乙烯裂解炉烧焦技术进展

郝国伟,谢省宾,丁 旭,国海峰

(1.中国石油大庆石化公司 ,黑龙江大庆 163314;2.中国石油东北炼化工程公司吉林设计院 ,吉林吉林 132002;3.大庆化工研究中心 ,黑龙江大庆 163314)

热裂解法生产乙烯中,乙烯裂解炉是最为关键的核心设备,乙烯生产的能耗中,60%左右消耗于裂解炉。裂解炉管是乙烯装置中操作温度最高的构件,管内进行烃的裂解反应,由于发生聚合、缩合等二次反应,不可避免地会在裂解炉管内壁和急冷锅炉管内壁上生成焦垢,其结焦速度随着裂解深度的加深、烃分压的升高以及原料重质化的加深而加大[1]。烃类在炉管内结焦会增大炉管管壁热阻,降低热传导率,增大裂解过程的能耗,使壁温升高,缩短炉管寿命。焦垢会使炉管内径变小,物料流动过程的压降增大,生产效率下降,运转周期缩短;同时裂解炉离线烧焦又会进一步限制产量,严重时将导致装置无法运转[2]。另外,结焦和采用过热流清焦也会使炉管寿命缩短;因此,仔细研究裂解炉烧焦影响因素并选定最佳操作方法及工艺具有重要的现实意义。

1 影响裂解炉烧焦的因素

1.1 氧气流量对烧焦过程的影响

焦炭的燃烧是在固体与气体之间进行的多相燃烧过程,氧气是烧焦过程中的关键因素,进入反应器的氧含量是控制炉管温度的重要参数。由于工业烧焦在不同阶段空气流量的变化范围很大,影响因素也很多,实验室在研究氧气流量对焦炭燃烧的影响时,确定烧焦温度为 500℃,此时在裂解炉管焦炭燃烧实验装置中烧焦速度适中,有利于观察空气过剩系数对烧焦速度的影响。不同空气过剩系数下的烧焦曲线很接近,基本平行。因此,乙烯裂解炉管焦炭在烧焦温度为 500℃时,在不同的氧气流量下,烧焦时间相同,燃烧率相差不大,此时燃烧过程不属于扩散控制范围,氧气扩散速度远快于燃烧反应速度,氧气的扩散不是烧焦过程的制约因素。所以,在工业现有烧焦条件下,仅仅通过提高氧气流量的方法不能大幅度提高烧焦速度[3]。在烧焦后期,不应急于提高空气流量,以免造成炉管的热量积累[4]。

1.2 温度对烧焦过程的影响

乙烯装置裂解炉管焦炭的燃烧速度主要取决于化学动力学因素,燃烧工况属于低温燃烧 (动力燃烧)区,燃烧反应过程为化学反应控制,温度对焦炭的燃烧过程影响显著,要加快反应速度的关键是提高温度。裂解炉盘管内的焦炭很难燃烧完全,是因为烧焦温度较低,从而延长了烧焦时间,如果适当提高乙烯装置裂解炉管的烧焦温度,将有助于缩短整个乙烯装置的烧焦时间;但是,温度提高过大,炉子耐火砖损坏严重,材料增加,管内严重结焦处炉管有可能局部过热烧坏,炉管如有热斑 (管内严重结焦处),有可能烧穿炉管;因此,可以提高乙烯装置的烧焦温度,但是有一定限度[3]。乙烯装置裂解炉焦炭燃烧速率取决于焦炭颗粒内外表面的化学反应速度,可以尝试通过加入少量助燃剂的方法,以降低烧焦反应活化能,使之在现有的工业烧焦温度下,大幅度缩短烧焦时间。在炉管降温幅度相同的情况下,炉管内的热应力与结焦厚度之间基本成线性关系;在同样的结焦厚度时,炉管内的热应力随炉管降温幅度的增加而升高,而且随降温幅度的增加,热应力增加的幅度逐渐加大。因此在裂解炉清焦前降温时,应严格控制降温幅度。

2 烧焦技术

裂解炉达到下列条件之一时应停炉清焦[5]:①裂解炉辐射段炉管的管壁温度达到炉管设计温度,如 20Cr35N iNb炉管耐热最高温度为 1 100℃;②急冷锅炉的出口温度达到 480℃,或裂解气急冷锅炉进出口之间的压降超出最大允许值 (12 kPa);③炉管入口文丘里管前后压差小于文丘里管入口绝对压力的 15%;④裂解炉辐射段炉管入口压力比开车初期增加 70 kPa以上;⑤紧急停车;⑥计划停车。

2.1 单根炉管烧焦技术

对于大庆乙烯“80 U”形裂解炉,每根炉管的文丘里喷嘴后都有一块用来测量文丘里喷嘴后压力的压力表,如果炉管结焦严重,此处的压力将上升。炉管受限后,将此处的压力表拆下,换上变径丝头,接胶带通稀释蒸汽,受限的炉管物料流量将增大;测量炉管表面温度,发现受限的炉管与正常炉管没有大的差异。另外,大的蒸汽流也有清焦的作用。这种做法的最大优点是,不用降低整组炉管的辐射热量,使整台裂解炉在相同的裂解深度下运行,不影响产品转化率,并且能够使裂解炉坚持运行到一个运行周期。

裂解炉烧焦时将先前的胶带通稀释蒸汽改为通工业风。但具体操作时要谨慎,应避免大量焦遇空气剧烈燃烧,释放大量的热量而不能及时带出,造成炉管超温断裂。具体操作有 8个步骤[6]:①胶带工业风端阀门全开,炉管端阀门开 2～3扣;②炉膛温度从 850℃开始升温,升温速度视炉管表面温度而定,缓慢提温,一般 5～8℃/h;③在炉膛升温的同时,逐渐增加工业风流量;一般情况下每隔 0.5 h,炉管端胶带阀门开半扣;④当炉膛温度达 880～890℃时,胶带阀门全开;⑤在炉膛提温和增加工业风流量过程中,要密切注意炉管表面温度变化情况,防止温度变化剧烈烧断炉管;⑥用红外测温仪每 0.5 h测炉管表面温度一次,防止超温;⑦当炉管表面温度趋于正常时,逐渐减少工业风量,与其它炉管温度保持一致;⑧当炉管烧通后,停通工业风。

从生产实践得知,裂解炉单根炉管烧焦技术对于“U”形裂解炉非常有效,该项技术也同样适用于在文丘里喷嘴出口有压力表的其它型式的裂解炉[7]。

2.2 在线清焦技术

南京扬子石化公司烯烃厂与华东理工大学合作[8],共同开发了Ⅲ型裂解炉在线烧焦程序软件,通过降低稀释蒸汽量、加大空气量进行助燃,从而达到废热锅炉烧焦所需要的温度。裂解炉在线烧焦技术的应用,可以提高裂解炉清焦的科学性,降低操作人员的劳动强度,提高整个乙烯装置的自动化水平和生产效率。目前,该厂已在所有的裂解炉上成功地实施了国内外领先的裂解炉在线烧焦先进技术,由此每年可创经济效益 200万元以上。

CBL-V型裂解炉采用在线清焦技术[6],该技术采用蒸汽—空气烧焦方法,利用此技术可清除辐射段炉管及急冷锅炉中的焦。烧焦温度为 800～850℃,整个清焦过程需要约 37 h,与其它裂解炉型相比,其最大特点是烧焦用时短,不含纯空气烧焦步骤。经过几个周期的实际操作检验,每次烧焦后下一个周期运行初期,急冷锅炉出口温度基本上维持在 372℃左右,这说明烧焦比较彻底,能够达到规定技术要求。

2.3 “蒸汽—空气”混合烧焦法

工业上采用蒸汽—空气混合气体进行炉管烧焦,是一项十分重要的安全措施[4]。首先,水蒸气的加入可以提高系统的热容量,从而控制温升,有利于反应器的稳定;另外,一旦反应进入 1 000℃以上的高温区,水蒸气与焦炭之间的反应将被激活,迅速吸收系统热量,吸热强度为 110.5 kJ/mol。

F-108/109裂解炉烧焦采用“空气—蒸汽”混合烧焦法[9]。按提高裂解炉出口温度、降低 DS量、提高空气 (PA)量的方案进行烧焦,即以裂解炉出口温度 800℃,DS量 10 t/h、PA量 400 Nm3/h状况下开始进行烧焦。当 DS量降至 7 t/h、PA量 (标准状态)升至 4 500 m3/h、炉出口温度升至 850℃、烧焦4 h后,对烧焦空气进行取样 (2 h/次)。当烧焦空气中 CO+CO2含量 (物质的量分数)小于 0.1%两次合格后,将裂解炉出口温度提到 865℃、PA量 (标准状态)升至 5 500 m3/h、DS量降至 6 t/h,进行加烧。4 h后,进行分析取样。当烧焦空气中 CO+CO2含量 (物质的量分数)小于 0.1%两次合格后,可以认为烧焦合格。此时要对辐射段炉管进行检查。如果炉管表面颜色清彻一致,无花斑,即可认为烧焦结束。烧焦过程中的注意事项:①如裂解炉的另一侧仍在进行裂解,烧焦过程中要对炉膛的负压、横跨断温度、排烟温度进行严密监视,防止炉温波动,造成系统波动;②在每次提 PA量、降 DS量的过程中,室外操作人员要对炉管和横跨段进行检查,防止焦渣在炉管中燃烧剧烈,造成炉管堵塞和横跨段温度过高,造成辐射段、对流段炉管损害;③在烧焦过程中,要经常对清焦罐底部倒淋进行排渣,防止大量的焦渣堵塞管道,给烧焦工作带来麻烦。

3 改进方法

3.1 裂解炉烧焦过程优化

裂解炉烧焦时启动清焦空气压缩机,该设备为高压电机,功率大。烧焦初期的空气使用量较小,压缩机运转后存在大量放空现象,造成浪费[10]。为此,改变了裂解炉烧焦方式。烧焦初期利用管网空气,充分发挥空压站压缩机富裕空间,为裂解炉烧焦供风,当空压站压缩机满负荷运行后,再启动清焦空气压缩机。如此,每次烧焦节电约 20 000 kW·h。在烧焦后裂解炉降温或升温过程中,低温段利用空气为炉管降温,每次烧焦可以节约蒸汽 50 t。

3.2 强化操作规程

中原石油化工有限责任公司在总结以前经验与教训的基础上,严格规范操作数据记录,设立裂解炉投料退料程序确认卡,并根据裂解炉的不同型号、不同进料分三种不同形式填报清焦过程记录台账,指定专人对裂解炉的操作运行状况进行动态跟踪监测,将数据整理成册归档。他们还加强设备现场管理,规范机制,天天查漏、消漏,严格“十字”润滑作业,一旦发现问题及时处理,消除了设备隐患,使加炉热的烧焦周期由过去的 40 d延长到了现在的 78 d,裂解炉热效率达到 94.1%,高于 93%的设计值。

此外在炉管内采用结焦抑制剂和扭曲片技术可以有效地降低裂解炉正常运行时焦炭的产生[11]。

4 结束语

在乙烯装置裂解炉管的焦炭燃烧过程中,温度对烧焦过程的影响显著,适当提高乙烯装置裂解炉管的烧焦温度,将有助于缩短整个乙烯装置的烧焦时间。延长裂解炉运行周期的同时减少裂解炉烧焦次数,降低裂解炉烧焦操作所需的能耗。强化操作规程和提高烧焦质量可以降低烧焦的次数,既减少了操作人员的劳动量,又使装置负荷较平稳,减少装置负荷的波动,增加装置的稳定性。

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