乙烯企业燃料气过剩原因分析以及应对策略

高晨阳，余仁杰

（1.中国石化石油化工管理干部学院，北京 100012；2.中国石化北京燕山分公司，北京 102500）

某企业从国外引进的年产30万吨乙烯生产装置经过两次大规模扩能改造，形成了目前“两头一尾”格局，裂解老区与裂解新区分别拥有一套裂解炉、急冷、压缩系统，裂解气加压后汇合进入分离单元进行深冷分离。设计产能710 kt/a，实际生产能力已超过800 kt/a。与之配套的热电锅炉是30万吨乙烯的配套装置，后经过陆续发展，形成了目前1#、2#、3#、4#炉以及配套2台汽轮发电机组的配置。其中1#、2#炉为高压炉，3#、4#为中压炉；日常生产时为工区内分别提供11.8 MPa、3.5 MPa、1.5 MPa、1.0 MPa以及0.3 MPa的不同级别蒸汽。另外，正常生产时配套一台410 t/h CFB锅炉可与1#、4#高压炉同时运行或者形成互相备用模式，为乙烯等化工装置的平稳运行奠定基础。

该企业工区内燃料气系统以乙烯装置副产的甲烷氢为主要燃料，同时1#、4#高压炉完成了脱硫、脱硝改造，还可以采用乙烯装置副产的裂解燃料油为燃料，不足部分由天然气补充。2020年夏季生产时，工区内燃料气系统出现过剩，造成了甲烷氢进入地面火炬燃烧，同时乙烯装置冷箱温度高、乙烯损失大、裂解燃料油过剩等诸多问题，同时影响了生产装置的平稳运行。因此，对燃料气过剩原因进行分析并给予针对性的解决方案具有重要意义。

1 流程简介

从图1可以看到，工区内燃料气主要来自乙烯装置的高、中、低压甲烷、再生气（高压甲烷再生出口气）以及经火炬气压缩机回收的火炬气，同时不足部分可以补充天然气或者液化气，燃料气用户主要包括乙烯装置裂解炉、热电高压炉、热电中压炉，另外还有一些其他用户，如苯乙烯装置、二甲苯装置的加热炉等。高压炉可以采用裂解燃料油作为燃料，正常生产时可以通过调整燃油和燃气烧嘴的数目来实现；高压炉和中压炉均具备天然气补入流程，可通过调整天然气和自产燃料气的比例来调整锅炉的烟气排放。工区外还设有CFB锅炉和蒸汽锅炉，该蒸汽锅炉不能使用工区内的燃料气。

图1 燃料气管网流程

2 问题描述

燃料气过剩，一方面会造成甲烷氢进入地面火炬燃烧，导致物料大量浪费；另一方面也会造成火炬系统背压高，如图2所示。

图2 火炬系统压力对比

火炬系统背压高会造成低压甲烷在冷箱的进出口压差减少，根据节流膨胀等焓过程变化原理，压差越小理论上可吸收的热量越小，因此会导致冷箱温度升高，低压甲烷中乙烯损失增大。低压甲烷中乙烯含量2019年8月为0.7%，2020年8月为1.5%，明显增大。当外补天然气量为零，即燃料气系统不需要天然气补入时，如果火炬系统背压仍高，则说明燃料气过剩，火炬气压缩机回收火炬气的能力无法充分发挥，只能通过冲破地面火炬水封进行燃烧。2020年外补天然气流量和火炬系统背压如图3所示，燃料气存在较为严重的过剩情况。

图3 火炬背压与FG系统外补天然气流量变化关系

3 原因分析

3.1 锅炉负荷低，燃料消耗少

根据2020年8月企业实际产汽成本测算，石油焦的产汽成本约为63.8元/t，液化气产汽成本约为144.8元/t，天然气产汽成本为162.8元/t，燃料油产汽成本为164.6元/t。因此，为保证CFB锅炉满负荷运行，8月份生产时采用CFB锅炉、1台工区外中压炉、1台高压炉、1台发电机运行的模式，工区实际上只有1台高压炉运行，锅炉负荷较低，燃料气消耗较少。

3.2 燃料油库存高，油气烧嘴无法调整

由于CFB锅炉长期运行，且正值7―8月份下游企业燃料油用户较少，燃料油出厂压力偏大，造成工区内的燃料油库存较高，在生产调整时要充分考虑。同时从生产稳定运行的角度，高压炉正常运行最低要保证2个燃油烧嘴运行。因此在甲烷氢过剩时，通过调整油气烧嘴调节燃料气系统的消耗已不具备条件。

3.3 火炬气排放量大

夏季生产时，由于环境温度较高，以轻石脑油储罐为代表的储运设施罐压较高，将会造成火炬气排放大增。从图4可以看出，轻石脑油罐的放火炬调节阀阀位开度较大，造成火炬系统火炬气回收量增大，此部分火炬气回收至燃料气系统后造成燃料气流量明显增大。

图4 轻石脑油系统放火炬调节阀阀位

3.4 乙烯装置甲烷氢产率高

从图5可以看出，2020年甲烷流量对比2019年明显增大。分析主要原因有：（1）装置负荷增大，甲烷产率高；（2）原料品质变化，尤其是原料品质变差以后，甲烷收率高。以石脑油原料为例，2020年石脑油总烷烃含量为71.26%，其中正构烷烃37.97%，异构烷烃33.29%；相应地2019年石脑油总烷烃含量为74.96%，其中正构烷烃41.66%，异构烷烃33.3%。可见石脑油品质明显下滑，造成甲烷收率增加。

图5 冷箱低压甲烷产出量

4 应对措施

4.1 调整锅炉运行方式

将锅炉运行方式由1台CFB锅炉、1台发电机、1台工区外中压炉和1台高压炉的模式，调整为1台CFB锅炉、1台高压炉和1台工区内中压炉的模式；同时工区内中压炉的燃料方式采用乙烯装置自产甲烷氢，不足部分由天然气补充。锅炉运行方式调整以后，工区内锅炉负荷增大，自产甲烷氢耗量显著增加，甲烷氢过剩情况明显缓解。调整前后，热电锅炉的燃料平衡如表1所示。

表1 调整前后燃料气平衡

4.2 高压锅炉增烧甲烷氢

高压炉在清洁化改造中，烟气系统新增了脱硫脱硝处理设施，因此燃料结构上可实现燃料油嘴和燃料气嘴的混烧功能，每个油嘴的燃烧油流量约为0.8～1.6 t/h。正常生产时，应尽量避免全天然气运转，一是纯天然气运转时，锅炉负荷受限，紧急情况下调整空间有限；二是纯天然气运转时，锅炉运行存在风险，如燃料油中断将导致全炉联锁停炉。因此，通过调整油嘴、气嘴的燃烧分配方式，可以实现甲烷氢耗用量的调节，但是应尽量避免使用纯天然气运转。

4.3 优化乙烯装置原料品质

乙烯装置原料品质越差，甲烷氢收率越高[1]，因此，在夏季生产时，建议优化乙烯装置的原料品质，适当提高外购裂解料品质，增加石脑油中正构烷烃含量，在保证足够的双烯产量情况下，尽量降低乙烯装置加工量，减少甲烷氢等燃料气组份的产出，同时减少燃料油产出，减轻燃料油库存压力。另外，在夏季生产时，液化气价格往往处在低位，同时外部客户需求较小，此时液化气作为副产品外销不利于公司整体经济效益的提高，这也是在夏季优化乙烯装置原料品质重要性的另外一个重要原因。

5 结论

夏季生产时，造成某乙烯企业燃料气过剩的主要原因是锅炉负荷低、燃料油库存高、火炬气排放量大、甲烷氢收率高等，通过以下措施可减少燃料气过剩：（1）调整锅炉运行方式，增开中压炉，全力消耗甲烷氢；（2）调整二热电高压炉油嘴和气嘴燃烧方式配置；（3）优化乙烯装置原料品质，减少甲烷氢收率。通过以上措施，燃料气过剩情况明显缓解，火炬气排放损失明显降低，乙烯装置乙烯损失也明显减小。