日前，國產化率最高的鎮海百萬噸乙烯工程一次開車成功，此前，我國最大的百萬噸乙烯單套裝置也于今年初在天津投料開車，標志著我國百萬噸乙烯裂解爐已經成功實現了國產化。在這些大型乙烯工程中，匯集了多項我國自主創新成果。其中，中國石化北京化工研究院承擔了裂解爐的前期設計開發和技術支持任務，其技術代表了我國裂解爐設計優化的最高水平。
為百萬噸乙烯保駕護航
據北京化工研究院乙烯裂解研究室副主任王國清介紹，在百萬噸乙烯項目中，北京化工研究院乙烯裂解研究室主要為乙烯裂解爐提供技術支持，一是百萬噸乙烯的前期開發工作，主要是配合工程建設單位在前期進行裂解爐的整體設計，并提供裝置基礎數據，確定裂解爐的主要操作參數；二是為裂解爐的建設和開車過程提供技術支持；三是為裂解爐運行提供支持，解決裂解爐運行可能出現的問題等。
他說，天津與鎮海兩大百萬噸乙烯項目一共有22臺裂解爐，其中21臺為10萬噸規模，另有一臺鎮海采用的15萬噸雙爐膛裂解爐是國內在建的最大乙烯裂解裝置。王國清認為，裝置大型化以后，除了模型設計問題，還要考慮工程建設的問題，因為前期設計對實際操作具有重要的指導意義，把可能出現的問題反饋出來，可以盡量避免后期建設和運行時出現問題，造成較大的人力物力損失。
乙烯裂解研究室借助計算流體力學軟件和自主開發的裂解爐輻射段爐管設計軟件等數值模擬計算手段，對自主開發的裂解爐模型進行了優化，對爐膛的溫度分布、煙氣的流動等比較微觀參數也進行了模擬，為鎮海項目提供了70多種原料的相關操作參數。目前天津乙烯裝置開車運行穩定，鎮海乙烯項目也在按計劃推進。
大裝置更需精打細算
大乙烯裝置由于原料比較復雜，上下游裝備多，操作條件復雜，所需物料能耗大，對裂解爐的設計開發提出了新的更高要求，特別是需要提高前期設計的精度。北京化工研究院開發了收率預測模型，可以根據不同的原料計算出特點產物分布所需的最合理條件。王國清介紹，產品收率實際上跟乙烯聯合裝置下游裝置配置和產品市場行情都有關系。這套模型可反映出市場信息和各個裝置的具體情況，并能針對不同的生產企業選擇不同的操作方式，有效地提高產品的經濟價值。
讓大型裝置在相對優化的狀態下操作也是模型需要解決的核心問題之一。幾代乙烯裂解研究人員經過多年探索研究，將乙烯單程收率從最初的23%提高到目前的29%左右，而實際生產中由于操作不當造成的乙烯收率損失高達1～2個百分點。如果不對操作進行優化，這些技術進步的成果就損失掉，造成物耗、能耗增加。
北京化工研究院科研人員注意到，以前乙烯裂解裝置多在30萬噸規模，原來被認為附加值比較低的碳四、碳五、碳九產品等粗產品產量為5萬～6萬噸，因建裝置回收綜合利用成本較高，這些粗產品往往被浪費掉。裝置大型化以后，這些產品在百萬噸乙烯裝置中可達到10萬噸級的規模，使小品種產品開發成高端精細產品成為可能，有些產品的經濟價值比傳統產品乙烯及丙烯還要高。這就需要精確的模型，將不同產品吃干榨盡，實現大型裝置效益最大化。
推動節能減排創佳績
在為百萬噸乙烯提供技術支持的同時，北京化工研究院對乙烯裂解單元技術進行了研究，開發出強化傳熱、快速在線燒焦等多種新技術，為我國乙烯裂解裝置取得了良好的節能減排效果。
王國清說，在乙烯裂解生產過程中，裂解爐管壁容易結焦，不僅影響到裂解爐的傳熱效率，還要定期進行清焦處理，縮短裂解爐運轉周期。為提高裂解爐傳熱效率，延長其運行周期，乙烯裂解研究室和有關單位合作開發了乙烯裂解爐扭曲片管強化傳熱技術，從而減少了燒焦次數，提高了設備產能，延長了裂解爐的壽命，每年節省成本超過4000萬元。目前該技術已經應用到中國石化包括天津、鎮海等大部分乙烯裂解裝置，并將向海外推廣。
針對以前燒焦時間設計過長的弊端，乙烯裂解研究室通過小試、模擬實驗和工業爐實驗，對裂解爐的結焦和燒焦過程進行了優化，建立了新型在線燒焦方法。他們通過對燒焦尾氣濃度進行檢測，并采取相應的措施提高燒焦速率，大大縮短了燒焦時間，從而節省大量的燃料，減少尾氣排放。現在，該技術已在37臺裂解爐進行了工業應用。以燕山SL-I型10萬噸裂解爐為例，每次燒焦可節約用水414.3噸、空氣159.21噸、燃料61.478噸，減少二氧化碳排放148.78噸，同時提高了裂解裝置工作時間，節能減排和降耗增效效果顯著。
此外，針對國內上世紀70～90年代引進的乙烯裝置存在的能耗高、收率低等問題，乙烯裂解研究室正在推進裂解設備的節能改造工作，改進設備綜合性能，提高產品收率、產量。這項工作正在揚子、茂名、齊魯、上海、廣州等多家中國石化分公司展開。
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