乙烯装置价值优化方案探讨

郭 莹，杜志国

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

乙烯是石油化工的基础原料，乙烯装置是石油化工生产的龙头装置，提高乙烯装置的经济效益对提升整个石化企业的市场竞争力具有重要作用［1-3］。以往在制定乙烯裂解炉的操作优化方案时，多选用乙烯、双烯（乙烯和丙烯）、三烯（乙烯、丙烯和丁二烯）等主要产物的收率作为优化目标［4-7］。但随着裂解炉的不断大型化，目前高附加值的副产品已经达到了经济分离规模［8-11］，主、副产品的价格差逐渐缩小，主要产物收率的变化规律是否准确地反映收益的变化规律需待探讨。

本工作着眼于全部裂解产品，建立了价值优化模型，分析了裂解过程价值的变化规律，制定了裂解炉操作优化方案，调整了产品结构，将乙烯装置的优化标准由传统的物流转化为价值流，最终实现过程收益最大化。

1 价值优化模型的建立

在固定成本相对固定的前提下，乙烯生产过程的价值变化主要体现在产品收入和能耗费用的改变上。以单位原料为基准，选用收益指数作为评价指标。令:

式中，II表示收益指数；PI表示产品收益指数；EI表示能耗费用指数；MI表示原料费用指数；Yi表示裂解产物i的质量收率，%；Pi表示产品i的价格，元/t；Pm表示原料价格，元/t；FI表示燃料费用指数；SI表示分离费用指数；SII表示蒸汽收入指数；F表示单位原料的燃料用量，t/t；Pf表示燃料价格，元/t；SE表示单位原料的分离能耗（以标油计），kg/t；Pso表示标油价格，元/kg；SP表示单位原料的蒸汽产量，t/t；Ps表示蒸汽价格，元/t。

通过对裂解过程进行实验及模拟研究，确定不同工艺条件下的裂解产物收率分布和过程能耗，进而计算收益指数，以收益指数最大化作为优化标尺来寻找裂解装置的最优操作条件。

2 影响价值优化的主要因素

选取石脑油、加氢尾油、柴油作为裂解原料（原料性质见表1），在中国石化北京化工研究院开发的蒸汽模拟裂解炉上［12］模拟CBL炉型进行的裂解评价实验结果作为产物分布的基础数据，选用某百万吨乙烯装置可行性研究的价格体系（对于产物中不作为产品输出的组分，它的价格参考工艺和相关产物的价格确定，如乙炔的价格以加氢选择性、乙烯和乙烷价格确定），对价值的变化规律及其影响因素进行分析。

图1 主要裂解产物收率随COT的变化Fig.1 Change of main product yield with COT.

表1 原料性质Table 1 Physical properties of raw material

2.1 裂解深度对价值的影响

2.1.1 裂解深度对产品结构的影响

裂解过程的主要工艺参数有裂解温度、裂解压力、停留时间和水油比，其中裂解温度是裂解装置操作中最为重要的可调工艺条件，也是装置操作调优中的主要控制参数，它直接影响裂解深度。为了研究裂解深度对产品结构的影响，图1和图2分别给出了主产物收率及膨胀系数（产物与原料的摩尔比）与裂解炉辐射段出口温度（COT）间的关系。

由图1可见，裂解深度对产品结构有显著影 响。三类原料的主产物收率的变化规律基本一致。随COT的升高，乙烯以及苯、甲苯与二甲苯（合称三苯）的收率不断增大，但增幅逐渐减小；丙烯、丁二烯、裂解柴油和燃料油的收率随COT的升高呈抛物线变化，其中，丙烯和丁二烯收率先增大后减小，存在极大值；裂解柴油和燃料油的收率先减小后增大，存在极小值。由图2可见，当COT升高时，膨胀系数不断增大，即低相对分子质量产物不断增多。这种裂解深度对产品结构的显著影响必然会显著影响产品的收入。

图2 膨胀系数随COT的变化Fig.2 Change of expansion coefficient with COT.

2.1.2 裂解深度对能耗的影响

由某裂解炉的燃料量和蒸汽量数据可得，在操作条件范围内二者与COT基本呈线性变化（如图3和图4所示），回归后可进一步求得相应温度下的燃料费用和蒸汽收入，再由过程模拟可以得到不同产物分布下的分离能耗。表2～4给出了不同COT下三种油品的单位原料能耗及能耗费用指数。由表2～4可见，在各部分能耗中，燃料能耗所占比例最大，它的变化将对整个能耗费用的变化起着至关重要的作用。随COT的升高，总能耗费用逐渐增大。

图3 燃料用量与COT的关系Fig.3 The relation of fuel quantity and COT.

图4 产生的蒸汽量与COT的关系Fig.4 The relation of generated steam quantity and COT.

表2 石脑油能耗费用与COT的关系Table 2 Relation of naphtha energy consumption expense and COT

表3 加氢尾油蒸汽收入与COT的关系Table 3 Relation of steam income of hydrogenated tail oil and COT

表4 柴油蒸汽收入与COT的关系Table 4 Relation of diesel steam income and COT

2.1.3 裂解深度对价值的影响

依据裂解价值优化模型，在裂解产品结构和能耗数据基础上，求得收益指数。图5为石脑油原料裂解的收益指数与COT的关系。由图5可见，裂解深度对收益指数影响显著，随COT的升高，收益指数先增大后减小，存在着最大价值下的COT操作点。

图5 收益指数随COT的变化Fig.5 Change of income index with COT.

2.2 原料性质对价值的影响

原料的性质对裂解过程的价值及其最大价值下的最优操作温度均有着显著的影响（如图6所示），需要针对不同的原料制定各自的优化方案。

图6 不同原料的收益指数变化Fig.6 Income index change of different raw materials.

2.3 价格体系对价值的影响

表5给出了不同企业不同时期的四套价格体系，图7比较了四套价格体系下的收益指数。由图7可见，价格对收益指数的影响较大。如在选用价格体系C和价格体系B时，在同样的范围内，两者的最大价值操作点差异很大。这主要是因为在价格体系B中主产物乙烯的价格明显偏高，弱化了其他产物对于价值的影响。由此可见，一成不变的按照某个时期的价格来确定操作条件是不科学的，只有按照产品价格的变化，迅速对变化的市场情况做出反应，及时按照真实的价格来求算最优的操作条件，才能有效地提高企业的经济效益。

由以上分析可知，裂解深度、原料性质和市场价格是裂解价值的主要影响因素，收益指数随COT的升高先增大后减小，存在着最大价值下的COT操作点。可利用裂解价值优化模型，在裂解产物收率和过程能耗预测研究的基础上，通过输入裂解工艺条件、原料组成性质和实时市场价格，准确预测裂解收益指数，进而以最大收益为目标，优化裂解温度，实现裂解炉的操作调优。同时也可以利用该模型依据市场变化进行乙烯原料的优化选择。

3 价值最大化与收率最大化对比

收益指数与主产物收率随COT的变化见图8。其中，双烯收率为乙烯与丙烯收率之和，三烯收率为乙烯、丙烯与丁二烯收率之和。

表5 价格数据Table 5 Price data

图7 不同价格体系下的收益指数变化Fig.7 Income index change under different price systems.

图8 收益指数与主产物收率随COT的变化Fig.8 Change of income index and main product yield with COT.

由图8可见，收益指数随COT的变化规律与乙烯、双烯、三烯及三烯三苯收率的变化规律较为一致，均存在着最大价值下的COT操作点，但最大价值操作点与最高主产物收率操作点的位置却相差较大，最大价值下的操作温度普遍低于最高主产物收率下的操作温度。也就是说，当主产物收率最大时，对应的裂解收益并不是最大收益，且与最大收益相差较大。因此，一味追求乙烯、丙烯等主要目的产物高收率的做法没有反映市场的价格信号，以全部产品的价值最大作为评价指标来制定企业优化操作的方案更贴近市场。

4 优化实例

以某1 Mt/a乙烯项目的设计方案为例，在固定成本不变的前提下，令总收益＝产品销售收益－原料费用－燃料费用－分离费用＋蒸汽收入，比较了乙烯收率、双烯收率、三烯三苯收率和产品价值最大化四种方案下的裂解收益情况。某1 Mt/a乙烯设计方案采用了SL-I型裂解炉和顺序分离流程；选取了两种石脑油（1 112.0 kt/a石脑油1＃和357.3 kt/a石脑油2＃）和一种加氢尾油（1 223.4 kt/a）作为主要原料；裂解产生的乙烷和丙烷循环利用。在计算过程中，认为炼厂干气在各方案之间的产物收率差异及收益差异可忽略不计。以相同的原料量为基准，选用价格体系A，分别优化每种原料在四种方案下的COT操作点，然后在相应操作温度下对整个流程进行物料衡算和收益核算，结果见表6～11。

表6 优化的COTTable 6 Optimized COT

表7 产品收入Table 7 Product income

表8 燃料费用Table 8 Fuel cost

表9 分离费用Table 9 Separation cost

比较四种方案下的收益值可以发现，价值最大化方案时的收益值明显高于其他方案，其中与乙烯收率最大化方案的收益值之间的差距最大，约为4.2×108元/a。与双烯收率最大化方案的收益值间的差距最小，但也超过了1.3×108元/a。可见，如将企业的操作优化方案按照最大收益值为标尺进行调整，产生的经济效益十分明显。这主要得益于产品结构的调整和燃料费用的降低。同时，也有利于延长裂解炉的运行周期、降低清焦次数，带来额外的经济效益。

表10 蒸汽收入Table 10 Steam income

表11 收益Table 11 Total income

5 结论

1）在乙烯装置的操作中，存在产品价值最大化的COT操作点，该操作点与主产物收率最大化COT操作点的位置差异较大，且前者低于后者。选用产品价值最大化的优化方案，除了可以获得较高的产品收益外，还可以降低燃料消耗、延长装置的运行周期、减少清焦费用、降低分离能耗，并具有进一步提高装置处理能力的潜力，可为企业带来较大的经济效益。

2）裂解原料和市场价格对乙烯装置的经济效益影响显著。

3）各企业应该根据实时的市场价格、原料性质及装置的工艺特点，对乙烯装置建立价值优化模型，选择合适的原料、优化裂解深度、调整烯烃产品结构，从而实现乙烯装置效益最大化。下游装置的配置也要有一定的余量和灵活性，以适应烯烃产品结构的调整。

参 考 文 献

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