摘 要：闡述了乙烯裂解爐的類(lèi)型及構(gòu)造及原理，評(píng)價(jià)了浙石化乙烯裂解爐的性能優(yōu)越性，重點(diǎn)描述了某石化百萬(wàn)噸乙烯所使用的USC-224U型乙烯裂解爐的設(shè)計(jì)構(gòu)造并進(jìn)行了特性分析，最后對(duì)乙烯裂解爐的發(fā)展方向進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：乙烯裂解爐;選型;爐管;輻射室;對(duì)流室

1 引言

近年來(lái)，中國(guó)乙烯消費(fèi)迅速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)乙烯行業(yè)迎來(lái)大發(fā)展，眾多百萬(wàn)噸乙烯項(xiàng)目紛紛上馬，中國(guó)或?qū)⒊矫绹?guó)成為世界第一大乙烯生產(chǎn)國(guó)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)乙烯生產(chǎn)裝備技術(shù)也在迅猛發(fā)展，乙烯裂解爐作為乙烯生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備，其生產(chǎn)能力及技術(shù)的高低，直接影響著整個(gè)乙烯生產(chǎn)裝置的規(guī)模、產(chǎn)量及產(chǎn)品品質(zhì)，所以乙烯裂解爐在乙烯生產(chǎn)乃至整個(gè)石油化工生產(chǎn)中都起到了龍頭作用。乙烯裂解爐的專(zhuān)利技術(shù)種類(lèi)繁多，如何進(jìn)行爐型選型及專(zhuān)利商選擇困擾著項(xiàng)目投資人及技術(shù)工作者。本文旨在介紹裂解爐選型的關(guān)鍵因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)，并介紹了某石化項(xiàng)目使用的USC-224U型裂解爐性能構(gòu)造特點(diǎn)。

2 乙烯裂解爐原理

裂解爐一般結(jié)構(gòu)主要分為幾大部分，分別是輻射段、急冷鍋爐、對(duì)流段、煙囪、燃燒器等，如圖1。輻射段包含裂解爐管與燃燒器，燃燒器安裝在爐膛的側(cè)壁或底部，輻射爐管被燃燒器的火焰輻射加熱;對(duì)流段的作用是回收高溫?zé)煔鉄崃?急冷鍋爐的主要作用是快速冷卻裂解氣，從而抑制二次反應(yīng)的發(fā)生，并回收高溫裂解氣的熱量。裂解爐管懸掛在輻射段中央。是管式裂解爐的核心部分，裂解爐管的形狀及尺寸隨爐型而變化。爐管中的裂解原料發(fā)生裂解反應(yīng)，裂解產(chǎn)物離開(kāi)反爐管后立即進(jìn)入急冷系統(tǒng)。裂解原料先在裂解爐的對(duì)流段升溫，到一定溫度后與稀釋劑混合繼續(xù)升溫到610～650℃，然后通過(guò)進(jìn)入裂解爐的輻射段并急速升溫到反應(yīng)溫度約850℃，并發(fā)生裂解反應(yīng)，最后裂解產(chǎn)物通過(guò)急冷換熱器被高壓水驟冷以中止反應(yīng)并產(chǎn)生10～12MPa的高壓蒸汽，從而回收熱能。急冷鍋爐隨裂解爐型不同而有所不同。

3 典型乙烯裂解爐性能比較

從原料上分乙烯裂解爐可分為氣體裂解爐和液體裂解爐;從結(jié)構(gòu)上可分為雙單爐膛裂解爐、爐膛裂解爐;從燃燒器布置上可分為、全側(cè)燒裂解爐、全底燒裂解爐以及底燒側(cè)燒聯(lián)合裂解爐;從專(zhuān)利商的角度可分為CBL型裂解爐（中國(guó)石化）、SRT型裂解爐（LUMMUS）、USC型裂解爐（STONE-WEBSTER）、Pyrocrack型裂解爐（LINDE）、USRT爐（Kellogg和日本出光）等。

3.1 爐型優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)

這些爐型的一個(gè)共同特點(diǎn)是都可以稱(chēng)為管式爐：反應(yīng)管吊在輻射室中央，由底部燒嘴進(jìn)行雙面輻射加熱。物料由下部進(jìn)入上部離開(kāi)并迅速進(jìn)入專(zhuān)用的USX型急冷鍋爐，每?jī)筛磻?yīng)管合用一個(gè)USX，多個(gè)USX合接一個(gè)二次急冷鍋爐。

3.1.1 CBL型裂解爐

該爐型是中國(guó)石化自有的CBL裂解技術(shù)，有四大創(chuàng)新亮點(diǎn)：規(guī)模最大，該爐型氣體裂解爐最大做到了20萬(wàn)t/a，當(dāng)裂解原料為乙烷時(shí)乙烯產(chǎn)能可達(dá)20萬(wàn)t/a;氣、液通吃。氣體液體原料都能很好消化，適應(yīng)性更強(qiáng);雙爐膛結(jié)構(gòu)?？蓪?shí)現(xiàn)分爐膛裂解和燒焦，減少了裝置波動(dòng);技術(shù)環(huán)保。獨(dú)特的脫硝工藝使氮氧化物排放濃度降低了約70mg/Nm3。該爐型如能更好處理液體進(jìn)料所產(chǎn)生燒焦問(wèn)題，其產(chǎn)能可進(jìn)一步提高。

3.1.2 SRT型裂解爐

該爐屬于短停留時(shí)間管式爐，已發(fā)展到第六代，其優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了高溫、短停留、低烴分壓裂解。采用雙面輻射的單排管，能最大限度地接受輻射熱量;結(jié)構(gòu)布置合理、溫度均布。輻射室底部及側(cè)壁均有均勻分布的加熱燒嘴，使?fàn)t管周邊溫度均勻，管上下溫差小;爐管能可自由伸長(zhǎng)縮短，不因溫度效應(yīng)變形;爐管吊件設(shè)置在上部隔熱層內(nèi)，避免了高溫輻射;在裂解管出口即接急冷換熱器，使裂解氣更快急冷，減少了二次反應(yīng)發(fā)生。不足之處是操作周期長(zhǎng)。

3.1.3 USC型裂解爐

該爐型又稱(chēng)超選擇性裂解管式爐，優(yōu)點(diǎn)：①采用多組小口徑裂解爐管，雙面輻射加熱，爐管比表面較大，熱強(qiáng)度高且加熱均勻，從而實(shí)現(xiàn)了小于0.3秒的短停留時(shí)間;②使用變徑爐管以降低反應(yīng)過(guò)程的烴分壓。短的停留時(shí)間和低的烴分壓使裂解反應(yīng)具有良好的選擇性。

3.1.4 USRT爐

該爐型又稱(chēng)毫秒裂解爐，優(yōu)點(diǎn)是熱通量大，可使原料在極短時(shí)間內(nèi)加熱至高溫（裂解氣出口溫度可達(dá)850～880℃）;且因裂解爐管是一程，沒(méi)有彎頭，阻力降小，烴分壓低，乙烯收率比其他爐型要高。缺點(diǎn)是爐管多，流量不易平均分配。若采用豬尾管來(lái)分配流量，效果較好。

3.1.5 Pyrocrack型裂解爐

LINDE公司開(kāi)發(fā)了Pyrocrack系列裂解爐，該型裂解爐通常為雙輻射室、單對(duì)流室結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)不同的原料采用了Pyrocrack1-1、Pyrocrack2-2、Pyrocrack4-2等類(lèi)型爐管。其中Pyrocrack1-1選擇性高，停留時(shí)間短，烯烴選擇性高。該爐型存在的問(wèn)題是需要進(jìn)一步高單爐處理能力。

3.2 爐型的選擇

裂解爐爐型應(yīng)根據(jù)熱負(fù)荷、介質(zhì)物性、阻力降、各種操作工況下主要技術(shù)參數(shù)、燃料性質(zhì)、環(huán)境保護(hù)要求，以操作彈性大、熱效率高、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、操作周期長(zhǎng)、安裝及檢修維護(hù)方便、投資省、占地面積小、根據(jù)運(yùn)輸極限最大化預(yù)制為基本原則，并結(jié)合場(chǎng)地條件和余熱回收系統(tǒng)的要求進(jìn)行選擇。且應(yīng)符合下列要求：①爐管傳熱好，反應(yīng)溫度滿(mǎn)足裂解要求、節(jié)能要求;②爐管內(nèi)停留時(shí)間短、裂解反應(yīng)烯烴選擇性好、產(chǎn)能高;③對(duì)流段、急冷系統(tǒng)傳熱效率高、效果好;④物料系統(tǒng)內(nèi)結(jié)焦少、操作周期長(zhǎng)。

4 USC-224U型超選擇性液體裂解爐特點(diǎn)

4.1 背景介紹

某石化140萬(wàn)t/a乙烯的煉化一體化項(xiàng)目，采用美國(guó)T-SW公司先進(jìn)的乙烯裂解工藝專(zhuān)利技術(shù)，并使用其USC-224U型超選擇性液體裂解爐。主要產(chǎn)品有聚合級(jí)乙烯和聚合級(jí)丙烯等。該乙烯工程由上海卓然工程技術(shù)股份有限公司總承包，并供應(yīng)裂解爐及配件，預(yù)計(jì)2020年底建成投產(chǎn)。

4.2 USC-224U型裂解爐構(gòu)造特點(diǎn)

USC-224U型超選擇性液體裂解爐由輻射室、對(duì)流室、引風(fēng)機(jī)及煙囪組成，輻射室為雙爐膛結(jié)構(gòu)，每個(gè)爐膛中有112組U型爐管一字形垂直排列，燃燒器布置于爐底管排的兩側(cè)，形成單管排雙面輻射立管箱式爐。對(duì)流段位于兩個(gè)輻射室中間的上部。對(duì)流段之上依次是引風(fēng)機(jī)和煙囪。原料和稀釋用蒸汽經(jīng)對(duì)流段混合預(yù)熱后，經(jīng)過(guò)橫跨管進(jìn)入輻射段進(jìn)行加熱裂解，產(chǎn)生乙烯﹑丙烯及其他副產(chǎn)品。

4.2.1 輻射段

裂解爐設(shè)兩個(gè)爐膛，每個(gè)爐膛內(nèi)懸掛單排112根爐管。爐管的進(jìn)口管內(nèi)徑50mm，出口管內(nèi)徑50mm，停留時(shí)間約0.2秒。輻射出口管采用適當(dāng)擴(kuò)大直徑的設(shè)計(jì)。原料烴和稀釋蒸汽的混合物在對(duì)流段預(yù)熱后由橫跨管分別引入輻射段入口集合管中，每根橫跨管連接兩個(gè)集合管，每個(gè)集合管再通過(guò)配有文丘里的輻射管將裂解原料輸送到爐膛中進(jìn)行加熱裂解。對(duì)于重質(zhì)進(jìn)料裂解爐，每?jī)蓚€(gè)輻射管出口管通過(guò)一個(gè)Y型件合二為一后與選擇性線(xiàn)性換熱器（SLE）相連。對(duì)于輕質(zhì)進(jìn)料裂解爐，輻射管出口管直接與SLE相連。入口爐管用恒力彈簧垂直懸掛于鋼結(jié)構(gòu)框架上，出口管直接同急冷器SLE相連。輻射爐管可自由向下膨脹。

4.2.2 對(duì)流段

裂解爐的對(duì)流段用于回收離開(kāi)爐膛的高溫?zé)煔獾挠酂?，這些熱量用于預(yù)熱原料和鍋爐給水、過(guò)熱超高壓蒸汽、過(guò)熱稀釋蒸汽等，以提高裂解爐總的熱效率。其中，液體進(jìn)料USC-224U型裂解爐的對(duì)流段從上至下由以下盤(pán)管組成：①原料預(yù)熱盤(pán)管;②省煤器;③烴+稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管T1A;④烴+稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管T1B;⑤稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管（DS）;⑥超高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管S1;⑦超高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管S2;⑧烴+稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管T2。對(duì)于輕質(zhì)裂解原料，經(jīng)過(guò)稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管（DS）過(guò)熱的稀釋蒸汽在外部混合器中與來(lái)自原料預(yù)熱盤(pán)管預(yù)熱后的烴混合，混合后的烴+稀釋蒸汽重新進(jìn)入對(duì)流段，并在烴+稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管T1預(yù)熱，再進(jìn)入烴+稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管T2進(jìn)一步加熱。對(duì)于重質(zhì)原料進(jìn)料，稀釋蒸汽分兩次注入到烴原料中。首先將約占需求總量25%的稀釋蒸汽注入來(lái)自原料預(yù)熱盤(pán)管的烴進(jìn)料中，混合物在烴+稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管T1中進(jìn)一步加熱。其余75%的稀釋蒸汽在重質(zhì)進(jìn)料混合器中與從烴+稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管T1出來(lái)的混合物再混合，以保證重質(zhì)烴在進(jìn)入烴+稀釋蒸汽預(yù)熱盤(pán)管T2進(jìn)行最后加熱前完全氣化。

4.3 主要材料選用說(shuō)明

4.3.1 爐管系統(tǒng)

輻射段入口管的設(shè)計(jì)金屬壁溫分別為1090℃（重質(zhì)進(jìn)料裂解爐）和1010℃（輕質(zhì)進(jìn)料裂解爐），出口管的設(shè)計(jì)金屬壁溫為1100℃，爐管設(shè)計(jì)壽命10萬(wàn)h，入口管和出口管分別選用有良好抗?jié)B碳、耐高溫、抗氧化性能的HP-M離心鑄造管和35Cr-45Ni離心鑄造管。輻射段入口集合管位于爐外，因此選用A312-TP304H可以滿(mǎn)足要求，爐管示意圖如圖2。對(duì)流段最下面三排的遮蔽段盤(pán)管，由于受高溫?zé)煔獾妮椛浼拜^強(qiáng)的對(duì)流傳熱，因此分別選用耐高溫的B407N08811（Incoloy800HT）及A312-TP304H的光管。其余盤(pán)管，依溫度和壓力的不同，依次選用SA/A312TP347H翅片管，SA/A312TP304H翅片管、鉻鉬鋼及碳鋼翅片管。

4.3.2 燃燒器

裂解爐的燃燒器全部采用底燒的設(shè)計(jì)，每臺(tái)裂解爐配有64個(gè)自吸式的低NOx排放的燃燒器，每個(gè)爐膛內(nèi)的32個(gè)燃燒器分兩排平行布置于輻射段爐管兩邊，即每臺(tái)裂解爐共有四排燃燒器，每排布置16個(gè)。

正常操作條件下的燃料以自產(chǎn)的甲烷/氫為主，不足部分以煉廠氣來(lái)補(bǔ)充。燃燒器前設(shè)置空氣預(yù)熱器，利用急冷水提高助燃空氣的溫度，以節(jié)省燃料。

4.3.3 引風(fēng)機(jī)

乙烯裂解爐對(duì)流段出口設(shè)置變頻引風(fēng)機(jī)，并在風(fēng)機(jī)入口設(shè)置調(diào)節(jié)擋板，爐膛壓力通過(guò)變頻調(diào)節(jié)的引風(fēng)機(jī)控制。

4.3.4 爐襯系統(tǒng)

裂解爐襯里的設(shè)計(jì)原則為：在無(wú)風(fēng)、環(huán)境溫度為30℃條件下，爐子外壁溫度不超過(guò)90℃，輻射段爐底和爐頂?shù)耐獗跍囟炔怀^(guò)85℃。裂解爐輻射段下部一定高度范圍內(nèi)爐墻采用輕質(zhì)隔熱耐火磚砌筑，上部爐墻及爐頂襯里選用容重低、導(dǎo)熱系數(shù)低的陶瓷纖維模塊與陶纖毯結(jié)構(gòu)。輻射段爐底及過(guò)渡段襯里選用耐火磚加澆注料加陶纖板結(jié)構(gòu)。對(duì)流段則采用耐火澆注料加纖維背襯板結(jié)構(gòu)。

4.4 技術(shù)特點(diǎn)

該爐型具有高選擇性、停留時(shí)間短、運(yùn)行穩(wěn)定、原料適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。①爐管采用了較小的管徑，較短的管長(zhǎng)，縮短了停留時(shí)間（約0.2秒），乙烯和丙烯的選擇性好、壓降小、且操作周期長(zhǎng);②輻射段爐管穿出爐頂處，采用蓋板可拆卸型遮蔽箱，保溫效果好，減少了熱損失;裂解爐采用陶纖耐火保溫設(shè)計(jì)，熱效率高達(dá)95%;③更適應(yīng)原料的多樣性來(lái)源，加氫尾油等采用二次注入稀釋蒸汽，以保證液體原料全部在對(duì)流段盤(pán)管外氣化，防止對(duì)流段盤(pán)管結(jié)焦，保證裂解爐運(yùn)行周期。得到更好的傳熱和裂解效果;④采用高效的超低NOx底部燒嘴（NOx<90mg/Nm3），燃燒充分，且符合環(huán)保排放要求;⑤液體爐設(shè)計(jì)有獨(dú)立爐膛清焦功能，每個(gè)爐膛需要時(shí)可單獨(dú)清焦，提高了爐子的整體使用率;⑥裝置自產(chǎn)的高低熱值的甲烷/氫全部用做裂解爐燃料，燃燒效率高，損失少。采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，根據(jù)爐管出口溫度，燃料氣熱值等參數(shù)控制燃料氣消耗量，并達(dá)到減少燃料消耗的目的。通過(guò)空氣預(yù)熱器用急冷水將進(jìn)入爐膛的空氣預(yù)熱，可以減少燃料氣消耗，經(jīng)過(guò)空氣預(yù)熱器后的急冷水溫度降低，可以節(jié)省循環(huán)冷卻水用量;⑦采用SLE線(xiàn)性極冷換熱器，使高溫裂解產(chǎn)物快速冷卻，減少二次反應(yīng)，延長(zhǎng)清焦周期。并可以回收利用裂解氣的高位熱能，最大限度產(chǎn)生有價(jià)值的超高壓蒸氣;SLE入口采用獨(dú)特的渦流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小了SLE壓差，減輕了焦粒的沖刷，避免結(jié)焦，換熱效果更好，操作周期更長(zhǎng);⑧清焦氣設(shè)計(jì)為可以返回裂解爐爐膛燒焦，不僅可以有效減少含焦粉顆粒的空氣的排放，還可以利用高溫?zé)箍諝?，提高燃料氣在爐膛的燃燒效率，同時(shí)也減少了因降溫需要噴入燒焦空氣的新鮮水量，較少污水排放量，節(jié)省能量;⑨通過(guò)設(shè)計(jì)空氣預(yù)熱器充分利用急冷水熱量，間接降低循環(huán)冷卻水的使用量。通過(guò)使用空氣預(yù)熱器可以節(jié)省燃料氣量為1.8t/h，降低裝置能耗在0.012tce/t乙烯產(chǎn)品。

5 裂解爐發(fā)展趨勢(shì)展望

裂解反應(yīng)的條件要求較高，根據(jù)裂解反應(yīng)的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為裂解爐的性能指標(biāo)要向以下方向發(fā)展：①要在較短時(shí)間內(nèi)給反應(yīng)物料供給大量的熱，爐管傳熱性能要更好、爐體更節(jié)能;②要使系統(tǒng)處于高溫、短停留時(shí)間下，爐管流體特性要更好，這樣更有利于生成烯烴的一次反應(yīng)進(jìn)行;③高溫裂解氣要在很短時(shí)間內(nèi)將迅速降溫，急冷系統(tǒng)效果要更好，這樣才能快速終止二次反應(yīng);④由于低分壓更有利于生成烯烴，所以在原料烴中配入水蒸汽或其他氣體作為稀釋劑，爐管管徑趨向于不同徑設(shè)計(jì)以調(diào)整管內(nèi)壓強(qiáng)使反應(yīng)向有利于產(chǎn)物發(fā)展。防結(jié)焦劑額添加也是一種趨勢(shì)。

如果能在以上幾點(diǎn)做足創(chuàng)新創(chuàng)造，相信我國(guó)的乙烯裂解爐裝備技術(shù)水平定會(huì)走在國(guó)際領(lǐng)先行列。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

魏智廣，男，碩士學(xué)歷，河北滄州人，上海卓然工程技術(shù)股份有限公司。