乙烯裂解炉的发展和节能技术

1、乙烯裂解炉的发展和节能技术摘要：乙烯工业是石油化工的“龙头”，并且常作为衡量一个国家基本化学工业的发 展水平。乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料的基本化工原料，也用于制造氯乙 烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等。烃类管式炉裂解制乙烯是一项 对国民经济有很大影响的复杂综合技术，具有投资大、原材料消多、能耗高、主产品 和副产品及联产品量大且应用广泛的特点。本文主要介绍乙烯裂解炉的发展以及在节 能技术方面的进展，并且就裂解炉以后的发展做了大胆的预测。关键词：乙烯；乙烯裂解炉；应用。引言在乙烯装置中，裂解炉的耗能最大。1973年以前乙烯装置从裂解炉回收的能量较少， 因此需要从界区外补充供应

2、部分能量。由于技术的进步，现在裂解炉可以最大限度地回收 一部分能量用于乙烯装置的压缩、深冷、精制各工段，并向界区之外输出。裂解炉的节 能、降耗、减少投资、降低成本主要从以下两个方面考虑。降低原料消耗和使用多种原 料来降低原料成本，以较少的原料获得较多的烯烃。降低裂解炉的能耗。通过改进裂解 工艺可以提高裂解炉的热效率和高温裂解气高温位热能回收水平都可达到降低本工序能耗 的目的。1裂解炉技术的发展概况自1964年第一台辐射段垂直炉管结构的双面辐射短停留时间裂解炉由鲁姆斯公司在德 国推出以来，几家从事乙烯技术开发的公司投入了大量的资金和技术力量进行裂解技术的 开发。他们总结前人经验，经过实验室研究，

3、掌握了裂解基本原理和烃类裂解反应动力学 数据并建立了相应的数学模型，获得了大量的工业实践数据和工程技术研究结果。利用计 算机技术，将烃类裂解反应动力学、传热学和流体力学、机械工程等学科有机地结合起 来，使裂解炉技术取得了长足进步。1.1辐射段炉管构型不断改进烃类裂解选择性的提高主要归功于辐射段反应炉管构型的改进。为了提高裂解选择 性，三十多年来，各公司推出了一代又一代的高温、短停留时间、低烃分压的辐射段炉管 构型，其总的趋势是：提高反应温度。60年代，石脑油裂解温度一般为800820C，而 现代裂解的裂解温度已提高到840 C和850860C，单程小直径炉管裂解温度达到900 C左 右。缩短烃

4、类裂解时间。现代裂解炉的烃类裂解反应停留时间已由60年初的0.50.7s缩 短至0.30.4s和0.150.25s，单程小直径炉管达0.1s以下。这可以通过减少炉管程数， 即缩短炉管的长度来解决。降低裂解烃分压。烃分压降低可通过降低炉管阻力降和降低 炉管出口压力来解决。由于上述工艺条件改善，石脑油裂解单程乙烯收率从60年代的23%左右提高到28% 33%，从而使原料消耗大大降低。1.2裂解炉向大型化方向发展随着石化工业的发展，乙烯装置的规模不断扩大。50年代乙烯装置的规模小于10万 t/a，单炉能力只有几千至2.0万t/a。进入90年代以后，国外新建乙烯装置的规模多在60 80万t/a，目前最

5、大规模已达110万t/a，单炉生产能力扩大到6万t/a以上，最大达到1214 万t/a。大型乙烯装置及裂解炉大型化给乙烯装置带来的好处十分显著。 裂解炉的台数减少。以年产60.0万t/a乙烯装置为例，采用11.0万t/a的裂解炉全 装置只需6台裂解炉，如采用中等容量的炉子则需11台裂解炉。裂解炉台数减少使散热损失 下降，节约能量，方便了设备操作、管理，使操作费用降低。 炉子大型化降低了单位乙烯投资费用。还以上例来说，由于设备台数减少带来的 基础施工、设备材料、施工安装建设费用下降，可以使总建设投资节省14%18%。 维修方便，费用降低。 有利于裂解炉的优化控制。1.3裂解炉原料适应性增强早期的

6、裂解炉只能适应较轻的液体原料石脑油或气体原料等单一原料裂解，而现代化 的乙烯装置要求现代化的裂解炉系统的设计应具有高度的原料灵活性，完全灵活的裂解炉 能裂解从乙烷、液化石油气、石脑油、柴油、加氢裂化减压尾油等多种原料。原料变化必将引起工艺设计参数改变，因此在设计中必须考虑对对流段、辐射段、急 冷锅炉、油急冷器、急冷油粘度带来的影响，并采取相应措施解决。因此原料的种类越 多，裂解炉系统及分离系统的设计就越复杂，副产品的数量就差别愈大，不能保证每一种 原料都能在最佳的工艺条件下操作，因此单位乙烯所需的能量和投资也较多。然而，原料 灵活性不但可以减轻市场原料供应的冲击，而且增加了选择价格相对便宜原料

7、的余地，从 而用降低原料费用创造的利润来抵消投资费用的增加，缩短投资回收期。基于上述原因， 各乙烯承包商均开发并掌握了原料灵活性裂解炉设计技术，但工厂最终选择原料种类前， 必须深入调查后慎重确定。1.4抑制炉管结焦技术的发展烃类裂解制乙烯炉管内不可避免地会发生生焦反应，因此需定期清焦，影响生产和经 济效益。为此，从80年代开始，开发了许多的结焦抑制技术，以提高裂解炉的运转周期和 生产能力。结焦抑制技术主要包括三项。裂解原料预处理和改质。即采用降低原料中结焦先兆物的含量来达到减少结焦反 应的目的。研制新的合金炉管材料。如采用渗铝的合金炉管来减少结焦。在裂解原料或稀释蒸汽中添加结焦抑制剂。结焦抑制

8、剂的作用:与炉管内表面 进行反应使表面钝化，抑制非均相反应结焦。改变自由基反应历程，抑制均相结焦。 催化水蒸汽与焦层的气化反应，降低管壁表观结焦量。改变焦的物理性质及形态，使之 松散，易于清除。抑制炉管结焦工作已进行多年，但由于影响炉管结焦的因素较复杂，对 此项工作的前景尚有分歧，因此尚未达到工业应用。2节能技术方面的进展2.1裂解炉热效率提高60年代以前的裂解炉烟气采用自然抽风排放，空气过剩系数大，对流段回收管减少， 炉子生产能力小，散热损失大，裂解热效率在85%以下。能源紧张和燃料价格上涨，炉子规 模扩大等因素促进了各乙烯承建商改进技术，努力提高炉子热效率、减少燃料单耗来降低 生产成本，提

9、高市场竞争力，因此裂解炉的热效率逐渐提高。当今裂解炉设计热效率平均 在93%以上，最高可达96%。裂解炉热效率提高主要基于以下几方面的技术改进。 采用引风机排烟来强化对流段的热回收。从70年代开始，裂解炉均采用引风排 烟，使对流段管排紧凑，布管增多，既强化了对流段传热，又可有效地控制炉膛的负压， 减少漏风所造成的热损失。合理安排对流段热回收管排，降低排烟温度。现代裂解炉在对流段按照温度等级 科学性排布空气预热段、原料预热段、锅炉给水预热段、稀释蒸汽过热段、超高压蒸汽过 热段、原料过热段等，使排烟温度降至80100C，烟气排放热损失降低。但值得注意的 是降低排烟温度必然会增加投资，同时如果燃料含

10、硫量较高则排烟温度不宜过低，否则会 发生低温部分炉管烟气中酸气露点腐蚀，因此要慎重考虑确定。采用预热过的空气作为助燃空气。改进炉体结构和采用低导热性能的保温材料。由于改进炉体结构和采用低导热性能 的保温材料，减少裂解炉表面的散热损失，现代裂解炉的散热损失已降至1.5%左右。2.2控制技术的改进裂解炉系统早期采用的单参数或双参数的调节方法早已不能适用技术的进步，与其它 工业装置一样，最近十多年来多数乙烯装置采用了先进的1)(控制系统，使装置在数据数 字化的基础上，形成了高度的控制系统，并可与计算机连接，从而扩大有关操作管理、生 产管理方面的功能。计算机的运用对装置的生产过程可以实现超前控制、最佳

11、控制等，不 仅降低成本，而且节能，采用最佳化控制后乙烯装置的效率可提高2%4%，其中裂解系统 的控制的改进占有很大比例。2.3物流均布技术现代高选择性大型裂解炉每台炉辐射段炉管多达数十至百组以上，为了维持各组炉管 均在相近的裂解深度下操作，各组炉管的流量均匀分配成为关键问题。常规的大容量炉管 采用调节阀来控制每组炉管流量，由于经济原因和工程的复杂性在此是不适应的。因此， 各乙烯开发公司不约而同地根据流体力学原理，设计开发了结构简单又无需维修的构件来 均匀各组的流量。2.4在线烧焦技术废热锅炉的焦垢采用一般烧焦法很难脱除，只能用机械清焦法清除，因此耗时多，炉 子需降温停车。改进工艺和烧焦法后可使

12、废热锅炉的脱焦与炉管的脱焦过程同时进行，使 清焦时间减少至两天，裂解炉也不需停车，不但节省了时间，也减少了维修费和燃料，对 延长炉管和裂解炉的寿命也有好处。2结语裂解炉技术今后的发展将从两个方向考虑。第一，继续改进，完善过去的管式裂解炉 技术；第二，从根本上革新烃类裂解技术。第一方面的工作可分为改进技术和保全技术两 个方面。改进技术的关键包括适应原料多样化、新的反应炉管构型、反应炉管材质改进、 急冷锅炉结构及清焦方法改进、抑制炉管及急冷锅炉结焦等。同时，裂解炉在线最佳控制 开工率和延长装置的各种检查诊断技术，早期探测装置异常的技术，根据原料变化和裂解 炉运行情况预测装置的变化趋势技术等。第二方面的工作则要开发新的制乙烯技术，使能 耗和物耗较管式炉裂解大幅度下降，使技术有突破性进展。参考文献曾清泉，许士兴.制乙烯的管式裂解炉技术的发展.化工部北京化工研究院，北京100013.肖雪军，何细藕.乙烯装置裂解炉的节能技术.中国石化工程建设公司，北京100101.李绍宇，徐竹林.乙烯生产中计算机技术的应用.盘锦天然气化工