乙烯装置气相裂解炉炉管异常运行分析

张雄飞，王　朝（中国石油兰州石化公司，甘肃　兰州　730060）



乙烯装置气相裂解炉炉管异常运行分析

张雄飞，王朝
（中国石油兰州石化公司，甘肃兰州730060）

摘要：乙烯装置裂解炉清焦周期是衡量裂解炉运行的重要参数，清焦周期的长短直接关系到乙烯装置综合能耗的高低。通过对裂解炉气相通道运行状况的分析，找出了导致裂解炉气相通道出现异常的原因，并提出解决方案。

关键词：乙烯装置裂解炉；清焦周期；偏流；过裂解；稀释蒸汽流量

裂解炉是乙烯装置的关键设备，其运行状况的好坏直接影响到乙烯装置的综合经济效益。兰州石化公司46万t/年乙烯装置共有5台裂解炉，均采用美国KBR公司开发的SC-1型管式裂解炉，5台裂解炉中有3台为液相炉，液相炉仅可对液相原料进行裂解；另外2台为气相炉，气相炉可裂解气相原料，也可裂解轻质液相原料。

1　结焦机理与清焦周期

原料在裂解炉辐射段裂解过程中除生产烃类产物外，同时有少量炭生成。这种炭是数百个碳原子稠合形成的炭，其中尚含少量氢（碳含量约95%以上）。通常，将这种炭称之为焦，管式裂解炉中裂解生成的结焦聚于管壁的过程，称为结焦。

随着裂解炉运行时间的增加其炉管内壁的焦层也逐渐加厚，导致炉管内热阻不断增加，造成炉管外壁温度上升，因此，管式裂解炉运行到一定时间则需进行清焦操作，中断原料供给并通入空气，使炉管内的焦层充分与氧气反应，将其除去。每清焦一次到下次清焦的时间称之为清焦周期。

裂解炉在运行过程中，如果某一根炉管焦层生成不均匀或焦层生成过快，则需要及时对该炉管进行清焦，否则极易造成炉管堵塞。而裂解炉一般不具备单一炉管（或者通道）单独清焦的能力，故只要有一根炉管出现结焦异常的情况，就需要对整台裂解炉进行清焦操作，因此，炉管内焦层生产的速度及均匀程度，是决定裂解炉运行周期的核心因素。当炉管内焦层生成异常时，会导致该炉管热阻增大，造成炉管外表面温度上升，在生产现场实际观察时可以发现异常炉管较其他炉管颜色明显更红，因此称这种现象为炉管发红。

2　气相裂解炉运行现状

根据KBR公司的设计参数，乙烯装置气相裂解炉要求运行周期达到30d，但是在装置实际生产中气相裂解炉的运行周期很难达到30d的标准，统计2013年乙烯装置气相裂解炉的平均运行周期仅为26.5d，距离30d的目标值还存在一定差距。

易造成气相裂解炉炉管发红的主要因素，公认的有以下3点：

（1）裂解炉运行过程中的负荷调整，即在生产过程中改变裂解炉的投油负荷；（2）裂解炉运行过程中进行在线油品切换，即在生产过程中临时改变某一通道的油品，由气相原料改为液相原料，或由液相原料改为气相原料；（3）裂解原料组成波动。

2014年乙烯装置气相裂解炉发生了4次气相通道炉管发红，裂解炉提前退出清焦的情况。具体见表1。

表1　气相通道炉管异常统计

3　原因分析

通过对2014年全年气相通道炉管异常情况的分析，发现在上述4次气相通道炉管发红的运行周期之内，整个裂解炉投油负荷平稳，未进行在线油品切换，同时原料组成非常稳定。因此，我们意识到造成气相通道炉管发红的原因可能不止上述三个，应该还存在其他原因。于是针对这4次炉管发红事件展开了详细的调查，在整个调查过程中，发现了以下两个疑点：

1）曾经在对堵塞的气相通道炉管进行疏通时，观察掉落的焦粒，发现焦粒硬且脆，类似原料过裂解后所形成的焦粒。如图1所示。

图1　气相通道炉管内焦粒

2）气相裂解炉在投油量较低时，气相通道的横跨段压力较同炉液相通道而言略低，且在生产过程中会微有波动。如图2所示。

图2　气相通道横跨段流程简图

气相原料过裂解，说明原料在辐射段内的停留时间超出预期值；气相通道横跨段压力低，说明管道内物料量少；横跨段压力波动，说明管道内存在一定程度的断续非均匀流现象。以上3点均表明了：裂解炉气相通道流量过低。

气相通道流量过低会导致物料再横跨管及联箱内出现偏流现象（故横跨段压力低且微有波动），28根炉管进料不均匀，造成炉管内结焦不均匀，同时由于原料流量小造成流速低，使原料在辐射段内停留时间延长（原料过裂解），在这几个因素的共同作用下，最终使得炉管发红，裂解炉未到周期提前退出。

4　解决方案

由于在正常生产中，裂解炉的负荷不可随意调整，故只能通过增加裂解炉气相通道稀释蒸汽注入量，以提高气相通道物料的总流量，从而避免气相通道因流量低而出现偏流及过裂解的现象。如图3所示。

图3　裂解炉进料流程简图

通过逐步提高稀释蒸汽的注入量，观察横跨段压力的变化，可以发现随着稀释蒸汽注入量的逐步提升，横跨压力渐渐升高，同时横跨压力的波动也逐渐减小。当稀释蒸汽量和气相原料进料量总和大于6300kg/h时，气相通道的横跨压力与液相通道持平，并且可以基本消除横跨段的压力波动，故认为此时通道内偏流现象已消除。

5　效益计算

乙烯装置于2015年2月起对这一方案进行试用，截至2015年底，气相裂解炉未出现气相通道炉管发红，导致裂解炉提前退出清焦的事件。

对比2014年气相裂解炉减少清焦次数4次。单炉清焦四炉生产时主要能源消耗及产出见表2：

表2　单炉清焦时裂解炉“消耗-产出”对比

其中稀释蒸汽单价：129元/t，超高压蒸汽单价：156元/t，燃料气单价：860元/t。故方案实施后每年可获得直接经济效益计算如下（每次清焦需要24h）：

M=（29×129+2.7×860-11×156）×24×4

=41.72万元

中图分类号：TQ221