一种乙烯裂解炉生产运行的优化方法

摘要

本发明提供了一种乙烯裂解炉生产运行的优化方法，其中，该方法包括：1：建立乙烯裂解炉的几何结构模型，获取乙烯裂解炉辐射段炉管外的运行参数；2：建立乙烯裂解炉辐射段炉管的几何结构模型，获取乙烯裂解炉的运行参数；3：以2的计算结果为条件迭代1，进行耦合模拟计算；4：当所述助燃空气的温度升高至1℃-200℃时，将计算后的燃料流量调整为0.9Q-1Q；5：以4的计算结果为条件迭代2，直至裂解炉运行参数优于助燃空气温度升高前的裂解炉运行参数；6：耦合再计算。本发明一是解决了乙烯裂解炉底部燃烧器助燃空气温度及其辐射段烟气状况的问题，另一是为裂解炉生产运行提供指导和优化。

说明书

技术领域

本发明涉及乙烯裂解炉领域，更进一步说，涉及一种乙烯裂解炉生产运 行的优化方法。

背景技术

乙烯是石油化工的基础原料，被称为“石化工业之母”。乙烯产品直接 关系塑料、橡胶、纺织、助剂、化工机械、建筑、运输以及餐饮等产业的发 展。目前世界上约98％乙烯是通过管式蒸汽热裂解工艺生产得到的，因此， 研究人员始终围绕乙烯的生产装置——裂解炉进行技术攻关，并向着提高低 碳烯烃收率、降低能耗、降低成本和适应市场经济变化的方向开展工作。

按照国家“十二五”石化工业发展的重点要求，国内乙烯行业将转变发 展的方式、实施结构调整和注重科学发展。具体实施方式如下：从单纯的规 模化生产初级化工原料和常规、中低档产品向规模化生产必须的化工原料和 增加生产高科技含量、高附加值的高端石化产品转变；从较为分散和布局不 尽合理的经营向进一步大型化、集约化、一体化、基地化、产业集群化和优 化布局转变；从以石油基为原料向原料轻质化、多样化和来源多样化转变。

2012年，我国乙烯产能1648.9万吨，实际生产量1486.8万吨，表观消 费量约1629万吨。近年来，乙烯企业不断推进裂解炉的节能减排和系统优 化，进一步提高能源的利用效率，减少能源消耗，承担了节能减排的社会责 任。以中国石化为例，2010、2011和2012年的乙烯燃动能耗(标油)分别 为609.28kg/t、582.95kg/t和579.59kg/t。逐年降低的乙烯燃动能耗一方面得 力于原料和生产运行的优化，另一方面归功于新型技术成果的推广应用、企 业技改技措和精细化管理。近年来，乙烯裂解炉应用的新型技术成果主要包 括裂解炉空气预热器、扭曲片管强化传热技术、样板炉技术和裂解炉快速烧 焦技术等。裂解炉空气预热器技术主要通过乙烯装置的废热热源来预热底部 燃烧器的助燃空气，实现燃料燃烧供热的节能，提高乙烯装置的能源利用效 率。

正如本领域技术人员所知，裂解炉辐射段炉管内物料的烃类裂解反应具 有高温、短停留、低烃分压等特点。目前，裂解炉操作的优化方案通过选取 主要产物(乙烯、丙烯、和丁二烯等)的质量收率为目标，制定合适的热裂 解工艺条件，如炉管进出口温度和裂解原料等。CN103289725公开了一种乙 烯裂解炉的节能优化控制方法，分析裂解原料加工方案对能耗、产品收率、 清焦周期的影响，采用裂解深度模型、炉管结焦速率和装置能耗模型，结合 关键工艺参数和控制系统，得出最佳的辐射段炉管出口温度和水油比，实现 节能和经济效益的最大化目标。CN100429461公开了乙烯裂解炉底部燃烧器 空气预热系统及方法，利用厂区平衡后的低压放空蒸汽、裂解炉循环急冷水 和厂区冷凝液等热介质通过预热器对冷空气进行预热，实现对乙烯装置的节 能减排。邵晨介绍了裂解炉设置空气预热器后，降低裂解炉的排烟温度，提 高热效率，介绍燃料消耗，减少烟气排放。

文献《空气预热器在裂解炉中的应用.石油化工设备技术,邵晨,2011. 32(4):30-35》中公开了由于乙烯装置废热热源不同，空气预热温度也相应不 同，燃料和空气燃烧后释放热量的温度场分布必将产生差异，烟气温度场的 差异将对炉管内烃类裂解反应的吸热状况、辐射段烟气压力场和流场、辐射 段出口烟气平均温度以及NOx排放等产生影响。

发明内容

本发明的一个目的是为了解决乙烯裂解炉底部燃烧器助燃空气温度及 其辐射段烟气温度场、压力场和流场分布变化的问题，另一个目的是提供助 燃空气温度升高和燃料量变化后的裂解炉运行参数变化，为裂解炉生产运行 提供了一种乙烯裂解炉生产运行的优化方法。

本发明提供了一种乙烯裂解炉生产运行的优化方法，其中，该方法包括 以下步骤：

步骤1：建立乙烯裂解炉的几何结构模型，基于乙烯裂解炉底部燃烧器 的工艺设计参数，利用计算流体力学方法对乙烯裂解炉辐射段炉管外区域进 行模拟计算，获取乙烯裂解炉辐射段炉管外的运行参数；

步骤2：建立乙烯裂解炉辐射段炉管的几何结构模型，基于乙烯裂解炉 辐射段炉管内的工艺参数，利用烃类裂解反应模型，获取乙烯裂解炉的运行 参数；

步骤3：将步骤1的乙烯裂解炉辐射段炉管外的计算结果和步骤2的乙 烯裂解炉辐射段炉管内的计算结果耦合再计算，以步骤2的计算结果为条件， 迭代步骤1的计算结果，直至辐射段炉管外的运行参数稳定，则输出计算结 果；

步骤4：当所述乙烯裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数中的助燃空气温 度升高1℃-200℃时，将步骤1所述乙烯裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数 中的燃料流量Q调整为0.9Q-1Q，再实施步骤1；

步骤5：以步骤4的计算结果作为计算步骤2的条件，迭代步骤2的计 算结果，当步骤2的计算完成后，确保计算的裂解炉运行参数优于助燃空气 温度升高前的乙烯裂解炉的运行参数；

步骤6：将步骤4和步骤5实施步骤3进行耦合模拟计算。

根据本发明，本发明的乙烯裂解炉辐射段分为炉管内和炉管外两个部 分，炉管内为烃类原料裂解反应区域，炉管外为燃料燃烧释放热量的热源区 域。炉管内区域采用裂解反应动力学模型进行计算，获取炉管内物料吸热量、 低碳烯烃产物的质量收率和乙烯裂解炉的运行周期等参数，炉管外区域采用 计算流体力学方法计算烟气温度场、压力场以及烟气组分和浓度等参数。然 后，将炉管内和炉管外区域的结果耦合再计算，获取辐射段炉管管壁温度、 辐射段烟气物性参数以及辐射段出口烟气温度等数据。当乙烯裂解炉底部燃 烧器助燃空气温度升高后，基于乙烯裂解炉的设计和运行参数，优化燃料的 流入量、燃烧过程和辐射段烟气温度场的分布，实现乙烯裂解炉生产运行的 优化。

因此，本发明通过计算流体力学方法和辐射段炉管内烃类裂解反应模型 的耦合计算，寻求乙烯裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数中的助燃空气温度 与燃料流量的最优比例、最佳的预热空气温度以及辐射段烟气温度场分布。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1是本发明所提供的乙烯裂解炉的示意图；

图2是本发明所提供的辐射段炉管的示意图；

图3是本发明所提供的乙烯裂解炉底部燃烧器的示意图；

图4是本发明所提供的计算流程的示意图。

附图1标记说明：

1底部燃烧器；2辐射段炉管；3辐射段；4侧壁燃烧器；5对流段； 6对流段炉管；7急冷锅炉

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

根据本发明提供了一种乙烯裂解炉生产运行的优化方法，其中，该方法 包括以下步骤：

步骤1：建立乙烯裂解炉的几何结构模型，基于乙烯裂解炉底部燃烧器 的工艺设计参数，利用计算流体力学方法对乙烯裂解炉辐射段炉管外区域进 行模拟计算，获取乙烯裂解炉辐射段炉管外的运行参数；

步骤2：建立乙烯裂解炉辐射段炉管的几何结构模型，基于乙烯裂解炉 辐射段炉管内的工艺参数，利用烃类裂解反应模型，获取乙烯裂解炉的运行 参数；

步骤3：将步骤1的乙烯裂解炉辐射段炉管外的计算结果和步骤2的乙 烯裂解炉辐射段炉管内的计算结果耦合再计算，以步骤2的计算结果为条件， 迭代步骤1的计算结果，直至辐射段炉管外的运行参数稳定，则输出计算结 果；

步骤4：当所述乙烯裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数中的助燃空气温 度升高1℃-200℃时，将步骤1所述乙烯裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数 中的燃料流量Q调整为0.9Q-1Q，再实施步骤1；

步骤5：以步骤4的计算结果作为计算步骤2的条件，迭代步骤2的计 算结果，当步骤2的计算完成后，确保计算的裂解炉运行参数优于助燃空气 温度升高前的乙烯裂解炉的运行参数；

步骤6：将步骤4和步骤5实施步骤3进行耦合模拟计算。

根据本发明，具体地，本发明的内容包括：步骤1中的乙烯裂解炉辐射 段炉管外燃料燃烧和燃料燃烧后生产烟气状况(其中，包括生产烟气的温度 场、压力场以及烟气组分和浓度分布)的计算；步骤2中的基于乙烯裂解炉 辐射段炉管内的工艺参数，利用烃类裂解反应模型，获取乙烯裂解炉的运行 参数；步骤3中的乙烯裂解炉辐射段炉管内和乙烯裂解炉辐射段炉管外的耦 合模拟计算，直至辐射段炉管外的运行参数稳定；步骤4是当所述乙烯裂解 炉底部燃烧器的工艺设计参数中的助燃空气温度升高1℃-200℃时，则需要 将步骤1所述乙烯裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数中的燃料流量Q调整为 0.9Q-1Q，再实施步骤1；步骤5以步骤4的计算结果作为计算步骤2的条件 按，迭代步骤2的计算结果，当步骤2的计算完成后，确保计算的裂解炉运 行参数优于助燃空气温度升高前的乙烯裂解炉的运行参数；以及步骤6：将 步骤4和步骤5实施步骤3进行耦合模拟计算。

根据本发明，所述乙烯裂解炉辐射段炉管外的计算流体力学方法包括燃 烧模型、湍流模型、组分传输模型和辐射模型。

根据本发明，所述乙烯裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数，即，乙烯裂 解炉辐射段管外燃料燃烧和烟气状况计算的工艺设计参数包括燃料流量、燃 料压力和燃料温度、助燃空气的风门大小、助燃空气温度和助燃空气中过剩 空气系数。

根据本发明，乙烯裂解炉辐射段炉管外燃料燃烧和烟气状况的计算是基 于乙烯裂解炉底部燃烧器燃料流量为Q，助燃空气温度为常温，建立乙烯裂 解炉的几何结构，利用计算流体力学方法对乙烯裂解炉辐射段炉管外的运行 参数进行计算，其中，所述乙烯裂解炉辐射段炉管外的运行参数包括燃料燃 烧后生产烟气的流场、温度场、压力场、烟气组分和浓度分布以及燃料燃烧 的火焰温度场和火焰高度。

根据本发明，所述乙烯裂解炉辐射段炉管内的烃类裂解反应模型包括烃 类化学反应模型、传热模型、流动模型和压力模型。

根据本发明，所述乙烯裂解炉辐射段炉管内的工艺参数包括原料种类、 原料投料量、运行初期和末期的炉管进出口温度和压力、炉管结焦速率。

根据本发明，步骤2计算出的所述裂解炉运行参数包括辐射段炉管内物 料吸热量、低碳烯烃产物的质量收率和乙烯裂解炉的运行周期。

根据本发明，步骤6乙烯裂解炉底部燃烧器空气预热状况下辐射段管内 和管外耦合计算的所述乙烯裂解炉辐射段炉管外的运行稳定参数包括辐射 段烟气流场、温度场、压力场、炉管管壁温度、燃料燃烧火焰高度和温度； 且辐射段烟气流场为0.01m/s-50m/s、温度场为-50℃-1750℃、压力场为 -2000Pa-20000Pa、炉管管壁温度为900℃-1150℃、燃料燃烧火焰高度为 0.1m-6m和火焰面烟气温度为1000℃-1450℃，表明乙烯裂解炉辐射段炉管 外的运行参数稳定。

乙烯裂解炉辐射段炉管内烃类裂解反应的计算是基于乙烯裂解炉设计 投料量等参数，建立辐射段炉管的几何结构，利用烃类裂解反应模型，计算 出辐射段炉管内物料吸热量、低碳烯烃产物的质量收率和乙烯裂解炉的运行 周期。

乙烯裂解炉辐射段炉管内和管外的耦合计算是基于辐射段管内烃类裂 解反应的计算结果，计算辐射段管外燃料燃烧和烟气状况，直至辐射段运行 的参数稳定。

乙烯裂解炉底部燃烧器空气预热状况下辐射段管内和管外的耦合再计 算是基于设计投料量和燃料量Q。当空气从常温调整废热的预热温度后，相 应调整燃料量，再进行耦合计算，保证调整后的辐射段工艺参数优于助燃空 气温度升高前，指导乙烯裂解炉的实际操作。

根据本发明，在步骤4中，所述乙烯裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数 中的助燃空气温度为-50℃至50℃时，当所述助燃空气的温度升高50℃-120 ℃时，将计算后的燃料流量调整为0.95Q-0.99Q；

优选地，当所述助燃空气的温度升高为80℃-100℃时，将计算后的乙烯 裂解炉底部燃烧器的工艺设计参数中的燃料流量调整为0.96Q-0.98Q。

本发明提供的生产运行的优化方法适用的乙烯裂解炉主要包括：辐射 段、对流段和急冷锅炉，详见图1。

辐射段：排布在炉膛中央的多组辐射炉管，炉管可采用多种形式，1-1 构型二程不等径无分支，详见图2，或者2-1型和4-1型二程分支变径辐射 炉管，或者其他构型炉管；辐射段底部两侧布置底部燃烧器，详见图3，上 部两侧布置侧壁燃烧器，补充热量和改变热量分布。

对流段：水平布置多组对流段炉管，便于裂解原料的高效换热，多使用 各种强化传热技术提高其传热效率。

为了解决乙烯裂解炉底部燃烧器助燃空气温度升高后燃料量的变化问 题。通过对辐射段管外燃料燃烧和烟气状况计算，获取包括烟气流动、压力 场以及温度场等数据。利用管内烃原料裂解反应模型计算裂解炉运行参数， 并以此为条件，耦合辐射段炉管外的燃料燃烧和流动等再计算。当助燃空气 温度升高后，选择合适的燃料量与底部燃烧器升高后助燃空气温度相适应， 使得裂解炉运行参数优于助燃空气温度升高前，让乙烯裂解炉的生产运行得 到优化。本发明过程详见图4。

当乙烯裂解炉底部燃烧器助燃空气的温度升高后，温度升高后的助燃空 气将带入更多的热量进入辐射段。助燃空气温度升高后，体积膨胀，进入辐 射段后助燃空气与燃料混合的燃烧状况将与助燃空气温度未升高的燃烧状 况将产生差异，此差异将影响辐射段烟气温度场、流场和压力场分布，进而 产生管内物料的温度、压力和速度等参数的变化，操作不当将会影响低碳烯 烃等目的产物的质量收率、炉管使用寿命以及裂解炉的运行周期等。在乙烯 裂解炉的实际运行过程中，通常通过调整燃料流量来控制底部燃烧器助燃空 气温度的变化，如何正确调整燃料量来保证热量的稳定供给、燃料燃烧稳定 和温度场合适分布等是乙烯裂解炉底部燃烧器助燃空气温度升高后需要解 决的一个重要问题。

实施例

实施例1

如图1所示，一台年产乙烯10万吨裂解炉，该裂解炉辐射段由48组2-1 型炉管组成，分6大组，排列在炉膛中央。36个底部燃烧器，燃料和助燃空 气为非预混燃烧，助燃空气的温度为50℃。48个侧壁燃烧器，燃料和助燃 空气为预混燃烧。

烃类原料以某加氢尾油为例，投料量为41200kg/h，稀释蒸汽与烃原料 重量比值为0.75，辐射段炉管进出口温度分别为555℃和812℃，进出口压 力(表压)分别为0.19Mpa和0.11Mpa。稀释蒸汽与烃原料重量比、辐射段 炉管进出口温度以及进出口压力不变，燃料以甲烷和氢气为主(气体体积比 例19:1)，分别计算在底部燃烧器助燃空气温度升高至50℃和燃料变化的不 同方案下辐射段工艺参数的变化，详见表1，乙烯裂解炉辐射段炉管外的运 行参数包括辐射段出口面的烟气压力均值-100Pa，平均流速为6m/s，平均温 度为1050℃。

表1

助燃空气温度，℃ 25 50 50 50 底部燃烧器燃料量，kg/s 1.5088 1.4862 1.4937 1.5013 燃料比例，％ 100 98.5 99.0 99.5 空气风门是否调整 否 是 是 是 辐射段热负荷，MW 37.49211 37.49369 37.54156 37.49514 乙烯收率，wt％ 31.19 31.19 31.24 31.19 丙烯收率，wt％ 18.95 18.95 18.95 18.95 裂解炉运行周期，天 56.7 56.8 59.6 56.9

实施例2

如图1所示，一台年产乙烯10万吨裂解炉，该裂解炉辐射段由48组2-1 型炉管组成，分6大组，排列在炉膛中央。36个底部燃烧器，燃料和助燃空 气为非预混燃烧，助燃空气的温度为120℃。48个侧壁燃烧器，燃料和助燃 空气为预混燃烧。

烃类原料以某加氢尾油为例，投料量为41200kg/h，稀释蒸汽与烃原料 重量比值为0.75，辐射段炉管进出口温度分别为555℃和812℃，进出口压 力(表压)分别为0.19Mpa和0.11Mpa。稀释蒸汽与烃原料重量比、辐射段 炉管进出口温度以及进出口压力不变，燃料以甲烷和氢气为主(气体体积比 例19:1)，分别计算在底部燃烧器助燃空气温度升高至120℃和燃料变化的不 同方案下辐射段工艺参数的变化，详见表2，乙烯裂解炉辐射段炉管外的运 行参数包括辐射段出口面的烟气压力均值-100Pa，平均流速为6m/s，平均温 度为1050℃。

表2

助燃空气温度，℃ 25 120 120 120 底部燃烧器燃料量，kg/s 1.5088 1.4484 1.4560 1.4635 燃料比例，％ 100 96.0 96.5 97.0 空气风门是否调整 否 是 是 是 辐射段热负荷，MW 37.49211 37.48956 37.49395 37.49247 乙烯收率，wt％ 31.19 31.19 31.19 31.19 丙烯收率，wt％ 18.95 18.95 18.95 18.95 裂解炉运行周期，天 56.7 56.6 58.8 56.7

根据实施例1和2的结果表1和表2可知，根据本发明提供的乙烯裂解 炉的生产运行的优化方法，采用新的模拟计算方法，耦合辐射段炉管外燃料 燃烧状况和管内烃类裂解反应状况，能够满足不同空气预热温度的实际运行 操作，因此，根据本发明提供的乙烯裂解炉的生产运行的优化方法，能够指 导乙烯裂解炉的实际操作，进而实现了乙烯装置的生产运行优化。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实 施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方 案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。