对裂解炉实施节能和加强管理对乙烯装置节能意义重大.1裂解炉节能措施简述文献3和文献4对裂解炉的节能措施进行了介绍,主要有以下几项:(1)
7、提高裂解选择性;(2)提高裂解炉的热效率(充分回收烟气余热);(3)高温裂解气余热回收;(4)延长裂解炉运行周期;(5)裂解炉与燃气轮机联合.裂解炉与燃气轮机联合是节能效果最好途径,在总发电量相同时,裂解炉与燃气轮机联合系统比常规系统的总燃料t肖耗可节省约13.但是它们的应用条件要求比较苛刻,要有稳定的甲烷氢做燃料和燃气轮机要能保证长周期运行,这对于我们国家来说,是很难保证的,因此本文将不做详细介绍和讨论.但是其减少燃料消耗的目标可以用其他方法来代替,如通过预热空气来降低燃料的消耗.关于提高裂解选择性,目前主要方法是采用高选择性炉管,如两程或单程炉管.关于提高裂解炉的热效率,主要采取以下措施:
8、降低烟气排烟温度,提高保温隔热效果以降低散热损失,降低空气过剩系数.关于充分回收高温裂解气余热,采取的主要措施为:通过降低急冷锅炉出口裂解气温度来增加超高压蒸汽的产量.关于延长裂解炉运行周期,主要措施是:优化裂解炉的设计,优化原料与工艺条件,抑制结焦和提高烧焦效果.以上介绍的节能措施,可以概括为两大类:通过设计来实现和通过运行来实现.通过设计来实现节能的分两种情况:对于老裂解炉需要进行技术改造来实现节能;对于新裂解炉则在一开始就将与设计有关的措施尽量采用,同时留有操作上可以进一步实现节能的调节手段.除了以上措施外,还有很重要的一点,就是裂解炉的Et常运行管理和设备维护与更新的管理.2新技术的应
9、用(1)扭曲片管的应用目前,扭曲片技术的应用比较普遍.应用扭曲片技术对降低炉管壁温,延长运行周期是有效的.炉管上安装了扭曲片管(见图1),液体在通过与炉管等宽的扭曲片管时,从原来的活塞流旋转起来(见图2),流体的周向流速大大增加,这将对管壁形成强烈的冲刷作用,使热阻大的边界层厚度大大减薄,增大炉管的总传热系数,从而降低了炉管管壁的温度,这样炉管管壁上的结焦也随着壁温的下降而下降,这也将进一步提高炉管的总传热系数.此外,还使焦不易在管壁上附着.图l扭曲片管结构图2管内流体流动情况在天津,镇海1000kt/a乙烯装置的所有裂解炉以及茂名样板炉改造中,安装了扭曲片管后,运行周期均达到100天以上,使
10、用效果非常明显.对于生产企业,在新建及改造裂解炉或炉管更新时,扭曲片管的采用有以下几种方式:石油化工设备技术采用扭曲片管要结合炉管改造,扩能来进行;要与开发单位沟通协调,科学地确定扭曲片管的安装数量,位置以及几何参数,确保达到最佳使用效果.(2)空气预热技术的应用为保证燃料燃烧所需要的氧气,就需要一定的空气,而空气的量则远大于燃料的量(约为燃料气量的19倍).因此预热空气可以减少将环境温度的冷空气加热到炉膛温度所需的部分能量,达到节约燃料的目的.用于预热空气的热源一般都是厂区内没有其他用途的载热介质,可以是急冷水,放空的低压蒸汽或蒸汽凝液等.这样既可以充分利用这些余热,节省燃料消耗,还可以减少
11、冷却这些余热所需的能耗.采用空气预热器,根据空气预热后温度的高低,燃料气的消耗可降低35%,经济效益非常明显,投资也可在短期内收回.但助燃空气预热后,加快了燃料气的燃烧速率,使炉内温度场发生变化,应注意控制空气预热后的温度以不高于9O为宜.图3为CFD分析的炉膛温度分布,可以看出空气预热后炉膛高温区下移.TemperaturePle3)700e+003350e+003OOOe+003500e+002000e+O02i47Jl1空气预热器图3沿炉膛宽度方向截面温度分布(3)引风机变频调速技术的应用在一般的风机设计中,为了确保风机在各种工况下均能满足要求,往往留有一定的设计余量,因此风机在正常生产
12、过程中并非处于满负荷状态.根据各企业的使用情况,在正常生产中,风机的实际负荷仅为满负荷的70左右,有的甚至更低.因此,采用变频调速风机,不设置挡板,或即使设有挡板,但在正常运行过程中,挡板始终处于全开状态,没有给风机增加额外的阻力降,与使用挡板控制炉膛负压相比,可以显着节省电耗.据文献Es介绍,采用变频调速技术后,电能节省约30.(4)新型保温材料的应用目前,各装置裂解炉所用绝热保温材料主要包括砖结构,陶纤结构和喷涂三种.相比之下,砖结构,陶纤结构的应用较早,使用较广泛.从使用情况看,陶纤普遍存在粉化减薄的问题,而砖结构在砖质量较好的情况下保温效果较好,但施工周期较长,对施工质量要求高.砖,陶
13、纤结构在背衬材料及施工改进后效果较好.新型背衬材料如微孔板等的应用,可以有效地降低炉膛外壁温度,从而可以有效地降低燃料的消耗.以茂名样板炉为例,炉外壁温度降低至75,散热损失与目前平均温度96相比,每年节省燃料费用约24万元;炉外壁温度降低至70,散热损失与目前平均温度96相比,每年节省燃料费用约30万元.由此可知,对辐射段衬里进行改造,效果相当明显.(5)裂解炉先进控制技术的应用为确保各组炉管出口温度的差值不得超过某个上限值,保持出口温度稳定均衡;防止因各燃烧器燃料以及送风量等不均衡而出现偏火;防止温度过低时物料不能充分裂解,温度过高时物料容易结焦而使裂解炉的运行周期缩短.华东理工大学开发的
14、裂解炉先进控制技术和软件已经在扬子石化,齐鲁石化以及上海石化得到了应用验证(见图4),实际运行效果表明:APC技术能够大幅度提高裂解炉炉管COT温度,总进料负荷以及裂解深度的控制平稳度;裂解炉平均炉管出口温度波动范围保持在1C内;各组炉管问出口温度偏差在1内;裂解炉负荷波动范围在0.25(0.08t/h)内;裂解炉的双烯收率平均提高0.5.3裂解炉的操作与维护管理(1)燃料气管理乙烯裂解炉的燃料气通常为装置自产的甲烷氢,当其量不够时,通过采用来自炼油厂的燃料气,LPG及乙烯装置火炬气回收尾气予以补充.如果补充的燃料气中含硫,易引起对流段炉管出,灌盏叠l0#豁黼鬣娶崆第32卷第4期徐跃华.乙烯裂
15、解炉节能措施与运行管理现硫腐蚀.扬子和齐鲁分公司GK一型炉曾因燃料含硫出现对流段管翅片被腐蚀的情况.2.5赠_25845.O841.5赠838.006121824=;o=;64248时间/ll赠图4采用先进控制技术前后COT波动范围裂解炉不是简单的工业加热炉,而是起关键作用的反应器,因此,必须按照严格的供热曲线供给热量.燃料的质量及其稳定性,烧嘴供热的均匀性等都对裂解炉的运行起着至关重要的影响,直接关系到裂解炉的反应效率,热效率,运行周期和炉管使用寿命,因此所用燃料必须满足一定的要求.为保证裂解炉平稳高效运行,各企业必须高度重视燃料的使用,在进行燃料平衡时,应尽可能将优质的燃料提供给裂解炉.首
16、先,要严格控制燃料中的硫含量.如果要提高裂解炉热效率,就要降低排烟温度,当燃料中含硫量高时,易发生露点腐蚀,损坏对流段换热管束及翅片,导致对流段炉管泄漏和烟道积灰堵塞,危及裂解炉正常操作.其次,要严格控制燃料中烯烃,双烯烃含量,否则易造成烧嘴堵塞.第三,出于资源优化利用考虑,需要将部分甲烷氢作为炼油厂的制氢原料,应同时将炼油厂气体燃料供给乙烯装置,并应先脱除有害杂质.另外,考虑到燃烧稳定性及环保要求,最好不要使用燃料油作为裂解炉的燃料.(2)定期除灰目前大部分装置的裂解炉对流段全部或部分采用了吹灰器,但对长期使用甲烷氢尾气作为燃料的裂解炉,吹灰器很少使用.对于使用外供不洁净燃料的裂解炉,吹灰器
17、能起到一定的作用.吹灰器主要有两种类型,即蒸汽型和声波型,近年来乙烯生产企业选用声波型的较多.蒸汽吹灰器设有转动部件,容易出现机械磨损或漏汽的现象,导致吹灰效果变差.声波吹灰器对沉积到对流段翅片管上的黏稠性聚合物(灰)基本不起作用.为提高裂解炉对流段烟气侧的传热系数,在设计时通常在中,低温区的换热管采用翅片管.一旦灰在翅片缝隙中积累,灰就不易被吹掉.因此,吹灰器的使用一定要定期吹,频率还要高,目805802800797795的是不让灰在翅片缝隙中积累.当吹灰效果不好时,各装置普遍采用酸洗或热水冲洗的方法对对流段进行清洗.但清洗后,仍然会出现积灰,原因如前所述,而且会出现对炉管的腐蚀.(3)空气
18、过剩系数控制按文献C37介绍,通过降低空气过剩系数可以节省燃料.原因是在裂解炉的燃料消耗中除满足裂解反应的需要外,还因为燃料燃烧需要氧气,为保证燃料燃烧所需要的氧气,就需要一定的过剩空气.而将空气预热到炉膛的温度则需要消耗燃料.因此,控制较低的空气过剩系数就可以节省燃料.在裂解炉的操作过程中,有正常运行,烧焦和热备,底部燃烧器的风门应该根据燃料的量来调节.调节的目的一方面是为了节省燃料,另一方面是控制烟气量以防止对流段换热管超温.因此在裂解炉的生产管理中,控制好空气过剩系数是很重要的一环.(4)提高除焦效果目前,所有企业的裂解炉都实现了不停炉烧焦,广州,扬子,齐鲁,东方等企业还对烧焦程序进行了
19、改进,缩短了烧焦时间.改进的目的均是为了提高烧焦效果,缩短烧焦时间,最终达到节能的目的.采取的方法概括为提高空气量,提高烧焦温度.扬子SL一1I型炉原烧焦程序辐射段炉管烧焦时间为2Oh,急冷锅炉烧焦时问为24h,整个烧焦过程累计44h;通过提高烧焦温度,提高空气量,降低蒸汽量等措施,烧焦时间缩短了10h.4加强裂解炉的管理工作除了前面阐述的与节能直接相关的外,还有间接能够实现节能的管理方面的内容.通过这些日常管理,可以使裂解炉实现安,满,长,稳,优运行,减少裂解炉的非正常停炉,实现降低裂解炉升降温过程中的燃料消耗.(1)开展状态监测,建立运行数据库.利用赠石油化工没备技术红外测温仪,热成像仪定
20、期对炉管表面温度和炉墙外壁温度进行监测,发现超温点及时采取措施;定期对吊耳,弹簧吊架,平衡锤,导向管等进行检查和调整,确保炉管处于无应力和自由伸缩状态;逐台建立运行数据库,加强技术分析,根据结果及时调整运行和检修方案.(2)加强仪表维护,提高自控率,提高运行稳定性.加强裂解炉联锁管理,联锁摘挂实行作业票证制度;定期对烃进料和稀释蒸汽流量表进行排水,或将孔板流量计更换为可靠性高的涡接或射流流量计,尽可能避免因假信号引起的紧急停车,减少对炉管造成的冲击.(3)加涅烧嘴管理.定期对烧嘴进行清理,避免火焰扑炉管,发软发飘,火嘴不着,回火,烧红等情况的发生,改善炉膛热场分布,减缓炉管的弯曲和局部结焦,延
21、长炉管使用寿命.(4)建立裂解炉开,停车和烧焦程序确认卡制度,实行程序化,规范化管理,避免误操作的发生.文献5中列出了加强操作管理带来了很好的效果.5通过改造裂解炉实现节能投用较早的裂解炉,限于当时的技术水平,原设计的技术经济指标落后,综合性能低,浪费能源.投用了较长时间的裂解炉,部分关键设备老化,存在不安全因素,需更换.随着技术的进步,裂解炉的收率,运行周期,热效率等技术经济指标都有了较大的提高,且对装置节能降耗的要求越来越高.因而,可以采用新技术对裂解炉进行改造,既达到更新关键设备的目的,又使裂解炉的综合性能有较大提高.裂解炉的节能改造,通常是围绕前述的各项节能措施的实现来进行.概括起来有
22、以下几种:降低排烟温度和减少热损失以提高热效率,原料适应性改造,延长裂解炉的运行周期和提高裂解选择性.这些改造内容可以同时或部分实施,主要根据裂解炉的实际情况以及各乙烯装置原料情况等来实施.原料适应性改造,延长裂解炉的运行周期和提高裂解选择性这些改造可以结合辐射段炉管的更换来实施,而且与增加扭曲片管一起实施效果会更好.降低热损失可以与衬里的更换相结合来实施.茂名,扬子分公司样板炉的实施,就是为了验证以上节能措施的效果,以便各企业根据各自的具体情况来安排裂解炉的节能改造,各节能措施均可以分步实施.茂名乙烯老区一共有10台SW一48U型炉.为美国SW公司20世纪9O年代初期设计的裂解炉,单炉公称能
23、力为40kt/a.裂解炉对流段排烟温度高,热效率低,运行周期短,能耗高.SW48U型炉的设计热效率为9293,实际运行中热效率仅能达到91,其排烟温度达到15O160,长期运行投料量仅能达到设计值的859O,运行周期只在4550天.另外,由于辐射段耐火衬里设计较薄且老化严重,炉外壁温度明显偏高,散热损失严重.鉴于以上原因,茂名分公司根据中石化建设样板炉的要求,决定对老区H一111炉进行节能和原料灵活性改造.待改造成功后陆续对乙烯装置其他裂解炉进行履行.CBI炉开发组(中国石化1程建设公司,北京化工研究院,南京工业炉所)针对茂名裂解炉的实际情况,提出了改造方案:辐射段炉管采用CBIV型炉管并增加
24、扭曲片管,辐射段衬里改造,对流段改造和引风机改造(包括改变频控制).目标是:使裂解炉热效率达到95,运行剧期达到80天以上,炉外壁温度达到75(,以下.通过改造裂解炉的排烟温度达到80C,热效率达到96,裂解炉运行周期达到1O0天以上.6结语裂解炉的节能是一个综合的系统工程,随着科技的发展,越来越多的新技术会应用到裂解炉的节能改造与节能操作中,安全,环保,高效的裂解炉不仅会给企业带来良好的经济效益,同时会产生良好的环境效益与社会效益.也给我们的操作管理提出了更高的要求.参考文献:1刘庆纶.大型乙烯装置的节能J.乙烯l业.1996.8(3):5l65.2姬伟毅,等.中国化2010年乙烯业务述评-】j.乙烯工业,2O】1,23(1):16,E3J肖雪军,何细藕.乙烯装置裂解炉的能妓术_-】.石油化工,2003,32(3).李广华,何细藕.乙烯装置技术水平分析搜能措施J.石油化工,20()9,38(2):5123.r5张衍品,李海胤.裂解炉的综合能措施j.乙-业,2O,23(1):4348.