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摘 要：本文详细介绍了乙烯装置裂解炉围绕减少燃料消耗、提高乙烯收率和增加超高压蒸汽发汽量三方面进行的一系列节能措施，深入剖析优化裂解炉操作对装置能耗的影响，通过节能改造和优化操作，以达到裂解炉挖潜增效的目的。
关键词：裂解炉；能耗；节能降耗；热效率；收率；改造
裂解炉是乙烯装置的能耗大户，其能耗占装置总能耗的80%以上，因此乙烯生产的能耗在很大程度上取决于裂解炉系统的设计和操作。在炉型一定的情况下，降低裂解炉能耗的核心在于使用最少的原料和燃料得到最大收率的目标产品，同时最大限度地回收裂解炉的余热并加以合理利用。换言之，裂解炉的节能措施主要围绕减少燃料消耗、提高乙烯收率和增加超高压蒸汽发汽量进行的，如图1所示。本文针对某乙烯装置（以下简称乙烯装置）各项指标数据，深入剖析优化裂解炉操作对装置能耗的影响，寻找裂解炉节能降耗的可行方法。
1 裂解炉节能改造
乙烯装置裂解炉为20世纪80年代中期的技术，至今已运行30年，耐火材料老化严重，散热损失大，能耗高，加工能力小，乙烯收率低，各项技术、经济指标与国内外先进水平有较大差距。近年来，乙烯装置大规模实施了有针对性的裂解炉节能改造升级，改造主要包括：更换辐射段炉管、对流段炉管，风机、废热锅炉、汽包、底部烧嘴等更新或改造，配套的仪表电气等。其中应用的节能技术有：
（1）变频风机。风机采用变频器后，可以随负荷变化及时调节炉膛负压，克服烟道挡板调节不准确的问题，同时可节约电能30%～40%。
（2）空气预热器。裂解炉底部烧嘴使用空气预热器后，可节省2%～3%的燃料量。
（3）线性废热锅炉（SLE）。线性废热锅炉可比普通废热锅炉（TLE）在线运转周期提高数倍，产汽量提高20%以上。
2 裂解炉优化操作
当前，裂解炉新技术、新工艺及相关系统的设计优化应用十分广泛，诸如空气预热器、扭曲片、红外喷涂、变频风机等已在设备硬件方面为节能降耗提供了有力保障。优化操作作为装置软实力，是裂解炉节能的根本，也是提高装置竞争力的关键因素。
2.1 优化原料结构
原料性质在很大程度上决定了裂解的工艺过程和产品分布，在同一炉型和相同裂解工艺条件下，裂解原料的族组成影响乙烯收率。在一定范围内，当链烷烃含量每增减1个百分点时，乙烯收率可增减约0.15个百分点；环烷烃每增减1个百分点，乙烯收率减增约0.15个百分点。
乙烯装置的裂解原料主要由加氢尾油（HVGO）、石脑油（NAP）、液化石油气（LPG）等组成，为此，裂解原料品质的优化必须从优化原料结构入手，适当增加NAP、LPG的投入比例，减少HVGO的投入量，以进一步提高乙烯收率。
2.2 优化裂解深度
由乙烯能耗计算公式（乙烯能耗=乙烯综合能耗/乙烯产量=吨原料耗能/乙烯收率）可知，乙烯收率提高1%，则乙烯生产能耗可相应降低约1%。决定乙烯收率的因素主要是炉出口温度（COT）、停留时间和烃分压，而裂解炉的这3个裂解变量是通过烃进料流量、稀释蒸汽流量、炉管出口压力和炉管出口温度这4个主要操作变量来调节控制的。在实际生产中，前3个操作变量是很少变化的，对乙烯收率的影响很小，只有COT是在一定范围内可做调节的操作变量，它是主裂解变量，很小的变化都会给乙烯收率带来显著变化。因此，不同的原料对应不同的裂解温度范围，COT要根据原料的变化及时调整，这样才能充分发挥每种原料的裂解潜能。
乙烯装置的原料变化频繁、幅度较大，为此，定期对油品、裂解气取样分析，及时跟踪原料组成，根据SPRYO软件分析的结果，科学指导更加合理的炉出口温度，同时借助裂解深度优化控制系统，实时调整最佳的炉出口温度，最大限度地确保裂解炉经济、高效运行。
2.3 优化超高压蒸汽
超高压蒸汽（SS）的优化工作包括增加废热锅炉发汽量和减少蒸汽消耗。通常情况下，SS发汽量与炉出口温度、投料负荷、废锅清焦质量、汽包排污率等因素有关。一旦裂解炉运行，前两者变化很小，而决定SS发汽量的可控措施就只有后两者。
2.3.1 增加废热锅炉发汽量
废热锅炉换热的好坏关键是清焦是否彻底，乙烯装置对50天以上的裂解炉实行48小时程序烧焦，每两个周期下线水力清焦，以确保废热锅炉发汽量最大化。在汽包排污率的控制方面，采取如图1所示的判断方法。实践中发现，汽包间断排污阀内漏现象较为普遍，是造成汽包排污量过大的主要原因。分析其原因，主要是由于操作不规范所致，即裂解炉在点火升温、烧焦、停炉期间，温度变化频繁，锅炉给水量控制不合理，汽包间断排污阀常常处于小开度操作。在这种高温、高压、高压差的苛刻工况下，锅炉给水流经阀体时足以严重地冲击损伤阀座、阀芯、阀体，尤其在小开度的情况下，巨大的冲刷使阀体的寿命成倍下降。为此，装置专门编制了操作注意事项，以规范裂解炉点火升温、烧焦、停炉期间的操作，如图1所示。
2.3.2 减少蒸汽消耗
压缩机效率由锅炉出口蒸汽焓、压缩机出口排汽焓和凝结水焓所决定。由此可知，压缩机效率实际是由锅炉出口蒸汽压力、温度和压缩机排汽压力3个参数而定的。根据水蒸气的特点可知，蒸汽压力一定，温度上升，蒸汽焓值上升，压缩机效率提高。年初开始，乙烯装置分步骤将各台裂解炉自产SS出口温度由500℃提升至510℃。从理论上来说，在机组负荷不变的情况下，蒸汽消耗量会下降。实践证明，优化SS温度后，在装置负荷增加1.49%的情况下，SS消耗只增加了0.74%，如表1所示。
2.4 优化燃料气消耗
乙烯装置能耗中燃料比重高达70%以上，因此，减少裂解炉燃料气消耗是节能工作的关键。为此，乙烯装置采取了一系列优化措施，以最大限度地减少燃料气消耗。
2.4.1 提升热效率 实践证明，裂解炉热效率提高0.5%，燃料气消耗相应下降约0.5%。为此，乙烯装置通过加强炉体“防漏堵风”、投用底部烧嘴空气预热器、严格控制炉膛负压和烟气氧含量、化学清洗对流段炉管外壁、合理控制操作负荷、改造对流段排布等措施，使裂解炉平均热效率达到93.8%，同比提升1.3%，创历史最好水平和行业先进水平。
2.4.2 延长运行周期
通过运用扭曲片管技术、适时切换裂解原料、实时监控和维护烧嘴状况、应用裂解深度先进控制等措施，使裂解炉运行周期均有不同程度的增加，其中新改造裂解炉的运行周期可达90天以上。
2.4.3 优化热备用时间
合理调整点火时间和操作，科学缩短升温时间，使裂解炉热备用过程（从点火到投料）较原来缩短近4个小时，有效减少了锅炉给水、稀释蒸汽和燃料气的消耗。实施快速在线烧焦操作程序，减少裂解炉的烧焦时间和次数，使裂解炉烧焦时间缩短一半，节省了大量烧焦蒸汽、工厂风及燃料气消耗。
2.5 优化切炉操作
物料损失和能量消耗很大一部分出现在装置开停工过程及处理装置问题的过程中，降低损失率和能耗的种种措施均是建立在装置安全、稳定运行的基础之上。如果没有令人满意的生产平稳率，就绝谈不上降低加工损失率，所以一切工作的出发点都是建立在较高的运行平稳率的大前提之上。两台或多台裂解炉进行切换操作时，将会打破装置原有的平稳，必然产生一定的无效生产时间，这一过程会使装置能耗、物耗增加，产品收率降低，加工损失率大幅上升。因此，抓好裂解炉切换操作的平稳性，合理安排人力，科学优化步骤，延长有效生产时间，可以在很大程度上降低加工损失率，以达到增产降耗的目的。
3 节能分析
3.1 裂解炉改造对能耗的影响
基于新型裂解炉的先进性，5台改造炉在热效率和SS发汽量方面提升幅度较大，如表2所示。此外，新型裂解炉在产能、运行周期和产品收率上均有所提高。按SPYRO软件计算，在相同原料条件下，新炉的双烯收率较旧炉平均提高0.5%以上。
由表2不难看出，裂解炉节能改造达到了预期的目的，热效率、SS发汽量和乙烯收率三方面大幅提升，对于降低装置能耗具有积极的作用。
3.2 裂解炉运行周期对能耗的影响
一般来说，延长裂解炉运行周期，意味着减少开停炉次数，在一定程度上可以节省大量燃料气消耗，对装置能耗起到积极的作用。事实上，乙烯收率和SS发汽量与运行周期之间存在相互制约、相互影响的关系。
随着裂解炉运行周期的延长，炉管中的焦炭量逐渐增厚，则炉出口压力增加，导致乙烯收率下降；反之，为追求高乙烯收率，必然要提高炉出口温度，如此会增加炉管热负荷，二次反应随之加速，生炭量快速增加，从而影响运行周期。此外，随着裂解炉运行时间的推移，废热锅炉结焦量增大，换热效果变差，产生SS量逐渐变小，一个周期内运行末期与运行初期SS发汽量下降近20%。
因此，把握裂解炉运行周期必须综合权衡乙烯收率和SS发汽量的情况而定，不能一味追求长周期而忽略了高效、经济运行。实践证明，以NAP为原料的裂解炉运行40天左右有必要下线烧焦，而采用线性废热锅炉的裂解炉可适当延长运行周期至90天左右。
4 结语
多年来，乙烯装置通过挖新点、找新路、探新道，将节能管理工作不断走向深入。经过不懈努力，乙烯装置的平均能耗降至560kg标油/吨乙烯，较上年的降低幅度多达10%，创历史最好水平。
参考文献
[1]黄志全.裂解原料石脑油生产的优化[J].广石化科技，2008，3（1）：6.
[2]张衍品，李海周.裂解炉的综合节能措施[J].乙烯工业，2011，23（1）：43-45.
（作者单位：南京扬子石油化工设计工程有限责任公司）
关键词：裂解炉；能耗；节能降耗；热效率；收率；改造
裂解炉是乙烯装置的能耗大户，其能耗占装置总能耗的80%以上，因此乙烯生产的能耗在很大程度上取决于裂解炉系统的设计和操作。在炉型一定的情况下，降低裂解炉能耗的核心在于使用最少的原料和燃料得到最大收率的目标产品，同时最大限度地回收裂解炉的余热并加以合理利用。换言之，裂解炉的节能措施主要围绕减少燃料消耗、提高乙烯收率和增加超高压蒸汽发汽量进行的，如图1所示。本文针对某乙烯装置（以下简称乙烯装置）各项指标数据，深入剖析优化裂解炉操作对装置能耗的影响，寻找裂解炉节能降耗的可行方法。
1 裂解炉节能改造
乙烯装置裂解炉为20世纪80年代中期的技术，至今已运行30年，耐火材料老化严重，散热损失大，能耗高，加工能力小，乙烯收率低，各项技术、经济指标与国内外先进水平有较大差距。近年来，乙烯装置大规模实施了有针对性的裂解炉节能改造升级，改造主要包括：更换辐射段炉管、对流段炉管，风机、废热锅炉、汽包、底部烧嘴等更新或改造，配套的仪表电气等。其中应用的节能技术有：
（1）变频风机。风机采用变频器后，可以随负荷变化及时调节炉膛负压，克服烟道挡板调节不准确的问题，同时可节约电能30%～40%。
（2）空气预热器。裂解炉底部烧嘴使用空气预热器后，可节省2%～3%的燃料量。
（3）线性废热锅炉（SLE）。线性废热锅炉可比普通废热锅炉（TLE）在线运转周期提高数倍，产汽量提高20%以上。
2 裂解炉优化操作
当前，裂解炉新技术、新工艺及相关系统的设计优化应用十分广泛，诸如空气预热器、扭曲片、红外喷涂、变频风机等已在设备硬件方面为节能降耗提供了有力保障。优化操作作为装置软实力，是裂解炉节能的根本，也是提高装置竞争力的关键因素。
2.1 优化原料结构
原料性质在很大程度上决定了裂解的工艺过程和产品分布，在同一炉型和相同裂解工艺条件下，裂解原料的族组成影响乙烯收率。在一定范围内，当链烷烃含量每增减1个百分点时，乙烯收率可增减约0.15个百分点；环烷烃每增减1个百分点，乙烯收率减增约0.15个百分点。
乙烯装置的裂解原料主要由加氢尾油（HVGO）、石脑油（NAP）、液化石油气（LPG）等组成，为此，裂解原料品质的优化必须从优化原料结构入手，适当增加NAP、LPG的投入比例，减少HVGO的投入量，以进一步提高乙烯收率。
2.2 优化裂解深度
由乙烯能耗计算公式（乙烯能耗=乙烯综合能耗/乙烯产量=吨原料耗能/乙烯收率）可知，乙烯收率提高1%，则乙烯生产能耗可相应降低约1%。决定乙烯收率的因素主要是炉出口温度（COT）、停留时间和烃分压，而裂解炉的这3个裂解变量是通过烃进料流量、稀释蒸汽流量、炉管出口压力和炉管出口温度这4个主要操作变量来调节控制的。在实际生产中，前3个操作变量是很少变化的，对乙烯收率的影响很小，只有COT是在一定范围内可做调节的操作变量，它是主裂解变量，很小的变化都会给乙烯收率带来显著变化。因此，不同的原料对应不同的裂解温度范围，COT要根据原料的变化及时调整，这样才能充分发挥每种原料的裂解潜能。
乙烯装置的原料变化频繁、幅度较大，为此，定期对油品、裂解气取样分析，及时跟踪原料组成，根据SPRYO软件分析的结果，科学指导更加合理的炉出口温度，同时借助裂解深度优化控制系统，实时调整最佳的炉出口温度，最大限度地确保裂解炉经济、高效运行。
2.3 优化超高压蒸汽
超高压蒸汽（SS）的优化工作包括增加废热锅炉发汽量和减少蒸汽消耗。通常情况下，SS发汽量与炉出口温度、投料负荷、废锅清焦质量、汽包排污率等因素有关。一旦裂解炉运行，前两者变化很小，而决定SS发汽量的可控措施就只有后两者。
2.3.1 增加废热锅炉发汽量
废热锅炉换热的好坏关键是清焦是否彻底，乙烯装置对50天以上的裂解炉实行48小时程序烧焦，每两个周期下线水力清焦，以确保废热锅炉发汽量最大化。在汽包排污率的控制方面，采取如图1所示的判断方法。实践中发现，汽包间断排污阀内漏现象较为普遍，是造成汽包排污量过大的主要原因。分析其原因，主要是由于操作不规范所致，即裂解炉在点火升温、烧焦、停炉期间，温度变化频繁，锅炉给水量控制不合理，汽包间断排污阀常常处于小开度操作。在这种高温、高压、高压差的苛刻工况下，锅炉给水流经阀体时足以严重地冲击损伤阀座、阀芯、阀体，尤其在小开度的情况下，巨大的冲刷使阀体的寿命成倍下降。为此，装置专门编制了操作注意事项，以规范裂解炉点火升温、烧焦、停炉期间的操作，如图1所示。
2.3.2 减少蒸汽消耗
压缩机效率由锅炉出口蒸汽焓、压缩机出口排汽焓和凝结水焓所决定。由此可知，压缩机效率实际是由锅炉出口蒸汽压力、温度和压缩机排汽压力3个参数而定的。根据水蒸气的特点可知，蒸汽压力一定，温度上升，蒸汽焓值上升，压缩机效率提高。年初开始，乙烯装置分步骤将各台裂解炉自产SS出口温度由500℃提升至510℃。从理论上来说，在机组负荷不变的情况下，蒸汽消耗量会下降。实践证明，优化SS温度后，在装置负荷增加1.49%的情况下，SS消耗只增加了0.74%，如表1所示。
2.4 优化燃料气消耗
乙烯装置能耗中燃料比重高达70%以上，因此，减少裂解炉燃料气消耗是节能工作的关键。为此，乙烯装置采取了一系列优化措施，以最大限度地减少燃料气消耗。
2.4.1 提升热效率 实践证明，裂解炉热效率提高0.5%，燃料气消耗相应下降约0.5%。为此，乙烯装置通过加强炉体“防漏堵风”、投用底部烧嘴空气预热器、严格控制炉膛负压和烟气氧含量、化学清洗对流段炉管外壁、合理控制操作负荷、改造对流段排布等措施，使裂解炉平均热效率达到93.8%，同比提升1.3%，创历史最好水平和行业先进水平。
2.4.2 延长运行周期
通过运用扭曲片管技术、适时切换裂解原料、实时监控和维护烧嘴状况、应用裂解深度先进控制等措施，使裂解炉运行周期均有不同程度的增加，其中新改造裂解炉的运行周期可达90天以上。
2.4.3 优化热备用时间
合理调整点火时间和操作，科学缩短升温时间，使裂解炉热备用过程（从点火到投料）较原来缩短近4个小时，有效减少了锅炉给水、稀释蒸汽和燃料气的消耗。实施快速在线烧焦操作程序，减少裂解炉的烧焦时间和次数，使裂解炉烧焦时间缩短一半，节省了大量烧焦蒸汽、工厂风及燃料气消耗。
2.5 优化切炉操作
物料损失和能量消耗很大一部分出现在装置开停工过程及处理装置问题的过程中，降低损失率和能耗的种种措施均是建立在装置安全、稳定运行的基础之上。如果没有令人满意的生产平稳率，就绝谈不上降低加工损失率，所以一切工作的出发点都是建立在较高的运行平稳率的大前提之上。两台或多台裂解炉进行切换操作时，将会打破装置原有的平稳，必然产生一定的无效生产时间，这一过程会使装置能耗、物耗增加，产品收率降低，加工损失率大幅上升。因此，抓好裂解炉切换操作的平稳性，合理安排人力，科学优化步骤，延长有效生产时间，可以在很大程度上降低加工损失率，以达到增产降耗的目的。
3 节能分析
3.1 裂解炉改造对能耗的影响
基于新型裂解炉的先进性，5台改造炉在热效率和SS发汽量方面提升幅度较大，如表2所示。此外，新型裂解炉在产能、运行周期和产品收率上均有所提高。按SPYRO软件计算，在相同原料条件下，新炉的双烯收率较旧炉平均提高0.5%以上。
由表2不难看出，裂解炉节能改造达到了预期的目的，热效率、SS发汽量和乙烯收率三方面大幅提升，对于降低装置能耗具有积极的作用。
3.2 裂解炉运行周期对能耗的影响
一般来说，延长裂解炉运行周期，意味着减少开停炉次数，在一定程度上可以节省大量燃料气消耗，对装置能耗起到积极的作用。事实上，乙烯收率和SS发汽量与运行周期之间存在相互制约、相互影响的关系。
随着裂解炉运行周期的延长，炉管中的焦炭量逐渐增厚，则炉出口压力增加，导致乙烯收率下降；反之，为追求高乙烯收率，必然要提高炉出口温度，如此会增加炉管热负荷，二次反应随之加速，生炭量快速增加，从而影响运行周期。此外，随着裂解炉运行时间的推移，废热锅炉结焦量增大，换热效果变差，产生SS量逐渐变小，一个周期内运行末期与运行初期SS发汽量下降近20%。
因此，把握裂解炉运行周期必须综合权衡乙烯收率和SS发汽量的情况而定，不能一味追求长周期而忽略了高效、经济运行。实践证明，以NAP为原料的裂解炉运行40天左右有必要下线烧焦，而采用线性废热锅炉的裂解炉可适当延长运行周期至90天左右。
4 结语
多年来，乙烯装置通过挖新点、找新路、探新道，将节能管理工作不断走向深入。经过不懈努力，乙烯装置的平均能耗降至560kg标油/吨乙烯，较上年的降低幅度多达10%，创历史最好水平。
参考文献
[1]黄志全.裂解原料石脑油生产的优化[J].广石化科技，2008，3（1）：6.
[2]张衍品，李海周.裂解炉的综合节能措施[J].乙烯工业，2011，23（1）：43-45.
（作者单位：南京扬子石油化工设计工程有限责任公司）