乙烯装置气相裂解炉收率低的原因及对策

尚炜洪

(中化泉州石化有限公司烯烃运行部，福建 泉州 362100)

0 引言

乙烯收率的高低是衡量裂解炉性能优劣的关键，我司裂解炉采用KBR毫秒炉技术，平均停留时间在0.1秒左右，高温短停留时间的操作理念保证了乙烯产品的高收率。同时高温意味着会有更多的焦炭生成、导致裂解炉周期较短，仅为30天左右，焦炭的生成降低了传热系数，需要加大燃料气的用量来保障裂解深度，此时又会带来较高的炉管温度，焦炭的生成不仅造成管壁温度的上升，还造成系统压力降的的增加，使乙烯收率降低，甚至堵塞炉管。影响乙烯收率的因素众多，本文主要从8个方面阐述影响乙烯收率高低的原因，其中原料的组成对乙烯收率的影响因素较大，原料的轻质化、及较高的正构烷烃含量，成为提高乙烯收率的关键。

1 泉州石化裂解炉简介

泉州石化共有七台裂解炉，期中F-101、F-102为液相炉，F-103～F-107为气相炉，裂解原料种类有：富乙烷气、PX驰放气、丙烷、轻烃回收LPG、重整LPG、轻石脑油、柴油加氢石脑油、芳烃抽余油和加氢尾油(HCR)等。

从界区来的富乙烷气和循环乙烷以及部分PX驰放气汇合在一起，在乙烷进料换热器(E-201)中用急冷水(QW)加热到60 ℃，然后进入裂解炉。由于进料构成的限制，可能会有部分乙烷进入LPG系统中(即通过LPG-乙烷互窜线)。

从界区来的LPG和新鲜丙烷一起进入LPG进料缓冲罐(V-201)，V-201能提供30 min缓冲量，然后通过LPG进料泵P-201A/B抽出，与循环丙烷混合后在在LPG进料汽化器E-203中用急冷水加热到54.8 ℃后气化，然后进入进料过热器E-204中用QW加热到60 ℃进入裂解炉。由于裂解炉进料构成的限制，部分LPG也可以进入到乙烷中(即通过LPG-乙烷互窜线)。

裂解单元由7台SC-1型裂解炉组成，进入裂解炉的物料被平行分为8组通道，这7台裂解炉都可以在不同的通道中同时裂解两种不同的原料。

对于每台裂解炉，原料和稀释蒸汽(DS)各自被分为8组通道，原料在对流段预热后，和经过对流段过热的DS通过比值控制按照适当的稀释比混合后进入对流段进行进一步过热，此时原料已经完全汽化。每台裂解炉有288根炉管(每组36根)，炉管长度约12 m，外径约57 mm，公称壁厚6 mm，炉管内部带有翅片来提高处理能力。

2 存在的问题及解决方案

泉州石化乙烯裂解装置自2020年9月份开工已来，已经平稳运行一年时间，气相裂解炉收率长期低于设计值，甚至低至22.6%。工艺及操作团队对裂解炉COT(裂解炉辐射段出口温度)、COP(裂解炉一级油冷器出口压力)、XOT(裂解炉横跨段温度)、XOP(裂解炉横跨段压力)、原料性质等各项工艺指标进行筛查，发现其正常运行时数值与设计值有较大出入。随后在一个生产周期内对裂解炉的运行状态进行调整，调整的原则为少量多次、并且一次只调整一个或两个变量，待运行稳定后对裂解气出口气体进行采样分析，分析此次操作变量对乙烯收率高低的影响。最后将裂解炉各项操作指标均调整至设计值、稀释比高于设计值，经过此次生产调整后，气相裂解炉乙烯收率提高的较明显，乙烯收率在28%左右，乙烷炉可以达到30%，下文对可能造成气相裂解炉乙烯收率低的因素进行单独分析。

2.1 乙烷-LPG互窜线

乙烷原料和LPG原料在E201(乙烷原料加热器)、E204(LPG原料过热器)出口设置了一条跨线，为18寸管线，打开此跨线阀后，根据乙烷、LPG压力，可由高压至低压自由互窜而后合并进入裂解炉，避免了因LPG流量波动造成LPG裂解炉原料低流量联锁、亦或是因为后系统停车，导致乙烷裂解炉原料中断被迫停炉的窘况，该流程的设计可最大程度降低因原料进料的波动，造成气相裂解炉非计划停车的次数。但此跨线阀打开后，造成气相炉存在混合共裂解现象，每台气相裂解炉，均同时裂解乙烷、LPG两种原料，原料组分波动大，很难匹配到一个使两种原料收率均同时最高的COT，如果气相裂解炉COT温度控制偏低，会存在乙烷原料裂解深度不够，导致乙烯收率低，且C3、C4组分增多，造成分离系统C3、C4分离效果不好。如果气相裂解炉COT温度控制偏高，又会造成LPG原料过度裂解，生成的乙烯又继续发生二次反应，生成炔烃、乃至结焦，堵塞炉管缩短裂解炉的运行周期，经装置权衡利弊后，为了减少气相裂解炉因原料联锁导致非计划停车的次数，该阀又不得不处于开启状态，工艺上发现乙烯收率下降时，及时对气相裂解炉原料组分进行分析，调整裂解炉COT，使裂解深度维持在设计值。

2.2 稀释比（HC/DS）

KBR设计中给出气相裂解炉稀释比为0.30，但实际生产中发现，较低的稀释比势必会造成较高的烃分压，乙烯裂解反应是气体体积增大的反应，较高的烃分压，不利于原料的裂解反应，会造成一次反应减少，乙烯收率降低。其次较低的稀释比也会使裂解炉横跨段压力过低，造成停留时间的延长，二次反应增多，生产的乙烯、丙烯等产品，进一步过度裂解生成炔烃、焦炭等，缩短气相裂解炉的运行周期。同时稀释比也不能无限量增加，较高的稀释比会造成稀释蒸汽对裂解炉炉管的冲刷、增加急冷水塔负荷、也会造成乙烯装置能耗的增加，目前生产上已将气相裂解炉的稀释比由0.30提高至0.45，调整后乙烯收率增加的较为明显。

2.3 COT（裂解炉辐射段出口温度）

COT是影响乙烯收率最关键的因素之一，有一个合适的COT不仅能使原料达到最大利用化，同时也能使裂解炉达到一个稳定的运行周期。如表1所示，KBR设计中给出LPG原料裂解时COT为863 ℃，乙烷原料裂解时COT为874 ℃，通过生产观察发现乙烯收率远低于设计值。在其他变量不变的情况下，尝试通过提高气相裂解炉COT，来增加裂解炉的裂解深度、提高乙烯产量。生产上以乙烷裂解炉为例，每隔一段时间提高一次COT，待稳定后采裂解炉出口裂解气分析组成，在逐步提高至881 ℃后，发现在此COT附近，乙烯收率显著提高、乙烷转化率提高，甲烷、氢气收率也有所提高，证明提高COT对提高气相裂解炉裂解深度效果非常显著。由此可见，在气相裂解炉运行至末期乙烯收率下降较为明显时，生产上可以通过提高气相裂解炉COT来保证裂解深度。

表1 不同温度的收率 单位：%

2.4 PQE出口压力（裂解炉一级油冷器出口压力COP）

PQE出口压力不能直接控制，而是受到裂解气压缩机入口压力和急冷系统管线压力降的制约，裂解气压缩机设计入口压力为0.016 MPa，而实际生产时压力约为0.022 MPa，因裂解气压缩机选型小、裂解炉负荷大的原因，导致PQE出口压力较设计值高，较高的PQE出口压力，会造成辐射段炉管内裂解气停留时间的延长，造成二次反应的增多，原料裂解生成乙烯后，继续裂解脱氢，生成乙炔，造成乙烯收率降低，也会造成炉管结焦增多，缩短裂解炉运行周期。在裂解炉出口温度不变的情况下，COP由0.206 MPa升至0.226 MPa后，双烯收率均有明显的下降，乙烯收率下降的更明显，下降0.3%。生产上通过提高超高压蒸汽的品质、提高裂解气压缩机转速等因素，来降低裂解气压缩机一段吸入罐压力，进而降低裂解炉的COP、提高乙烯收率。同时裂解气压缩机正常运转时不仅需要注入冲洗油，还可以注入抗垢剂等助剂，来提高裂解气压缩机的效率、降低COP[1]。

2.5 XOT（裂解炉横跨段温度）

KBR设计给出乙烷炉XOT为：700 ℃，而实际运行时XOT仅为680 ℃左右。 XOT的高低直接影响裂解反应的深度，如果XOT温度过高，会造成裂解反应提前在对流段发生，导致反应时间延长，较长的反应时间，造成二次反应增多，烯烃继续裂解生成炔烃及焦炭。如果XOT温度过低，原料到达辐射段后还要继续预热后才能达到反应的起始温度，相当于将一部分辐射段炉管变成对流段盘管使用，造成反应时间的缩短，使本就是毫秒级的裂解炉停留时间不够，裂解深度降低，乙烯收率降低，且乙烷、C3、C4等组分增多，增加了高低压脱丙烷塔、及脱丁烷塔负荷，使循环乙烷、丙烷在整个系统内打循环，严重制约了裂解炉的生产能力，实际生产中将XOT提高至695 ℃以上时，乙烯收率有明显上涨趋势，随着XOT的提高，排烟温度也上涨了10 ℃，降低了裂解炉的热效率，需要总体来权衡利弊。

2.6 原料的性质

近年来随着乙烯装置原料越来越轻质化，国内很多新建的化工厂采用纯气相裂解炉，甚至有的公司只设计乙烷炉，原料仅为富乙烷气和循环乙烷，设计上不仅节约了急冷油塔的费用，还能得到较高的乙烯收率，原料的类别对乙烯生产有着至关重要的影响。根据采样分析，LPG原料中正丁烷含量较设计值低，异丁烷含量较设计值高，有时能达到28%左右，虽然异丁烷产生的乙烯收率大于环烷烃，但相对于正构烷烃比还是稍低，可以通过改善原料性质，增加正构烷烃含量，来提高乙烯收率。裂解气收率与原料中正构烷烃的比例呈线性关系。原料中正构烷烃比例越大，裂解气的收率越大。在其他裂解条件不变的情况下，正构烷烃更容易裂解成小分子。用不含正构烷烃的抽余油作为裂解原料来裂解时，裂解气相收率为82.80%；选用石脑油裂解时(其中正构烷烃含量29.50%)，裂解气相收率85.80%，可见原料的组成对裂解气相收率、乙烯收率有较大影响[2]。为保证乙烯装置原料的品质，需要生产调度、经营计划等部门的支持，合理采购原油的种类，不同地区的石脑油组分相差较大时，联系罐区互相勾兑调和，来保证原料性质的稳定。

2.7 APC先进控制的投用

目前泉州石化裂解炉还有较大的调整空间，还未采购先进控制系统，将来投用APC先进控制系统后，可以在原来乙烯收率的基础上提升0.5～1.0个百分点[3]，投用先进控制后，使得COT在很窄的范围内波动调整，大大延长了裂解原料在最佳裂解温度下的时间，使得乙烯产量提高，COT波动范围缩小后，会使裂解炉各组炉管的生焦状况更加稳定，延长裂解炉运行时间，减少了因各别几根炉管温度高，导致裂解炉被迫烧焦的次数。

2.8 投退炉次数

众所周知KBR裂解炉以收率高、运行周期短而闻名，气相裂解炉的运行周期仅为30天，这就导致需要频繁的对裂解炉进行烧焦，因裂解炉投退料过程中COT控制较低，COT仅为840～850 ℃，此时乙烯收率极低，此种因素也是造成乙烯收率低的原因之一，要解决该问题，就需要平时注意生产平稳，减少波动，提高裂解炉在线率、减少投退炉次数。

3 结语

本文从8个方向阐述了裂解炉乙烯收率低的原因：其中重点从改变原料性质、提高裂解温度、稀释比等方向来进行论证，经过一系列调整后，目前气相裂解炉乙烯收率已经有了较大改观，达到行业内先进水平，因乙烯产量产率的提高，导致乙烯装置能耗、物耗明显降低，今后还将会一如既往的调整思路、优化操作，来提高乙烯收率，为公司取得更好的经济效益而奋斗。