徐天赐

(中韩(武汉)石油化工有限公司,湖北 武汉 430000)

目前,我国生产乙烯的主要技术是通过高温裂解炉对天然气、炼厂气、原油及石脑油等各类原材料进行高温热裂解反应制取烯烃,而利用高温蒸汽裂解炉生产乙烯是一个高能耗的产业。由于受到目前国际宏观经济环境的严重影响,石油和化工行业经济呈现下滑局面。同时,能源的消耗和环境的保护已成为制约我国未来社会经济发展的重要因素。

而乙烯装置作为能源和石油资源消耗的大户将面临着巨大的挑战,“节能、降耗、减排”将成为乙烯装置现在和未来要的课题。乙烯装置主要包括裂解炉、急冷、压缩及分离几个系统,近年来针对这几个系统的各种节能技术的研究非常活跃,也取得了一定的成果,并且在各自的领域中开发出了一些新技术,这些技术的应用在一定程度上降低了乙烯装置的能耗。本文通过对比武汉某乙烯厂与中石化部分标杆厂乙烯装置能耗数据,分析某乙烯厂能耗高的原因,同时针对性地提出部分节能降耗措施,在保证乙烯装置稳定高效运行的情况下,达到了增加乙烯产能,节能降耗[1],提高了总体经济效益的目的。

1 装置能耗对比

1.1 某厂乙烯脱瓶颈改造概况

武汉某厂乙烯脱瓶颈改造项目110万t/a乙烯装置是在原80万t/a及其配套工程的主生产装置进行改造的,是国内首次世界级规模的乙烯全装置,包括裂解炉、分离和附属设施全部采用国产技术。

武汉某厂110万t/a乙烯装置共有10台裂解炉,其中A炉为CBL-R循环气体裂解炉H-001,设计原料为乙烷,裂解深度为65%乙烷转化率,实际操作原料为装置自产的循环乙烷和循环丙烷,以及来自炼厂的LPG和C3混合物,裂解产物进入下游分离区重燃料油汽提塔;5台轻液体原料CBL-V型裂解炉B/C,F～H(简称轻油炉),设计原料为石脑油,其中B/C也可以单独裂解LPG,同时G/H可以单独裂解C5;2台重液体原料CBL-V型裂解炉D/E(简称重油炉),设计原料为加氢尾油和石脑油。2018年新增一台双炉膛I号裂解炉,以裂解LPG为主,又可裂解石脑油,以满足装置原料轻质化、多样性要求。2020年为了进一步提高装置的乙烯产能,武汉某厂获批实施新增一台J号裂解炉,新增双炉膛采用国产化CBL技术设计,原料为石脑油、加氢尾油及AGO。

武汉某厂乙烯脱瓶颈改造,装置工程规模由80万t/a改造到110万t/a乙烯,乙烯装置能力的增幅约为37.5%。有基础工况和重工况两种原料工况。改造技术仍采用中石化技术,其中分离系统仍采用中石化自主开发的前脱丙烷前加氢和深冷分离技术[2]。乙烯三大机组采用国产化设备。碳二加氢是SEI与北京化工研究院合作开发的前加氢技术。碳三加氢采用北京化工研究院提供的液相催化加氢技术。甲烷化采用北京化工研究院提供的低温甲烷化技术[3]。

1.2 某厂乙烯能耗

如图1所示,按照统一标准:2021年1月至2022年1月,乙烯能耗最低532.04 kg/t(4月份),最高565.7 kg/t(2022年1月份)。乙烯装置改造后设计能耗480.27 kg/t(不含烧焦)。

1.3 某厂高附能耗

如图2所示,按照统一标准:2021年1月至2022年1月,高附能耗最低271.88 kg/t(6月份),最高290.71 kg/t(2022年1月份)。

图2 某厂2021年1月至2022年1月高附能耗图

1.4 乙烯能耗与某标杆乙烯厂能耗比较

从表1可以看出,在乙烯总能耗上,武汉某厂539.49 kg/t、某标杆厂492.58 kg/t。主要从以下五个方面进行分析:

表1 乙烯能耗与某标杆乙烯厂能耗比较表

(1)燃料气:武汉某厂比某标杆厂高69.77 kg/t。

(2)蒸汽:武汉某厂比某标杆厂高2.43 kg/t。其中超高压和低压蒸汽能耗优于镇海,高压和中压能耗比镇海要高。

(3)水:武汉某厂比某标杆厂低10.6 kg/t。

(4)电:武汉某厂比某标杆厂低12.29 kg/t。

(5)风:武汉某厂比某标杆厂低2.41 kg/t。

武汉某厂乙烯能耗高,主要在于燃料气能耗较高,与某标杆厂存在较大差距。

2 高能耗原因分析

2.1 乙烯装置原料结构偏重影响

由表2可以看出,武汉某厂实际投料与设计的重工况相比,液化气占比降低近10%;NAP占比提高,但石脑油中掺入了部分煤油(2021年累计8.67万t);HVGO占比提高,同时加氢尾油掺入部分柴油(2021年累计38.23万t)。整体原料结构中气体原料比例减小,液体原料比例增加。而原料中重组分的增加对裂解反应增添了难度也对能耗耗损增加了亏损。

表2 乙烯装置原料结构偏重影响表

2.2 相同裂解炉不同原料影响

由表3可以看出,3#裂解炉裂解石脑油比裂解轻烃,单位乙烯能耗增加93.04 kg,9#裂解炉裂解石脑油比裂解轻烃,单位乙烯能耗增加109.9 kg,10#裂解炉裂解加氢尾油比裂解轻烃,单位乙烯能耗增加145.64 kg。

表3 相同裂解炉不同原料影响表

2.3 裂解炉烧焦影响

由表4可以看出,H-001～H-010裂解炉,单台炉烧焦能耗平均 775 505.75 kg。按照2021年计量数据计算可得:

表4 裂解炉烧焦影响表

单月乙烯产量平均:1 064 741÷12=88 728 t;

单月裂解炉烧焦台次:50÷12=4.16台;

平均单台炉烧焦增加乙烯能耗:775 505.75÷88 728 = 8.74 kg/t;

平均每月烧焦增加乙烯能耗:4.16×8.74 = 36.36 kg/t。

2.4 机组抽汽效率影响

裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机抽汽效率分别为62%,66%,66%,低于常规设计效率75%～78%。

根据表5中数据分析可得:

表5 机组抽汽效率影响表

(1)改造后裂解气压缩机乙烯能耗,较改造前增加10.78 kg/t,较设计增加46.22 kg/t。

(2)改造后乙烯压缩机乙烯能耗,较改造前增加8.7 kg/t,较设计增加30.15 kg/t。

(3)改造后丙烯压缩机乙烯能耗,较改造前增加3.98 kg/t,较设计增加10.52 kg/t。汽轮机能耗高原因:

(1)110万t扩能改造,裂解气压缩机和乙烯压缩机效率均出现了下降。

(2)裂解气压缩机前轴振动高,制约抽汽比提高。

(3)原料偏重,裂解气量大,机组负荷偏高,蒸汽耗量大。

(4)丙烯压缩机出口压力高造成乙烯压缩机高转速运行,蒸汽耗量大。

2.5 急冷油换热器频繁检修影响

急冷油换热器因设计原因,频繁内漏切出检修,急冷油换热器单台切出,稀释蒸汽外补中压蒸汽约20 t/h。其中在2021年里急冷油换热器单台检修时间长达6个月,消耗稀释蒸汽补充中压蒸汽量86 400 t,中压蒸汽能耗增加6 912 000 kg。2021年乙烯产量1 063 858.15 t,单位乙烯增加能耗6.5 kg/t。

如果急冷油换热器单台切出一个月,稀释蒸汽耗量14 400 t。单月乙烯平均产量按88 728 t进行计算,则增加乙烯能耗12.98 kg/t。

2.6 乙烯塔运行影响

乙烯塔釜循环乙烷外送量平均27.20 t/h,循环乙烷中乙烯含量占比平均17%(数据来自2021年10月)。乙烯在裂解炉中转化率按照30%计算,每小时损失乙烯1.62 t/h,10月份累计损失1 205.28 t乙烯。10月份乙烯总产量94 059.04 t,乙烯总能耗562.99 kg/t。

如果乙烯转化损失:乙烯总能耗:94 059.04×562.99÷(94 059.04+1 205.28)=555.86 kg/t,将比设实际乙烯能耗降低7.13 kg/t。由于乙烯塔运行问题,从而增加乙烯能耗7 kg/t。

2.7 机泵改造影响

武汉某厂在110万t扩能改造时,新增了一台超高压锅炉给水泵P-801C(额定流量270 t/h,额定功率1 800 kW)。裂解炉超高压锅炉给水用量超过540 t/h,需要启动P-801C进行补充。目前超高压锅炉用水量最大量570 t/h。P-801C运行22 d,消耗电量88万kWh,电能耗202 400 kg。

P-801C运行期间,乙烯平均产量126 t/h,22 d累计乙烯产量66 528 t。P-801C运行,增加乙烯能耗3.04 kg/t。

3 能优化措施

3.1 密闭节能观火孔项目

现在裂解炉观火孔使用年限较长,设备老化,导致观火孔关闭不严等情况。而且,目前使用的观火孔型式存在一定缺陷,密封性不够好,关闭时如果用力不到位,就无法卡紧观火孔,设备损坏较为严重。现目前观火孔周围温度高达200 ℃,观火孔周围因为高温影响导致表面油漆脱落,周围钢板表面变形,衬里周围脱落,高温还导致裂解炉观火孔门与框之间存在缝隙,冷空气因为炉内负压被吸入炉膛内部,造成能源的大量浪费。同时,观火孔在开启状态下隔热屏向外,正对人体有造成热辐射伤害等危险,大大降低了裂解炉的热效率[4]。

现目前提出对裂解炉观火孔攻关改型,与生产厂家合作创新,生产密封性好又不易损坏的观火孔,更换新型观火孔后能有效解决:(1)阻止漏风冷空气进入炉膛。隔热屏与炉衬之间的间隙在2 mm左右,阻止热量散失。(2)观火孔周围节能降温。隔热屏的厚度增加到200 mm,阻止热量向外散失。(3)消除观火孔安全隐患。(4)坚固耐用,不用频繁更换。(5)减少烟气的氧含量,大大减少了SO2向SO3的转化,减少炉壁、炉管的露点腐蚀,同时减少了炉管等炉内金属件的高温氧化,节约了炉管更换的成本。还能使炉管内少积垢,提高了炉管的吸热效率,提高了裂解炉的热效率。现部分裂解炉热效率有所下降,运行至末期热效率仅在93.8%,观火孔改造升级后可大大提升裂解炉热效率,使得全部裂解炉的热效率达到94%以上。可每年节约成本在160万元。

3.2 新增破乳剂及其配套项目

乙烯装置自大检修完毕后,受负荷和原料变化影响导致急冷水呈乳化状态,长期下去会影响稀释蒸汽的品质从而加速裂解炉炉管结焦。为保障裂解炉长周期运行建议增加急冷水破乳剂,同时可节省工艺水汽提塔汽提蒸汽的用量。

具体项目实施内容为:在急冷水泵入口导淋处增加一套破乳剂注入系统。该药剂加入到急冷水中能有效地缓解急冷水乳化现象,有力改善急冷水及工艺水水质。同时,可节省低压蒸汽10 t/h,低压蒸汽按140元/t计算,全年可累计节约成本在1 120万元。

3.3 超高压蒸汽增加保温项目

乙烯装置裂解气压缩机、丙烯制冷压缩机气源为超高压蒸汽,超高压蒸汽由热电和裂解炉产汽组成。N2界区至290管廊至090管廊至390管廊至490管廊共计长度约300 m。热电外送至界区压力为11.9 MPa,518 ℃。实际到机组入口压力为11.4 MPa,512 ℃。2021年下半年对超高压蒸汽进行红外检测,发现部分保温破损严重,保温厚度低于设计150 mm,热损值高于标准240.5 W/m2,最高位置290管廊热损值为666 W/m2。

现目前提出对现场保温整改项目,主要内容为修复破损保温、增加保温厚度,并提出对保温棉的优化方案:采用保温棉连接处搭接超过100 mm,钢带固定间距控制在500 mm以内,铝皮采用0.8 mm厚度,加强抗踩踏性。同时采用固定成型,铝皮搭接缝朝下等方法,力争降低热损值,提高汽轮机入口温度1～3 ℃。

3.4 对裂解炉和部分电泵采用错峰用电措施

错峰用电是指根据电网负荷特性,通过技术、经济等手段将电网用电高峰时段的部分负荷转移到用电低谷时段,从而减少电网的峰谷负荷差,优化资源配置。

现目前提出针对9台电泵和裂解炉清焦风进行错峰用电,具体措施如下:急冷油排放罐抽出泵P-155在D-155液位超过40%时选择平段(7～9,15～20,22～23时)启动;含油污水泵P-156在D-156液位超过40%时选择平段(7～9,15～20,22～23时)启动;初期雨水泵P-981A/S、生产污水泵P-982A/B/S、污水提升泵P-985A/S尽量不在尖峰时段(20～22时)启动,并利用低谷时段(23～7时)尽量将各污水池液位调整至约20%;D-220抽出排放至污油罐泵P-220、D-223抽出排放至污油罐泵P-223、D-901物料排放至污油罐泵P-901、冷区甲醇泵注甲醇至用户P-961AX选择低谷时段(23～7时)启动;停用的裂解炉在低谷时段(23～7时)将清焦风调节阀阀位开至10%,其余时段阀位控制在1%。

4 结语

目前武汉某厂乙烯装置就能耗高问题提出并实行各项优化措施[5]。如:优化原料结构,发挥炼化一体化优势,提高轻质裂解原料比例;优化裂解炉操作和最佳裂解原料,利用好裂解产物在线分析结果,根据各台裂解炉的裂解深度确定COT控制指标,提高乙烯收率;提高裂解炉运行周期,避免裂解炉原料频繁更换和负荷频繁调整;调研先进企业能耗管理经验,提升乙烯装置能耗管理水平等方案。力求在保证乙烯装置稳定高效运行的同时,达到降低能耗,提高总体经济效益的目的。