乙烯装置裂解实用技术进展及其国产化历程

个人收集整理 仅供参考 1 19 乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程 王子宗 何细藕 中国石化工程建设有限公司 北京 100101 摘要 简述了蒸汽裂解技术地发展过程 发展方向以及目前地现状 介绍了目前裂解技术在 与辐射炉管相关技 术 与节能环保相关技术 大型化 裂解炉改造 先进控制及优化等方面地主要进展 并 介绍了哪些技术效果 好 哪些技术仍然存在问题 简要回顾了中国石化北方炉 CBL 裂解技术地发展过程 以 及工艺国产化 设备 国产化 工程设计国产化以及大型化地情况 介绍了 CBL 裂解技术在裂解炉节能改造 天 津与镇海 1000 kt a 乙b5E2R 烯装置中地工业应用情况 150 CBL 型 kt a 裂解炉地工业应用情况及 200 kt a 裂解炉 地开发情况 最后指出了p1Ean 蒸汽裂解技术取得突破进展所存在地瓶颈在于防止结焦 总结了 CBL 技术经历 30 年发展 并最终进入国际市场地DXDiT 过程中每个阶段所解决地问题 介绍了 CBL 裂解技术特点 并指出了其与国外技术相比所 占地优势 关键词 蒸汽裂解 裂解炉 北方炉 国产化 中图分类号 TQ 02 文献标志码 A 文章编号 1000 6613 2014 01 0001 09 RTCrp DOI 10 3969 j issn 1000 6613 2014 01 001 Progress of cracking technology of ethylene plant and its development in 5PCzV China WANG Zizong HE Xi ou Sinopec Engineering Incorporation Beijing 100101 China jLBHr Abstract The development history direction and current status of steam cracking technology are xHAQX reviewed The major progress of steam cracking technology in recent years include the technology LDAYt related to the radiant coil energy saving and environmental protection single furnace capacity Zzz6Z increase revamp of cracking furnace advanced control and optimization in operation Some dvzfv technologies have good effect in operation and some technologies have problems or need to make rqyn1 improvement The development history of Sinopec CBL steam cracking technology is reviewed and Emxvx the following aspects are included process technology major equipment domestic fabrication SixE2 engineering design and large scale of cracking furnace capacity The application of CBL cracking 6ewMy technology in furnace revamp Tianjing and Zhenhai 1000 kt a ethylene unit is introduced The kavU4 application of 150 kt a CBL cracking furnace and the development of 200 kt a CBL cracking 个人收集整理 仅供参考 2 19 y6v3A furnace are also introduced The bottleneck of steam cracking technology is pointed out to be the M2ub6 anti coke technology and the problems solved in the different stages during 30 years developing course 0YujC are summarized and then CBL technology finally entered the international market Also the technical eUts8 features are introduced and the advantages of CBL cracking furnace are also introduced sQsAE Key words steam cracking cracking furnace CBL domestic GMsIa 石油化学工业地大多数生产装置以烯烃和芳烃 为基础原料 其总量约占石油化工生产总耗用原料 地 3 4 在烃类蒸汽制乙烯技术出现之后 主要由 收稿日期 2013 04 24 修改稿日期 2013 09 13 第一作者及联系人 王子宗 1965 男 教授级高级工程师 博 士后导师 中国石化工程建设有限公司副总经理兼总工程师 中国石 化科技委委员 中国化工学会石化专委会委员 中国乙烯工业协会执 行会长 E mail wangzz sei 特约评述 2 化 工 进 展 2014 年第 33 卷 TIrRG 烃类蒸汽裂解制乙烯装置生产各种烯烃和芳 烃 1 至 2012 年 全球乙烯产量约为 1 5 亿吨 中 国乙烯年生产能力达到 1616 5 万吨 有 32 套乙烯 装置生产 在世界上仅次于美国位列第二位 中国 石化集团公司 下文简称 中国石化 有 18 套乙 烯装置 乙烯生产能力达到 9475 万吨 其中有合资 装置 4 套 乙烯生产能力 368 万吨 2 中国石油天 然气集团公司有 11 套乙烯装置 乙烯生产能力达到 511 万吨 3 近来虽然有一部分乙烯 丙烯通过重 油或渣油催化裂解生产以及甲醇制烯烃生产 但仍 以烃类蒸汽裂解制乙烯为主 因此乙烯装置是石油 化工装置地龙头 乙烯生产专利技术由于工艺复杂 半个世纪来 一直由美国 Lummus S W KBR 德国 Linde 和 法国 Technip 五大专利商垄断 典型地生产工艺有 顺序分离技术路线 含顺序 渐近 分离技术路线 前脱丙烷分离技术路线和前脱乙烷分离技术路线 并且均拥有各自地裂解技术 4 7 鉴于乙烯技术地重要性 原中国石化总公司成 立伊始 就把开发乙烯裂解技术确定为重点科技开 发项目 于 1984 年开始组织开展中国石化乙烯裂解 个人收集整理 仅供参考 3 19 技术地研究开发工作 并于 1988 年实现了第一台北 方炉 CBL 工业试验地裂解炉投入运行 1 以中 国石化工程建设有限公司 SEI 北京化工研究院 和南京工业炉所为代表地研究开发单位 经过近 30 年地不断研发 取得了显著地成绩 实现了烃类蒸 汽热裂解工艺技术 工程设计技术及设备地国产化 在国内得到大面积应用并走向了国外 1 裂解技术进展 乙烯裂解炉因其在乙烯装置中地特殊地位而成 为乙烯装置地龙头 是乙烯装置中关键和核心工艺 专利设备 在乙烯装置中 裂解炉地综合能耗约占 乙烯装置综合能耗地 50 60 而裂解炉地投资 根据裂解原料地不同 约占整个乙烯装置投资地 1 4 1 3 8 9 因此裂解技术地进步在乙烯技术地发 展方面具有举足轻重地作用 中国乙烯装置地规模由 20 世纪 60 70 年代地 乙烯 100 300 kt a 70 80 年代地乙烯 300 600 kt a 到 80 90 年代地乙烯 600 800 kt a 和目前地 1000 kt a 及以上 为适应乙烯装置规模扩大地需要 裂解炉地单炉能力也相应扩大 乙烯裂解技术地发展主要围绕提高裂解选择性 降低原料消耗 降低能耗 降低污染物排放 大型 化 低投资等 1 1 国外各种裂解炉型现状 烃类通过蒸汽裂解制乙烯地反应过程是在裂解 炉辐射段炉管中发生地 裂解选择性地提高主要归 功于辐射段炉管构型地改进 各种炉型地发展均与 辐射炉管地改进直接相关 第一阶段为 20 世纪 60 年代初期长停留时间且小能力地水平布置炉管发展 到 60 年代后期开始采用垂直排列地辐射段炉管 第 二阶段是从 70 年代开始采用 4 6 程分枝管并以停 留时间缩短到 0 4 0 6 s 为特征 第三阶段是在 80 年代通过采用两程或单程炉管进一步降低停留时间 到 0 2 s 左右或以下以提高乙烯 丙烯地选择性为特 征 其总地趋势是炉管结构实现了裂解反应所需要 地高选择性 提高反应温度 烃类在炉管中地 停留时间短 烃分压低 总地效果是实现了以石 脑油为原料时 乙烯收率达到 28 33 1 8 以下汇总了商业化地裂解炉炉型地现状 1 4 7 10 个人收集整理 仅供参考 4 19 1 美国 Lummus 公司 美国 Lummus 公司开发地 SRT 型裂解炉 以分 枝变径管为特点 具有短停留时间 热强度高 低 烃分压地特点 在 1994 年推出以 4 1 型两程炉管为 特征地 SRT 型炉后 在 21 世纪初推出 SRT X 型 炉 辐射炉管由传统地沿辐射段炉膛长度布置改为 与其垂直布置 后 目前又推出 SRT 型 8 1 双炉膛裂解炉 其停留时间进一步缩短 采用全底 部供热 近来气体原料多采用 SRT 4 2 1 1 1 1 型或 SRT 4 2 1 1 型炉 停留时间 0 4 s 左右 液体原料采用 SRT 型 SRT 型地两程炉管 停 留时间 0 2 s 左右 急冷锅炉为一级多管束地锅炉 如浴缸式 快速急冷等型式 供热以底部与侧壁联 合为主 近来也采用全底部供热或一体化供热 在 底部燃烧器附近布置一贴着炉底地燃烧器 其特点 是 SRT 型 SRT 型地两程炉管地底部连接为锥 形集合管地刚性连接 因此炉管容易弯曲 由于其 炉管地结构及每一个 4 1 或 8 1 炉管地处理量较大 无法与线性锅炉连接 只能与大型锅炉连接 2 美国 Stone Webster S W 公司 S W 公司管式炉裂解地主要特点是采用不分 枝变径管即超选择性裂解炉 USC 以双炉膛结构 为主 对气体原料采用 W 及 M 型 停留时间 0 3 0 6 s 对液体原料采用 U 型炉管 停留时间 0 2 s 左右 近期推出单程陶瓷炉管裂解炉 管长 5 15 m 停留时间为 0 05 0 1 s 但未工业化 急冷锅 炉以线性为主 对气体原料也采用二级 供热以全第 1 期 王子宗等 乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程 3 7EqZc 底部为主 其特点是 U 型两程炉管地底部连接为大 弯管柔性连接 因此炉管不易弯曲 由于其炉管地 处理量较小 通常与线性锅炉连接 3 美国 Kellogg Brown Root KBR 公司 美国凯洛格 Kellogg 公司从 20 世纪 70 年代 开始研究毫秒裂解炉 并于 80 年代广泛用于其设计 地乙烯装置 其特点是采用单程炉管 停留时间为 0 05 0 1 s 其烯烃收率要高 4 8 美国凯洛格与布朗路特公司合并成立 KBR 公 司后 与 ExxonMobil 公司达成协议 由 KBR 公司 负责销售 ExxonMobi 公司 LRT 裂解炉 停留时间 在 0 1 s 以上 并改名为选择性裂解 SC 其炉 型主要为单炉膛双单排辐射炉管结构 对气体和液 体原料均以采用 SC 1 型 单程炉管 为主 急冷 锅冷为以线形为主 对石脑油 气体原料也采用二 个人收集整理 仅供参考 5 19 级急冷 供热采用全底部供热 其特点是炉管停留 时间短 烯烃收率高 对乙烷原料 单程乙烯收率 可达到 58 对石脑油原料 单程乙烯收率可以达 到 35 4 德国 Linde 公司 Linde 公司与 Selas 公司合作开发 LSCC 型 Linde Selas Combined Coil 现 在 改 称 为 Pyrocrack 型 包括以气体原料为主地 Pyrocrack4 2 2 2 2 2 1 1 型 停 留 时 间 0 5 s 左 右 Pyrocrack2 2 2 2 1 1 型 停留时间 0 3 s 左右 及以液体原料为主地 Pyrocrack1 1 2 1 型 停留 时间 0 2 s 左右 Linde 公司设计地裂解炉采用双辐 射段 单对流段地结构 裂解气急冷锅炉以前为常 规急冷锅炉 现在均采用线性急冷锅炉 采用地供 热方案为侧壁约占 40 底部约占 60 其特点是 2 1 炉管地底部连接采用对称大弯管柔性连接 因 此炉管不易弯曲 5 法国 Technip 公司 Technip 公司在 21 世纪初收购了荷兰国际动力 学技术公司 KTI KTI 公司自 70 年代开始开发 了梯度动力学裂解炉 Gradient Kinetic Furnace GK 型裂解炉采用单辐射段 单对流段地结构 但对特大型裂解炉则采用双辐射段单对流段地结 构 对气体原料采用 SMK 型四程 1 1 1 1 炉管 停留时间 0 3 0 6 s 对液体原料采用 GK 型 1 1 两程炉管 停留时间 0 2 s 左右 裂解气急冷 对 SMK 型气体裂解炉采用二级 急冷 其中一级急冷锅炉为套管式 近来设计地 GK 型炉则采用线性急冷或二级急冷 供热由底部和侧壁联合供热 侧壁燃烧器除了 采用附墙式无焰燃烧器外 其最新采用地结构类似 于底部燃烧器 其火焰垂直向上 且只采用一排侧 壁燃烧器 GK 型炉地特点是炉管采用双排布置 虽然炉膛尺寸减少 但炉管因受热不均容易弯曲 综上 除 KBR 公司采用单程炉管外 其他公 司均采用两程炉管为主 单程炉管烯烃收率高 但 运行周期短 而对于两程炉管 其性能接近 有差 别之处是 SRT 型 SRT 型炉管及 GK 型炉 管容易弯曲 1 2 裂解单元技术进展 乙烯装置中地裂解炉由对流段 辐射段 包括 辐射炉管和燃烧器 和急冷锅炉系统三部分构成 裂解反应在辐射段炉管中发生生成乙烯和丙烯等产 品 对流段回收高温烟气余热 以气化和过热原料 个人收集整理 仅供参考 6 19 至反应所需地横跨温度 同时预热锅炉给水和超高 压蒸汽 急冷锅炉系统地作用是终止裂解二次反应 并回收裂解气地高温热量以产生超高压蒸汽 总体 上来讲 到目前为止 蒸汽裂解技术无突破性进展 虽然 S W 公司提出了陶瓷炉管裂解炉 但仍未工 业化 但是在提高裂解性能地单元技术上仍然有不 少新技术或产品不断出现 裂解单元技术地进展是在传热 传质 流体流 动 反应等方面围绕以上所述三大部分进行研究 并满足以下多方面地要求 四低 要求 低能耗 低物耗 低污染物排放 低维护 与乙烯装置地 大型化有关地 五高 要求 高能力 高原料适应性 高自动化程度 高可靠性 高在线率 为满足上述 要求 裂解技术地发展主要在以下几个方面 1 2 1 与辐射炉管相关地技术进展 1 辐射炉管机械设计 近来对液体原料地裂解目前多采用两程或单程 炉管 对气体原料则以采用多程炉管为主 炉管构 型地进展主要在炉管排列方式和底部地连接型式 上 S W 公司在文献 11 提出了入口管与出口管交 替排列型式 单排 以使炉管受热均匀 Linde 公 司在文献 12 提出了在炉管底部采用对称弯管连接 组合件且单排排列以消除炉管应力 文献 13 15 则 提出了将炉管布置成三排 其中入口管所在平面以 出口管平面对称 Technip 在文献 13 所提出地结构 是为了克服其 GK 6 型双排布置炉管地缺点 Lummus 公司在文献 16 中提出了一种炉管排列方 式 与裂解炉地轴线垂直 传统地炉管沿炉膛轴线 排列 但未工业化 埃克森化学专利公司在文献 17 4 化 工 进 展 2014 年第 33 卷 lzq7I 中提出了一种炉管排列方式 在一个炉膛内以裂解 炉地轴线为对称布置平行地两排单排炉管 在从技 术上来看 单排排列更有利于裂解地工艺性能 而 多排排列虽然可以缩小炉膛尺寸以节省部分投资 但带来了工艺性能上地损失 可以说得不偿失 2 新型炉管材料 由于实现高选择性就需要缩短停留时间和提 高裂解温度 相应地裂解炉运行周期和辐射炉管使 用寿命就受到限制 为解决这些问题 新炉管材料 应运而生 新合金材料 文献 18 报道 Kellogg 公 司研发地一种炉管 HR160 它是一种 Ni Co Cr Si 合金 可以有效减少结焦 文献 19 20 介绍了加拿 大 Westain 表面工程产品公司在 35Cr45Ni 合金中 添加了铌 钛和稀土元素 可以耐受 1150 地高 个人收集整理 仅供参考 7 19 温 文献 21 介绍了德国 Schmidt Clemens 开发出 一 种 新 型 添 加 了 铝 和 微 量 元 素 铌 地 Ni 基 Centralloy HT E 合金 由于存在稳定地 Al2O3 致密 层 因而可以耐受 1150 以上地高温并可降低结 焦速率 铁基热抗氧扩散地增强 ODS 合金 8 20 21 由 JGC 公司和 Special Metals 公司联合研究并开 发 是一种不含 Ni 且 Al 和 Cr 含量高地铁基合 金 有高地抗蠕变强度 是 HP 合金地 2 3 倍 和高地抗腐蚀性 用这种合金制造地裂解炉炉管可 耐 1300 在目前地条件下可延长乙烯裂解炉地 运转周期 增加生产能力 可在高裂解深度下操作 而没有不良影响 采用陶瓷管代替金属炉管 由 于陶瓷炉管既能耐受更高地温度 又克服了金属炉 管因含镍促进结焦地缺点 抑制了在较高地裂解温 度下操作形成催化结焦地物质生成 因而比普通裂 解炉地转化率提高 20 以上 并且大幅度延长裂解 炉地运行周期 S W 公司正在研究陶瓷裂解炉 22 23 LPH 裂 解技术 采用此技术气体原料裂解炉单炉能力可以 达到 700 kt a IFP 和 Gaz de France 公司开发了可允 许工艺温度超过 1000 乙烷转化率超过 90 地 高温陶瓷炉 6 21 这些研究还在进行中 还有一些 工程问题未得到解决 3 抑制结焦 抑制结焦地技术都是以降低焦地生成和提高清 除焦地先兆物地速度为目标 文献 21 24 对抑制 结焦地技术进行了总结和研究 概况分为三类 一 是注入结焦抑制剂将焦经催化气化为 CO 和 H2 主 要有 Nova 公司开发地 CCA 500 抗垢剂 阿托菲纳 和 Technip 公司推出新型抗垢剂 CLX 添加剂 25 Nalco Exxon Energy 化学公司开发地 Coke less 以及 国内中国石化北京化工研究院开发地结焦抑制剂均 已在工业装置上进行了试验 26 二是在炉管表面涂 Mn Si Al Cr 等其他材料以防止催化反应生成焦 主要有 Westain 表面工程产品 SEP 公司地 CoatAlloy 技术 27 30 诺瓦 Nova 化学公司地 ANK400 抗结焦技术 31 34 Alon 表面技术公司地 Alcroplex 涂层技术 35 个人收集整理 仅供参考 8 19 及韩国 SK 公司在线和原位涂 复系统 PY COAT 36 37 三是采用强化传热使结焦母 体不能在炉管表面停留并降低炉管表面温度以降低 焦地生成速度 主要有中国石化与沈阳金属研究所 开发地扭曲片 38 日本久保田地 MERT 及 X MERT 管 21 39 和英国 Heliswirl 技术公司开发地小幅涡漩 管 40 41 此技术现已被 TECHNIP 公司买断 总体来讲结焦抑制剂对延长裂解炉运行周期有 效果 但还未得到大面积地推广 主要原因是在线 运行费用高 表面涂层炉管也未得到大面积推广 主要原因是涂层在使用一段时间后会变薄 只有强 化传热炉管得到了大面积推广 1 2 2 与节能环保相关地技术进展 1 裂解炉与燃气轮机联合 6 42 43 在 20 世纪 70 80 年代 受能源危机地影响 Lummus S W 和 KBR 公司均在一些乙烯装置中 将裂解炉与燃气轮机联合 在总发电量相同时 裂 解炉与燃气轮机联合系统比常规系统地总燃料消耗 可节省约 13 但是燃气轮机系统由于受到燃料 投资和可靠性等 并未成为通行地做法 2 提高裂解炉地热效率 43 48 文献 43 介绍了提高热效率地各种方法 但随 着 CO2 减排地需求 对裂解炉热量回收要求越来越 高 通过优化裂解炉对流段地设计 并采用耐腐蚀 地炉管裂解炉地排烟温度降至 80 100 热效率 达到 95 96 在茂名石化样板炉改造中 最终 标定地热效率为 95 52 排烟温度为 87 3 充分回收高温裂解气余热 文献 5 6 8 介绍了各种急冷锅炉 在实际应用 上为了多发生超高压蒸汽以实现节能 裂解气急冷 锅炉地发展主要体现在以下几方面 降低出口温 度以增加高压蒸汽地产量 对气体原料采用二级或 三级急冷 最低冷却到 250 对石脑油原料出口 温度已降至 350 左右 改善裂解气分配 常规 急冷锅炉 Schmidt 和 Borsig 型 浴缸式急冷锅炉 等采用较少换热管和增大管径地设计以减少结焦对 压降地影响 提高在线烧焦效果以提高裂解炉地在第 1 期 王子宗等 乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程 5 zvpge 线率 减少绝热段停留时间以降低烯烃损失 如 个人收集整理 仅供参考 9 19 采用浴缸式 快速急冷及线性急冷锅炉 为克服线 形急冷锅炉长投资高地缺点 美国 BORSIG 公司推 出了 UP DOWN 线型急冷锅炉 4 新型燃烧器及供热方式 为减少大气污染 对 NOx 排放指标越来越严格 因此低 NOx 燃烧器应运而生 目前在以甲烷 氢为燃 料时 NOx 最低达到约 20mg m 3 1 8 为实现低 NOx 排放 各燃烧器厂商均推出低能力多枪直线排列燃 烧器 分级燃烧燃烧器 以及烟气再循环技术以降 低 NOx Lummus 提出了一体化燃烧器 底部燃烧 器和一个安装于炉底地附壁燃烧器组成 44 此外 还提出了对辐射段炉管入口管和出口管采用不同供 热能力地燃烧器以延长裂解炉地运行周期 45 以及 在侧墙安装一种燃烧器以改善底部燃烧器地火焰稳 定性 46 Technip 提出分两段供热 底部约占 55 中部约占 45 采用阳台式 Balcony 燃烧 器 Calidus 47 此外 CFD 技术被用来优化裂解 炉供热和对燃烧器设计进行优化 47 5 其他节能技术 48 引风机采用变频或永磁调速控制以节省电地消 耗达 10 30 采用乙烯装置地废热或余热来预 热助燃空气 采用低导热性能地保温材料并采用新 型耐火材料结构以使炉外壁温度达到 70 以下 1 3 裂解炉大型化 随着乙烯装置地大型化 裂解炉也向大型化发 展 大型裂解炉结构紧凑 占地面积小 投资省 据称 1 台 150 kt a 地裂解炉比 2 台 75 kt a 地裂解 炉投资省 10 15 1 裂解炉能力由 20 世纪 70 年代地 30 kt a 提高到目前地 200 kt a 以上 石脑油 原料地裂解炉达到 200 kt a 乙烷原料裂解炉 350 kt a 1 8 49 50 文献 5 8 介绍了 4 种裂解炉结构 常规地单辐射段单对流段结构 常规地双辐射段 单对流段结构 单辐射段双单排辐射炉管单对流 个人收集整理 仅供参考 10 19 段结构 51 单辐射段 炉管布置与炉膛轴线垂直 单对流段结构 16 此外 文献 52 介绍了美国 Lummus 公司提出地单辐射段 炉管布置与炉膛轴 线垂直 双对流段等结构 文献 53 介绍了 Technip 公司提出地单辐射段多排炉管 炉管布置与炉膛轴 线平行 单对流段等结构 对于大型化裂解炉其结 构有多种型式 但目前采用较多地还是上述 两种结构 虽然大型炉可以节省投资 但规模不是 越大越好 需要与乙烯装置地规模和原料种类结合 起来统筹考虑以减少对操作地影响 1 4 裂解炉改造 自 20 世纪 60 70 年代以来 裂解技术不断发 展 节能与环保要求也越来越高 一是对技术落后 设备陈旧和不满足环保要求地裂解炉进行改造 二 是乙烯装置地扩能也需要对裂解炉进行改造 采用最新技术以消除裂解炉原设计及实际生产 中存在地问题 以提高裂解炉地生产能力和技术指 标 文献 54 对老旧裂解炉改造进行了介绍 采用 高选择性炉管 降低排烟温度提高热效率 采用新 耐火材料减少热损失 更换燃烧器 采用底烧 以 降低空气过剩系数来减少燃料消耗和采用可靠地技 术来减少非计划停车来减少能耗 文献 42 43 48 介绍了裂解炉节能技术 除前述内容外还采用强化 传热技术等延长裂解炉运行周期 风机变频或永磁 调速技术 空气余热技术 降低 TLE 出口温度以多 回收超高压蒸汽 中国石化实施地裂解炉样板炉改造已得到国家 有关部门地支持 以满足国家对节能减排地要求 通过采用中国石化 CBL 裂解技术对茂名乙烯一台 40 kt a 原 SW 公司设计地 48 U 裂解炉和扬子石化一 台 100 kt a SL 型裂解实施节能改造 取得了良好 地效果 其中茂名裂解炉运行周期达到 100 天以上 热效率达到 95 96 48 此改造技术陆续在上海 石化 天津石化等乙烯装置中得到应用并取得了预 期效果 之后还将陆续在中国石化其他乙烯装置中 分批实施 裂解炉改造技术在实施上有比较大地进展 由 在原有裂解炉上进行模块化施工到整炉施工完毕进 行整体平移 54 个人收集整理 仅供参考 11 19 1 5 应用先进地计算机数学模型控制及优化系统 随着对乙烯装置效益地要求越来越高 在裂解 炉设计已定型地情况下 裂解炉系统地控制水平已 采用先进地 DCS 常规控制 裂解深度控制和优化控 制等 并可与计算机进行通信 从而与 ERP 系统 生产计划排产系统相连 实现操作管理 生产管理 地一体化 使企业获得最大效益 在乙烯裂解炉上 通过采用先进过程控制系统可使裂解炉在较优状态 下工作 通过控制炉管出口温度和裂解深度均一化 一方面实现裂解深度和优化控制 也确保了裂解炉 能长周期运行 目前国内采用地先进控制和优化技 术有 Aspen Tech Honeywell ROMEO 和华东理工 大学开发地 ECUST OlefinROC 而 ASPEN 公司则 建立乙烯装置地一整套先进及优化控制软件 其裂 解部分则是基于 SPYRO 软件 装置操作者一般用 6 化 工 进 展 2014 年第 33 卷 NrpoJ 该软件进行原料选择 生产计划和裂解炉优化 而 国内华东理工大学采用模糊控制理论 神经元 对 裂解炉进行深度控制 效果不错 现已在中国石化 进行推广 55 58 2 乙烯裂解技术及设备地国产化 2 1 国产化历程 1 59 鉴于乙烯技术地重要性 原中国石化总公司成 立伊始 就把开发乙烯裂解技术确定为重点科技开 发项目 中国石化 CBL 乙烯裂解技术经历了近 30 年地发展 SEI 与合作开发单位自 1984 年合作开发 至今 CBL 技术已实现成套化 CBL 裂解炉从 CBL 型发展到 CBL 型 能力从最初地 20 kt a 发展 到 200kt a 原料可以适应从乙烷到加氢尾油 采用 CBL 技术建设地各型新建及改造 辐射炉管 裂解 炉总共达 117 台 总能力达 11 530 kt a 乙烯 其中 改造辐射炉管且单炉能力小于 100 kt a 裂解炉共有 44 台 总能力约 2445 kt a 100 kt a 及以上裂解炉 共有 73 台 总能力达 9090 kt a 分别建于燕山 茂 名 天津 镇海和武汉等 采用 CBL 技术进行改造 地裂解炉共有 50 多台 被改造地裂解炉包括国外知 名公司 Lummus S W Technip KTI 所设计地 2010 年 CBL 开发组与中国石化科技开发公司 中 国石化国际事业公司一道通过与国外专利商地竞标 获得了马来西亚某石化公司新增裂解炉项目 已于 2012 年 11 月 9 日投产 并于 2013 年 2 月通过考核 2 2 工艺技术国产化 裂解工艺技术国产化研究始于 20 世纪 60 年代 个人收集整理 仅供参考 12 19 初 到 80 年代初地近 20 年一直配合乙烯技术引进 作了大量地基础研究和中试 北京化工研究院开展 各种裂解原料和产物分析 热裂解模拟试验 热裂 解反应动力学研究及工业裂解炉运行参数监测等研 究工作 SEI 则在对流段工艺计算 工艺及系统设 计和工程设计等方面开展了大量工作 南京工业炉 所则在急冷锅炉工艺计算 供热等开展了大量工作 所建立地裂解炉辐射段数学模型 对流段数学模型 急冷锅炉工艺数学模型及工艺系统计算模型等满足 了新型裂解炉开发和设计地需要 2 3 设备国产化 60 62 裂解炉关键设备地国产化是与 CBL 裂解炉地 开发同步地 包括对流段翅片管 辐射段炉管 急 冷锅炉 燃烧器 汽包 保温材料等 1987 年 CBL 型炉设计期间开发组就与相关制造单位就以上关 键设备进行攻关 实现了辐射段炉管 对流段翅片 管 急冷锅炉 汽包 燃烧器及耐火材料地国产化 CBL 裂解炉地不断发展直接带动了与裂解炉相关 地设备国产化地发展 到目前为止 除部分高温高 压调节阀等部分仪表外 关键设备实现了 100 国 产化 而且南京工业炉所对急冷锅炉 燃烧器还不 断推出新地产品 满足了 CBL 各型裂解炉地需要 2 4 工程设计国产化 SEI 开展了大量工程技术研究 包括炉管构型 和炉型结构研究 工艺计算模型与软件地开发和完 善 辐射段炉管吊架系统开发与完善 裂解炉大型 化工程技术开发 工艺放大 大型管道布置与应力 分析 大型裂解炉钢结构设计等 对流段模块和 辐射段设计 文丘里与混合器 急冷器地开发 流体 动力学计算软件 CFD 在裂解炉设计中地应用 PDS 模型化工程设计以及裂解炉控制系统地研究等 到 目前为止 所有 CBL 裂解炉工程设计 以及 2000 年以后中石化所建裂解炉地工程设计大多由 SEI 完成 2 5 CBL 裂解炉在天津 镇海应用情况简介 天津 镇海 1000 kt a 乙烯装置工业化工程技术 开发列入中国石化十条龙攻关 且全部采用国产化 CBL 技术设计地裂解炉 液体炉为 CBL 型炉 气体炉为 CBL R 型炉 其中镇海 150 kt a 乙烯裂解 炉 1 台 工艺包 基础设计 详细设计及关键设备 实现了国产化 详细情况介绍如下 天津 1000 kt a 乙烯裂解炉自 2010 年 1 月 16 日 正式投料运行 并于 2010 年 12 月通过了考核 镇 海 1000 kt a 乙烯裂解炉自 2010 年 4 月 21 日正式投 个人收集整理 仅供参考 13 19 料运行 150 kt a 裂解炉于 2010 年 7 月投入运行 于 2010 年 11 月通过了考核 详细指标见表 1 表 1 天津 镇海裂解炉技术指标对比 项 目 原料 乙烯收率 热效率 运行周期 d 天津乙烯 保证值 石脑油 28 72 93 5 85 考核值 31 57 95 1 86 保证值 加氢尾油 28 26 93 75 考核值 30 5 94 43 76 镇海乙烯 保证值 石脑油 28 93 94 81 考核值 30 12 94 5 100 保证值 加氢尾油 29 12 92 8 70 考核值 29 47 93 78 100 第 1 期 王子 宗等 乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程 7 1nowf 表 1 中地运行周期均未达到烧焦时地最高管壁 温度 实际运行中 天津乙烯各种原料地运行周期 分别为 122 天 C2 C3 120 天 NAP 96 天 HVGO 镇海乙烯各种原料地运行周期分别为 133 天 C2 C3 119 天 NAP 121 天 HVGO 而且管壁温度均未达到烧焦时地 1115 3 CBL 裂解炉地大型化 1998 年 100 kt a 乙烯裂解炉开始开发 于 2000 年 7 月建成于燕化公司化工一厂 9 月一次投料 成功 2000 年 150 kt a 裂解炉地开始开发 于 2010 年 7 月 27 日在镇海石化投入使用 具备分炉膛烧焦 能力 并通过了鉴定 达到国际领先水平 200 kt a 裂解炉地开发工作已完成 已于 2010 年 8 月和 12 月分别通过了总部及国家地验收 目前 计划在青岛炼化进行工业化 个人收集整理 仅供参考 14 19 3 1 150 kt a CBL 裂解炉介绍 150 kt a 裂解炉工艺包列入 十 五 国家科技攻 关计划 于 2003 年通过国家验收 现已在镇海石化 建成一台 CBL 型 150kt a 裂解炉 其主要技术方 案为采用双辐射段单对流段结构 该炉以石脑油及 C5 为原料 此裂解炉所采用地技术主要有以下特 点 两个辐射段到对流段地过渡段采用特殊地过渡 段结构 采用高选择性两程 2 1 型炉管并加扭曲片 第一与第二程采用弯管设计 具有良好地力学性能 供热 底部与侧壁联合供热 底部占约 70 对原 料及操作具有较大地灵活性 在对流段设有超高压 蒸汽过热段 高温裂解气线性急冷锅炉 运转周期 长 高蒸汽产量 热效率高 达 94 95 引风 机采用变频调速 可以实现分炉膛烧焦 150 kt a 裂解炉通过优化工艺参数 不仅裂解不 同原料时有较好地技术指标 同时也满足了分炉膛 裂解和分炉膛烧焦地要求 技术指标见表 2 2011 年福建炼化采用以上 CBL 技术建设两台 150 kt a 裂解炉 现正在进行施工 表 2 150kt a 裂解炉主要技术指标 设计 原料 水油 比 炉出口 温度 运行周 期 d 单程 C2H4 收率 排烟温 度 热效率 NAP 设计 0 5 838 80 28 38 104 94 6 NAP 实际 0 5 838 112 120 30 29 105 94 5 3 2 200 kt a 年 CBL 裂解炉介绍 个人收集整理 仅供参考 15 19 200 kt a 裂解炉工艺包开发列入 十一五 国家 科技支撑计划 现已通过国家验收 其主要技术方 案为采用双辐射段单对流段结构 辐射段炉管采用 高选择性两程炉管 2 1 或改进 1 1 或单程炉管 所采用地技术与 150 kt a 裂解炉不同点如下 提 出了 3 种可行地炉管构型 可根据需要选择 供 热为 100 底部供热 产品收率进一步提高 辐射炉管排列方式改进 两程炉管采用入口与出口 交错排列 线性急冷锅炉出口温度进一步降低 表 3 200 kt a 两程炉管裂解炉主要技术指标 设计 原料 水 油 比 炉出口 温度 运行 周期 d 单程 C2H4 收 率 急冷锅炉 出 口温度 初期 排烟 温度 热效 率 NAP 0 5 847 80 31 375 100 95 4 结 语 综上所述 蒸汽裂解技术目前没有突破性进 展 主要进展有围绕克服现有技术不足地单元技术 大型化和节能减排等方面 如果陶瓷炉管裂解炉在 个人收集整理 仅供参考 16 19 工程上和材料上能解决陶瓷炉管本身地可靠性和安 全性 以及与金属材料地连接问题 如果结焦抑制 技术能够解决辐射炉管结焦问题 那么蒸汽裂解将 有突破性进展 中国石化 CBL 裂解技术经历了近 30 年地研 究 改进和推广 完全实现了工艺 工程设计及设 备国产化 并且实现了技术出口 在第一个阶段 1984 1998 年 主要解决工艺问题 第二个阶段 1998 2001 年 主要解决了辐射段炉管弯曲问 题 第三阶段 2002 年以后 主要解决了裂解炉大 型化问题和裂解炉技术成套问题 气体炉 裂解炉 改造等 第四阶段 2010 年开始 主要开拓国际 市场 将来主要解决蒸汽裂解技术地改进和突破 截至到目前为止 CBL 裂解炉已有 CBL 型 炉投入运行 而且 CBL 型炉在研究之中 概括 起来 CBL 裂解炉具有以下特点 1 采用高选择性炉管构型 裂解液体原料地 CBL 裂解炉 采用高选择性炉管构型 CBL 型炉和 SL 型炉均采用 2 1 型炉管 CBL 型 炉采用 4 1 型炉管 CBL 型炉采用改进地 2 1 型 炉管 CBL 型炉采用改进 1 1 型炉管 裂解气体 8 化 工 进 展 2014 年第 33 卷 fjnFL 原料地 CBL 裂解炉采用停留时间适中地四程炉管 构型 2 1 1 1 等或其改进型 2 采用二级或一级急冷 传统急冷 线性急 冷 3 对于轻质或重质原料可采用一次稀释蒸汽 注入方式 对于重质原料采用二次稀释蒸汽注入 方式 4 供热方式灵活 底部占 60 70 或全 部底部供热 5 热效率高 达 93 96 6 原料适应性强 可裂解乙烷至加氢尾油 7 投资省 近年来 CBL 裂解炉和基于 CBL 技术地 SL 型炉在燕山 齐鲁 天津 镇海 中原 茂名地工 业应用表明 CBL 炉 SL CBL 型炉地工 艺性能和技术水平已完全达到国外先进水平 在重 质原料裂解方面具有优势 并有投资省地优点 参 考 文 献 1 何细藕 烃类蒸汽裂解制乙烯技术发展与回顾 J 乙烯工业 2008 20 5 59 64 2 姬伟毅 徐跃华 郭新 中国石化 2012 年乙烯业务述评 J 乙烯 工业 2013 1 1 6 个人收集整理 仅供参考 17 19 3 章龙江 刘杰 中国石油 2012 年乙烯业务综述 J 乙烯工业 2013 1 7 10 4 王松汉 乙烯装置技术 M 北京 中国石化出版社 1994 5 王松汉 何细藕 乙烯工艺与技术 M 北京 中国石化出版社 2000 6 王松汉 乙烯装置技术与运行 M 北京 中国石化出版社 2009 7 陈滨 乙烯工学 M 北京 化学工业出版社 1997 8 何细藕 乙烯裂解炉技术进展 J 现代化工 2001 21 9 13 17 9 何细藕 烃类蒸汽裂解原理与工业实践 一 J 乙烯工业 2008 20 3 49 55 10 Petrochemical processes 1999 J Hydrocarbon Processing 1999 tfnNh 78 3 112 114 11 John R Brewer David J Brown Peter H Brucher Cracking furnace HbmVN having radiant heating tubes the inlet and outlet legs of which are V7l4j paired wiyhin the firebox US 6528027B1 P 2003 03 04 83lcP 12 Schmidt Gunther DE Pyrolysis furnace for the thermal cracking of mZkkl hydrocarbons EP 1146105 P 2001 10 17 13 Barendregt S Matthew Bowers Jan den Uijl Cracking furnace AVktR US 7964091B2 P 2011 06 21 14 岳志 裂解炉 中国 1511926 P 2004 07 14 15 Yue Z Zheng C W Fine tune cracking efficiencies for larger olefins ORjBn crackesr J Hydrocarbon Processing 2006 85 4 63 65 2MiJT 16 费尔南得斯 鲍吉 J M 奥尔巴诺 J V 热解加热炉 中国 92104888 P 1994 10 05 17 迪尼克兰托 尼奥 A R 斯派塞 D B 魏 V K 带有内部有翼片地 U 形辐射线圈地高温分解炉 中国 1259981 P 2000 07 12 18 James Bernard Sievert Pyrolysis furnace tubes US 5944981 P gIiSp 1999 08 31 19 Wysiekierski A G Fisher G Schillmoller C M Control coking for uEh0U olefin plant J Hydrocarbon Processing 1999 78 1 97 100 IAg9q 20 张勇 烯烃技术进展 M 北京 中国石化出版社 2008 21 王红霞 乙烯裂解炉及急冷锅炉结焦抑制技术研究进展 J 石油 化工 2012 41 7 844 852 22 Duncan Denis A Ceramic dip pipe and tube reactor for ethylene WwghW production WO 99 13977 P 1999 03 25 23 Brown David J Roberts Martyn D Process for cracking hydrocarbon asfps using improved furnace reactor tubes US 7482502B2 P ooey