孫青先 閆立業(yè)（天然氣股份有限公司蘭州石化分公司）

乙烯裝置生產(chǎn)的烯是石油化工的標(biāo)志產(chǎn)品，在石油化工中占主導(dǎo)地位。蘭州石化24×104t/a乙烯裂解爐實(shí)際的開(kāi)工率只有88.37%。開(kāi)工率是運(yùn)行周期天數(shù)與運(yùn)行周期天數(shù)加清焦、檢修天數(shù)合計(jì)之比。在烴類熱裂解生產(chǎn)乙烯過(guò)程中，副反應(yīng)會(huì)生成焦或碳，在管壁上逐漸沉積，增加了爐管的傳熱阻力[1]。而運(yùn)行周期天數(shù)的長(zhǎng)短主要受裂解爐、廢熱鍋爐的結(jié)焦而引起的爐管表面溫度、廢鍋出口溫度、爐管壓差及儀表指示的真實(shí)性等的制約，為達(dá)到要求的裂解溫度，管壁溫度必然要隨焦層增厚而升高，增加燃料消耗，影響爐管壽命；同時(shí)焦的形成、沉積會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管壓降不斷增大，系統(tǒng)壓力逐漸升高，使烴分壓提高，裂解選擇性變差。若不及時(shí)進(jìn)行清焦處理將會(huì)堵塞爐管，影響生產(chǎn)，而清焦次數(shù)的增加勢(shì)必對(duì)乙烯裝置的生產(chǎn)能力、燃料動(dòng)力消耗、爐管壽命等帶來(lái)一系列不利影響，因此必須努力減輕結(jié)焦、縮短燒焦時(shí)間，延長(zhǎng)裂解爐的運(yùn)行周期[2]。

1 原因分析

針對(duì)乙烯裂解爐實(shí)際運(yùn)行狀況，從裂解原料、工藝操作條件、設(shè)備儀表等方面進(jìn)行了分析，裂解爐運(yùn)行一定周期后，不可避免的會(huì)發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象。首先表現(xiàn)在裂解爐爐管溫度的上升，由投油初期的960～980℃逐步上升至990～1 010℃，裂解爐橫跨壓力由初始的0.20 MPa上升至0.26 MPa，一旦形成焦層，就會(huì)使?fàn)t管壁熱阻增大，爐管的換熱效率下降，裂解爐燃料消耗量增加[3]；同時(shí)因烴分壓上升降低了裂解反應(yīng)的選擇性，使裂解爐的烯烴收率處于下降趨勢(shì)，嚴(yán)重制約裝置經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。經(jīng)統(tǒng)計(jì)裂解爐燒焦的次數(shù)中發(fā)現(xiàn)因燒焦時(shí)間長(zhǎng)、裂解爐爐管出口熱電偶指示偏差和燒焦不徹底等原因是影響裂解爐開(kāi)工率的主要因素。

1.1 燒焦時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

針對(duì)裂解爐燒焦，通過(guò)對(duì)同行業(yè)裂解爐的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)研，在裂解原料性質(zhì)基本相同的條件下，同類裝置都在不斷縮短的裂解爐燒焦時(shí)間，延長(zhǎng)裂解爐的在線投料時(shí)間。而在用裝置原設(shè)計(jì)燒焦工藝是在低溫區(qū)（800℃）一次將燒焦空氣加至給定量，隨著燒焦溫度的提高，逐步降低稀釋蒸汽量，此方法雖然操作過(guò)程簡(jiǎn)單，但在燒焦初期反應(yīng)劇烈，時(shí)常發(fā)生焦塊從爐管內(nèi)剝離、脫落造成裂解爐管堵塞，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2020年裂解裝置4臺(tái)裂解爐共計(jì)發(fā)生7次掉焦事件，一旦無(wú)法燒通就必須停爐檢修，人工進(jìn)行捅爐管清焦，嚴(yán)重影響裂解爐運(yùn)行周期和裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 熱偶指示失真

熱電偶指示失真是影響裂解爐管結(jié)焦主要因素之一，通過(guò)對(duì)熱電偶套管的檢查，發(fā)現(xiàn)熱偶套管頭部有磨損、穿透現(xiàn)象，單臺(tái)裂解爐有40只熱電偶，有接近一半以上磨穿，其它也有不同程度的磨損。套管發(fā)生磨損的部位均在高溫（900℃）裂解氣的來(lái)流方向，且套管頭部端面有明顯的腐蝕凹坑和溝槽，后經(jīng)堆焊修復(fù)，使用周期也不足半年。當(dāng)單只熱偶保護(hù)套管發(fā)生磨損甚至磨穿后，熱偶將直接接觸裂解氣，裂解氣中的焦炭將附著于熱偶表面，致使溫度熱偶傳感器不穩(wěn)定發(fā)生溫度漂移，導(dǎo)致裂解爐出口溫度測(cè)量值發(fā)生失真，從而影響該臺(tái)爐子爐管出口溫度（裂解爐爐管出口溫度是40只熱偶的平均值），嚴(yán)重制約了裂解爐正常生產(chǎn)運(yùn)行。同時(shí)熱偶套管磨穿后，會(huì)導(dǎo)致高溫裂解氣沿著保護(hù)套管發(fā)生泄漏著火現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅裝置的安全、平穩(wěn)生產(chǎn)。

對(duì)影響裂解爐在線運(yùn)行時(shí)間的主要因素進(jìn)行分析，對(duì)裂解爐燒焦工藝從減弱燒焦初期的反應(yīng)強(qiáng)度著手，對(duì)燒焦過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，在燒焦后期加強(qiáng)對(duì)爐管的硬質(zhì)焦和廢熱鍋爐入口處焦的處理，進(jìn)一步提高裂解爐管的清潔度，同時(shí)杜絕在燒焦過(guò)程中掉焦事件的發(fā)生，延長(zhǎng)裂解爐的在線投料時(shí)間。同時(shí)對(duì)裂解爐爐管出口熱電偶保護(hù)套管磨穿進(jìn)行了原因分析：一是保護(hù)套管材質(zhì)在高溫下發(fā)生金屬塵化腐蝕；二是高溫裂解氣流對(duì)保護(hù)套管的沖蝕磨損。從套管材質(zhì)和高溫氣流的沖蝕著手，延長(zhǎng)套管的使用壽命，延緩裂解爐管的結(jié)焦。

2 制定方案

2.1 優(yōu)化燒焦程序

裂解爐燒焦主要就是將裂解爐退出生產(chǎn)序列，進(jìn)行離線清焦。裂解爐燒焦的主要反應(yīng)是：C+02、C02+Q、2C+022CO+Q、C+H20C0+H2-Q[4]，反應(yīng)主要生成CO和CO2，前兩個(gè)是碳和氧發(fā)生反應(yīng)，是放熱反應(yīng)，第三個(gè)是水煤氣反應(yīng)，是吸熱反應(yīng)。

通過(guò)對(duì)裂解爐燒焦氣的數(shù)據(jù)分析和燒焦過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比，在燒焦過(guò)程初期的反應(yīng)較為劇烈，因爐管焦層較厚，在初期反應(yīng)溫度因焦量多不易控制，特別是有些表層浮焦容易掉焦堵塞爐管；經(jīng)過(guò)2 h后反應(yīng)進(jìn)入平緩期，燒焦后期反應(yīng)對(duì)硬質(zhì)焦和廢熱鍋爐入口的焦清除效果不佳。

針對(duì)裂解爐燒焦程序（時(shí)間-溫度-空氣量）等可調(diào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)降低起始反應(yīng)的空氣量，平穩(wěn)嚴(yán)格控制燒焦的反應(yīng)溫度及升降溫速率[5]，防止初期燒焦反應(yīng)速度過(guò)快或溫度波動(dòng)造成掉焦堵塞爐管。根據(jù)燒焦氣分析對(duì)燒焦時(shí)間的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管控，當(dāng)燒焦氣中的CO和CO2含量（小于0.2%）由波峰逐漸降低趨于穩(wěn)定后，說(shuō)明在此溫度和空氣量下的反應(yīng)已經(jīng)完成，接著應(yīng)進(jìn)行下一階段的反應(yīng)，按照燒焦分析數(shù)據(jù)及時(shí)增加空氣量、提高反應(yīng)溫度，盡量縮短燒焦用時(shí)[6]，同時(shí)在燒焦末期將燒焦反應(yīng)溫度提高至880℃，將爐管內(nèi)的硬質(zhì)焦和廢熱鍋爐入口處的燒焦反應(yīng)完全，提高燒焦質(zhì)量，保證裂解爐管處于清潔管的狀態(tài)。

按上述步驟對(duì)燒焦過(guò)程進(jìn)行總結(jié)提煉，形成裂解爐燒焦四步優(yōu)化操作工作法，并在車間工藝操作規(guī)程中進(jìn)行固化。即：一是穩(wěn)定裂解爐出口溫度[7]，在裂解爐退出正常生產(chǎn)的過(guò)程中，在不同的燒焦階段分段逐步提高爐出口溫度，防止溫度大幅波動(dòng)造成焦塊剝離脫落堵塞爐管；二是嚴(yán)格升降溫速率，在裂解爐燒焦期間升降溫速率按每分鐘1℃操作，避免燒焦溫度一次到位，導(dǎo)致反應(yīng)劇烈引起的爐管局部超溫；三是優(yōu)化控制空氣量，將燒焦空氣量由原來(lái)的固定值改為分步加入，在低溫區(qū)（800℃）先通入少量燒焦空氣，根據(jù)燒焦氣的分析逐步增加空氣量，使氧含量逐漸增加，燒焦溫度按空氣量逐步提溫，減少燒焦時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)爐管的熱沖擊，平穩(wěn)控制燒焦反應(yīng)速度；四是縮短燒焦時(shí)間，將原來(lái)的停止投料蒸汽吹掃2 h，改為停料吹掃1 h后通燒焦空氣，根據(jù)燒焦溫度、廢熱鍋爐出口溫度等指標(biāo)，及時(shí)增加空氣，降低燒焦反應(yīng)過(guò)程空閑等待的時(shí)間，將原燒焦時(shí)間由36 h縮短至24 h，減少燒焦時(shí)間[8]，增加裂解爐運(yùn)行時(shí)間。具體優(yōu)化程序前、后裂解爐燒焦曲線見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 優(yōu)化前裂解爐燒焦曲線Fig.1 Coke-burning curve of cracking furnace before optimization

圖2 優(yōu)化后裂解爐燒焦曲線Fig.2 Coke-burning curve of cracking furnace after optimization

通過(guò)對(duì)燒焦程序的優(yōu)化，尤其是對(duì)裂解爐出口溫度的穩(wěn)定性控制，在縮短燒焦時(shí)間的同時(shí)，避免了因爐管溫度波動(dòng)造成掉焦和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，提高了燒焦質(zhì)量，進(jìn)一步提高了裂解爐管的清潔狀態(tài)，解決了因結(jié)焦物引起的爐管表面溫度、爐膛溫度過(guò)高造成裂解爐運(yùn)行周期短的現(xiàn)象，延長(zhǎng)裂解爐的運(yùn)行時(shí)間。

2.2 改進(jìn)熱偶套管

在乙烯生產(chǎn)中，裂解深度是衡量裂解爐內(nèi)裂解反應(yīng)進(jìn)行程度的重要指標(biāo)，為了獲得一定的乙烯收率，必須將裂解深度控制在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，目前國(guó)內(nèi)大部分乙烯裂解爐裝置均采用爐管出口溫度來(lái)表征裂解深度，所以對(duì)裂解爐出口溫度必須實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。

一臺(tái)裂解爐有4組進(jìn)料，每組有10只表面熱偶，它們的平均值作為該組爐出口溫度調(diào)節(jié)器的測(cè)量值，通過(guò)調(diào)節(jié)這些出口溫度值偏差，來(lái)達(dá)到平衡各組爐出口溫度的目的，保證裂解爐各組出口溫度滿足工藝要求，從而控制整臺(tái)裂解爐的出口溫度。所以裂解爐表面熱電偶在乙烯生產(chǎn)中起著重要的作用，它是控制裂解反應(yīng)最基本的指標(biāo)之一，是監(jiān)控、測(cè)量裂解反應(yīng)進(jìn)行的重要測(cè)量元件。為延長(zhǎng)熱電偶使用壽命一般采用熱偶套管進(jìn)行保護(hù)，而熱偶保護(hù)套管在高溫、高速氣流的工作狀態(tài)下，發(fā)生腐蝕磨損甚至磨穿后，造成裂解爐出口溫度測(cè)量值發(fā)生失真，從而影響該組爐管的出口溫度，影響整臺(tái)爐子的裂解深度，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的裂解產(chǎn)物，嚴(yán)重制約了裂解爐正常生產(chǎn)運(yùn)行。

原設(shè)計(jì)熱偶安裝在輻射爐管的出口位置，改造前熱偶套管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，套管頂部伸進(jìn)爐管中心部位。通過(guò)對(duì)熱偶套管磨損原因的分析，主要為沖蝕磨損和金屬塵化腐蝕，決定對(duì)套管結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，選用高溫、耐腐蝕、抗沖刷的合金材料，同時(shí)將套管頭部由40 mm縮短20 mm，同時(shí)，減少高溫氣流對(duì)套管的沖蝕，這樣改進(jìn)后將熱偶套管頭部從爐管中心縮至爐管內(nèi)壁附近，改造后熱偶套管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。為了防止套管與高溫裂解氣直接接觸發(fā)生滲碳和金屬塵化，對(duì)套管頭部進(jìn)行了表面涂層保護(hù)處理，采用鈷鉻鎢涂層分兩層噴涂[9]，每層厚度不小于1.6 mm，硬度HRC大于37，涂層進(jìn)行滲透檢查，同時(shí)，外表面進(jìn)行打磨處理，表面粗糙度為1.6。外加涂層使套管外表面光滑，使未燃燒完的焦油不易黏在套管外壁，且使套管與原來(lái)的熱偶長(zhǎng)短相配合。改進(jìn)后的熱偶套管既滿足與原來(lái)的熱偶接管形式完全匹配，減少溫度測(cè)量的滯后，又避免因縮短熱偶對(duì)裂解爐出口溫度的影響。同時(shí)為了防止熱偶套管密封失效泄漏高溫裂解氣，更換了耐高溫材質(zhì)鋼墊，有效防止高溫下墊圈與套管座及套管的高溫黏結(jié)，有良好的密封效果。

圖3 改造前熱偶套管結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of hot coupling casing before transformation

圖4 改造后熱偶套管結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of hot coupling casing after transformation

通過(guò)以上一系列創(chuàng)新整改措施，有效延長(zhǎng)了熱電偶套管的使用壽命。

在裂解爐停爐搶修期間，對(duì)裂解爐熱電偶套管進(jìn)行整改更換，因熱偶套管而引起的裂解爐出口溫度指示失真問(wèn)題基本解決。裂解爐熱偶保護(hù)套管經(jīng)改進(jìn)投用后，爐管COT偏差較之前有明顯改善，各爐管出口COT偏差小于或等于5℃。通過(guò)準(zhǔn)確的測(cè)量爐管出口裂解氣的真實(shí)溫度，可以有效控制各爐出口溫度偏差，使各爐管的裂解深度保持一致，減小了熱偶套管在爐管中心處的阻力，從而減緩了裂解爐的結(jié)焦，有效地改善了爐子的運(yùn)行效果，增加了裂解爐的在線運(yùn)行時(shí)間，提高了裂解反應(yīng)的選擇性。

3 實(shí)施效果

3.1 直接效益

裂解爐熱電偶套管更換后，因熱偶套管而引起的爐管結(jié)焦甚至堵塞問(wèn)題基本解決，減少了燒焦次數(shù)；采用新的燒焦程序，將原燒焦時(shí)間由36 h縮短至24 h?？偟牧呀鉅t開(kāi)工率由88.37%提高到89.85%。

采用新燒焦方法之后，每次燒焦節(jié)省12 h，按每年燒焦8次計(jì)算可增加投料時(shí)間96 h。按單臺(tái)裂解爐生產(chǎn)能力4×104t/a，年生產(chǎn)8 000 h計(jì)算，每小時(shí)可產(chǎn)乙烯5 t、丙烯2 t。則每年增產(chǎn)的乙烯480 t、丙烯產(chǎn)量為192 t。按每噸乙烯成本3 500元、丙烯成本3 200元，銷售單價(jià)每噸乙烯7 000元、丙烯6 500元計(jì)算，則單爐年增經(jīng)濟(jì)效益231.36萬(wàn)元。若按現(xiàn)裝置4臺(tái)裂解爐計(jì)算，年增經(jīng)濟(jì)效益約為925萬(wàn)元。

3.2 間接效益

裝置現(xiàn)有4臺(tái)裂解爐，措施實(shí)施后，每年可減少3～5次爐管掉焦事件。按每次停爐檢修時(shí)間至少需要40 h（升降溫過(guò)程28 h，疏通爐管及其它12 h）計(jì)算，若因操作不當(dāng)爐管掉焦一次，停工處理則損失96.4萬(wàn)元。則每年可創(chuàng)效益289.2萬(wàn)元～480萬(wàn)元。

3.3 社會(huì)效益

避免了裂解爐頻繁升、降溫對(duì)裂解爐管的機(jī)械損害，延長(zhǎng)了裂解爐管的使用壽命，減少了裂解爐的停爐人工機(jī)械清理的工作，減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。燒焦時(shí)間的縮短可大大減少燒焦過(guò)程排放氣對(duì)大氣的污染[10]。

4 結(jié)論

1）新的燒焦方法有效提高了裂解爐出口溫度的穩(wěn)定性，縮短了燒焦時(shí)間，由36 h縮短至24 h；提高了燒焦質(zhì)量，進(jìn)一步提高了裂解爐管的清潔狀態(tài)，延長(zhǎng)了裂解爐在線運(yùn)行時(shí)間。

2）通過(guò)對(duì)熱電偶套管的改進(jìn)，一是降低了裂解氣對(duì)套管的沖蝕，延長(zhǎng)套管使用壽命；二是降低了裂解爐管的阻力降，提高了裂解反應(yīng)的選擇性，有利于裂解反應(yīng)的發(fā)生，延緩裂解爐管的結(jié)焦，提高了裂解爐的開(kāi)工率，同時(shí)消除了因熱偶套管腐蝕泄漏高溫裂解氣的安全隱患。

3）通過(guò)優(yōu)化工藝、精準(zhǔn)操作等措施實(shí)現(xiàn)了裝置的安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行，降低裝置的能、物消耗，進(jìn)一步提升了裝置運(yùn)行技經(jīng)水平，為企業(yè)提質(zhì)增效作出了貢獻(xiàn)。