应用BCM软件优化工业裂解炉的操作

杜志国，王国清，李 蔚，张利军，张永刚

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

工业技术

应用BCM软件优化工业裂解炉的操作

杜志国，王国清，李 蔚，张利军，张永刚

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

以石脑油为裂解原料，应用BCM软件分析了工业裂解炉的操作条件（进料量、稀释蒸汽与原料的质量比（稀释比）、炉管出口温度（COT））对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响，讨论了操作条件在工业裂解炉操作优化中的作用。研究结果表明，在同一台裂解炉上裂解相同的原料，在工业裂解炉正常操作范围内，进料量和稀释比对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响较小，COT对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响较大，COT是影响裂解产物收率分布的关键因素。对于工业裂解炉的优化操作，在保证每台裂解炉各大组炉管进料量和稀释比均匀分布的前提下，选择合适的COT是提高乙烯、丙烯和丁二烯收率的关键。

工业裂解炉；乙烯；丙烯；丁二烯；操作优化；BCM软件

我国石油资源较少，50%以上的石油依赖进口。近年来，随着石油价格的攀升，炼油企业为了削减生产成本，炼制的石油产地分布广泛，造成炼油装置生产的裂解原料的物性变化频繁。因为我国乙烯装置的原料主要来自于炼油装置，所以这为工业裂解炉的操作优化带来了很大的困难。工业裂解炉的操作优化主要集中在裂解原料优化［1-3］、建模优化［4-7］和先进控制［8］，而对操作条件对裂解炉的影响以及如何实现操作条件的优化未进行详细研究。在工业裂解炉操作条件中，影响裂解产物收率分布的因素主要为进料量、稀释蒸汽与原料的质量比（稀释比）、炉管出口温度（COT）和炉管出口压力（COP）。COP通常由压缩机入口压力控制，在乙烯装置正常生产操作中变化较小，它对裂解产物收率分布的影响通常可忽略。

中国石化北京化工研究院于20世纪60年代开始从事蒸汽裂解技术的开发和研究，以该研究院开发的蒸汽裂解技术为核心建设的CBL裂解炉广泛应用于中国石化的乙烯装置。BCM软件是该研究院最新研发的一款用于工业裂解炉裂解产物收率模拟计算的软件，具有可以模拟计算裂解产物收率以及进行裂解炉裂解产物收率最大化操作优化的功能。

本工作采用BCM软件分析了工业裂解炉的操作条件（进料量、稀释比和COT）对裂解产物收率的影响，提出了实现工业裂解炉操作优化的方法。

1 操作条件对裂解产物收率的影响

蒸汽裂解产物组分达上百种，以乙烯、丙烯和丁二烯（合称三烯）3种组分为主，三烯收率达45%～60%。本工作选择CBL-Ⅲ型裂解炉，炉管构型为32组2-1型炉管，年产乙烯60 kt。CBL-Ⅲ型裂解炉的设计原料为石脑油或加氢尾油，本工作以石脑油为裂解原料，石脑油投油量为26 t/h，稀释比为0.500，COT为838 ℃。石脑油的物性见表1。

表1 石脑油的物性Table 1 Properties of naphtha

1.1 进料量对收率的影响

工业裂解炉的运行负荷，即进料量为设计值的70%～110%，采用BCM软件模拟计算进料量对裂解产物收率的影响，计算结果见图1。

图1 进料量对裂解产物收率的影响Fig.1 Effects of feed rate on the yields of cracking products.Operation conditions：coil outlet temperature(COT) 838 ℃，mass ratio of stream to oil(S/O) 0.500. Two olefins：ethylene and propylene；three olefins：ethylene，propylene and butadiene.Ethylene；Propylene；Butadiene；Two olefins；◆ Three olefins

从图1可知，进料量从20 t/h增至28 t/h时，乙烯、丙烯、丁二烯、双烯和三烯收率呈现以下规律：1）乙烯收率持续下降，由28.150%降至28.070%，差值为0.080%；2）丙烯收率持续增加，由14.395%增至14.556%，差值为0.161%；3）丁二烯收率持续下降，由4.349%降至4.320%，差值为0.029%；4）双烯收率持续增加，由42.547%增至42.628%，差值为0.081%；5）三烯收率持续增加，由46.896%增至46.947%，差值为0.051%。

在工业裂解炉生产操作过程中，在稀释比和COT不变的条件下，停留时间取决于进料量，进料量越大，停留时间越短，丙烯选择性会略有增加，丙烯收率的增幅大于乙烯和丁二烯收率的减幅，因此双烯和三烯收率略有增加。但从收率差值看，进料量对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响均较小。从图1还可看出，随进料量的增加，三烯收率的增幅逐渐减小并趋于某一恒定值。

1.2 稀释比对收率的影响

在工业裂解炉生产操作中，以石脑油为原料进行蒸汽裂解的稀释比的变化范围通常为0.400～0.650。应用BCM软件模拟计算不同稀释比下裂解产物的收率，计算结果见图2。从图2可看出，在进料量和COT不变的条件下，稀释比从0.400增至0.650，乙烯、丙烯、丁二烯、双烯和三烯收率呈现以下规律：1）乙烯收率先增大后减小，在稀释比为0.500时出现极大值，乙烯收率最大值为28.094%，最小值为28.041%，差值为0.053%；2）丙烯收率先减小后增大，在稀释比为0.500时出现极小值，丙烯收率最大值为14.621%，最小值为14.525%，差值为0.096%；3）丁二烯收率先增大后减小，在稀释比为0.450时出现极大值，丁二烯收率最大值为4.334%，最小值为4.287%，差值为0.047%；4）双烯收率在稀释比为0.450和0.600时出现了局部极大值，双烯收率最大值为42.667%，最小值为42.605%，差值为0.062%；5）三烯收率在稀释比为0.450和0.600时出现了局部极大值，三烯最大值为46.966%，最小值为46.931%，差值为0.035%。

图2 稀释比对裂解产物收率的影响Fig.2 Effects of S/O on the yields of the cracking products. Operation conditions：feed rate 26 t/h，COT 838 ℃.Ethylene；Propylene；Butadiene；Two olefins；◆ Three olefins

在工业裂解炉生产操作过程中，在进料量和COT不变的条件下，改变稀释比，既影响停留时间又影响烃分压，而停留时间和烃分压对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响作用不同：稀释比增大，烃分压降低，乙烯和丁二烯的选择性略有增加，丙烯选择性则略有降低。对于乙烯和丙烯，在稀释比小于0.500时，烃分压的影响要大于停留时间的影响；而稀释比大于0.500时，烃分压的影响小于停留时间的影响。对于丁二烯，该稀释比分界点为0.450。从收率差值看，稀释比对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响较小。

1.3 COT对收率的影响

采用BCM软件模拟计算不同COT下裂解产物的收率，计算结果见图3。

图3 COT对裂解产物收率的影响Fig.3 Effect of COT on the yields of the cracking products. Operation conditions：feed rate 26 t/h，S/O 0.500.Ethylene；Propylene；Butadiene；Two olefins；Three olefins

从图3可看出，在进料量和稀释比不变的条件下，COT从780 ℃升至860 ℃，乙烯、丙烯、丁二烯、双烯和三烯收率呈现以下规律：1）乙烯收率持续增大，最大为28.401%，最小为27.113%，差值为1.288%；2）丙烯收率先增大后减小，COT为810 ℃时丙烯收率最大，为14.744%，而丙烯收率最小为14.212%，差值为0.532%；3）丁二烯收率先增大后减小，COT为825 ℃时丁二烯收率最大，为4.347%，丁二烯收率最小为4.227%，差值为0.120%；4）双烯收率先增大后减小，COT为847 ℃时双烯收率最大，为42.652%，最小为41.801%，差值为0.851%；5）三烯收率先增大后减小，COT为841 ℃时三烯收率最大，为46.952%，最小为46.029%，差值为0.923%。

在工业裂解炉生产操作过程中，在进料量和稀释比保持不变的条件下，除乙烯收率随COT的升高而增大，丙烯、丁二烯、双烯和三烯收率都出现一个极大值。从收率差值看，COT对乙烯、丙烯、丁二烯、双烯和三烯收率的影响大于进料量和稀释比。因此，对于工业裂解炉的操作优化，选择合适的COT是提高乙烯、丙烯、丁二烯、双烯和三烯收率的关键。

2 工业裂解炉的优化操作

一台工业裂解炉通常由若干组炉管构成，每组炉管由若干根炉管构成。对于工业裂解炉的生产操作，从理论上讲，要求均匀操作，即每根炉管的运行工况（进料量、稀释比和COT）保持相同。而在实际生产过程中，由于受装置及成本等限制，每台工业裂解炉通常按照炉管的组数分配进料，每个大组的操作条件可能存在着一定的偏差。应用BCM软件研究了每大组炉管的进料量和稀释比对双烯和三烯收率最大值对应的COT的影响。

2.1 进料量对双烯和三烯收率优化的影响

图4 进料量对双烯和三烯收率最大值对应的COT的影响Fig.4 Effects of feedstock rate on COT when the yields of the two olefins and three olefins were maximal. Operation condition：S/O 0.500.

应用BCM软件模拟计算不同进料量对双烯和三烯收率最大值对应的COT的影响，计算结果见图4。从图4可看出，双烯和三烯收率最大值对应的COT随进料量的增大而升高。进料量的增大使停留时间缩短，为了保持双烯或三烯收率达到最大值，COT也随之升高。计算结果表明，在工业裂解炉操作优化过程中，尽量保持各大组进料量均匀，当各大组的进料量偏差小于5%时，双烯和三烯收率最大值对应的COT的偏差会保持在1～2℃以内，有利于工业裂解炉的长周期运行；而各大组进料量偏差越大，双烯和三烯收率最大值对应的COT的偏差越大，导致工业裂解炉各大组炉管处于不同运行工况中，不利于工业裂解炉的长周期运行。

2.2 稀释比对双烯和三烯收率优化的影响

应用BCM软件模拟计算不同稀释比对双烯和三烯收率最大值对应的COT的影响，计算结果见图5。

图5 稀释比对双烯和三烯收率最大值对应的COT的影响Fig.5 Effect of S/O on COT when the yields of the two olefins and three olefins were maximal. Operation condition：feed rate 26 t/h.

由图5可见，在进料量不变的条件下，双烯和三烯收率最大值对应的COT随稀释比的增大而升高，稀释比的增大使停留时间缩短和烃分压减小，为保持裂解炉的双烯和三烯收率达到最大值，COT也随之升高，这充分体现了烃类蒸汽裂解“高温、短停留时间、低分压”的特点。在工业裂解炉的操作优化过程中，在进料量均匀的条件下，尽量使各大组的蒸汽量均匀（即稀释比均匀），这样会使COT得到均匀控制，有利于工业裂解炉的长周期运行。

3 结果与讨论

3.1 进料量的影响

在工业裂解炉的生产操作过程中，若进料量过大，工业裂解炉热负荷过大，辐射段炉管外壁温度较高使结焦速率加快，运行周期大幅缩短；若进料量低于设计值的70%，辐射段炉管中的物料会因停留时间过长而发生过度裂解现象，辐射段炉管内结焦严重，也会导致裂解炉运行周期大幅缩短。进料量在很大程度上决定裂解炉停留时间的长短。尽管进料量对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响较小，但它影响裂解炉的乙烯、丙烯和丁二烯的产量，从而直接影响乙烯装置的经济效益。在工业裂解炉的操作优化过程中，首先要根据乙烯装置的实际状况和市场对裂解产品的需求，选择合适的进料量，并保持工业裂解炉各大组炉管进料量均匀分布。

3.2 稀释比的影响

在工业裂解炉的生产操作过程中，稀释比影响辐射段炉管的烃分压和停留时间。在其他操作条件保持不变的情况下，增大稀释比，辐射段炉管内的烃分压减小，停留时间缩短。此外，在蒸汽裂解条件下，辐射段炉管内的蒸汽与焦炭发生水煤气反应生成一氧化碳，稀释比的增大有利于延长运行周期，但会产生更多的一氧化碳。虽然稀释比对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响较小，但稀释比的增大势必会消耗更多的热量。因此，稀释比是影响工业裂解炉运行周期和能耗的重要因素之一。在工业裂解炉操作优化过程中，在进料量均匀的前提下，使稀释蒸汽量保持均匀（即稀释比保持均匀），会使优化的COT保持均匀，有利于工业裂解炉的长周期运行。此外，在工业裂解炉正常生产操作过程中，应避免采用过大的稀释比，乙烯、丙烯和丁二烯的收率不会因此而得到显著提高，反而使裂解炉能耗和裂解产物中一氧化碳的含量提高，从而增加了企业的生产成本。

3.3 COT的影响

在工业裂解炉的生产操作过程中，COT是影响乙烯、丙烯和丁二烯收率的关键因素，也是影响工业裂解炉生产能力、运行周期和能耗的重要因素之一。在工业裂解炉的操作优化过程中，在保持进料量、稀释比均匀的前提下，选择最佳的COT是关键所在。

4 结论

1）在稀释比和COT不变的条件下，进料量对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响较小，但它是工业裂解炉生产能力和运行周期的重要影响因素之一。

2）在进料量和COT不变的条件下，稀释比对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响较小，但它是工业裂解炉运行周期和能耗的重要影响因素之一。

3）在进料量和稀释比不变的条件下，COT对乙烯、丙烯和丁二烯收率的影响较大，COT是工业裂解炉的产物收率、产量、运行周期和能耗的重要影响因素之一。

4）在工业裂解炉的生产操作优化过程中，在保证裂解炉各大组炉管的进料量和稀释比分布均匀的前提下，选择合适的COT是提高乙烯、丙烯和丁二烯收率的关键。

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（编辑 王 萍）

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Operation Optimization of Industrial Cracking Furnace Using BCM Software

Du Zhiguo，Wang Guoqing，Li Wei，Zhang Lijun，Zhang Yonggang
（SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

The effects of operating conditions，namely feed rate，mass ratio of stream to oil and coil outlet temperature(COT)，on the yields of ethylene，propylene and butadiene were analyzed with naphtha as the feedstock of industrial cracking furnaces by means of the BCM software. The functions of the operating conditions in the operation optimization of the industrial cracking furnaces were discussed. The results showed that，in the range of normal operating conditions with the same cracker and feedstock，the feed rate and mass ratio of stream to oil had a little of effects on the yields of ethylene，propylene and butadiene，but the effect of COT was large. In the operation optimization of the industrial cracking furnaces，under the conditions of the uniform distributions of both the feed rate and the ratio for every coil of the crackers，appropriate COT is the key for heightening the yields.

industrial cracking furnace；ethylene；propylene；butadiene；operation optimization；BCM software

1000 - 8144（2014）02 - 0191 - 05

TQ 221.21

A

2013 - 08 - 01；［修改稿日期］ 2013 - 11 - 11。

杜志国（1975—），男，河北省沧县人，硕士，高级工程师，电话 010 - 59202763，电邮 duzg.bjhy@sinopec.com。