管式裂解炉第六章Word文档格式.docx
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烃和稀释蒸汽混合物在对流段预热至物料横跨温度（指裂解原料和稀释蒸汽混合物在对流段预热的出口温度，也是辐射段的人口温度）后进入辐射盘管，辐射盘管在辐射段内用高温燃烧气体加热，使裂解原料在管内进行裂解。
四、高温裂解气的急冷和热量回收
裂解炉辐射盘管出口的高温裂解气达800?
C以上，为抑制二次反
应的发生，需将辐射盘管出口的高温裂解气快速冷却。
急冷的方法有两种，一是用急冷油（或急冷水）直接喷淋冷却，另一种方式是用换热器进行冷却。
用换热器冷却时，可回收高温裂解气的热量而副产出高位能的高压蒸汽。
该换热器被称为急冷换热器（常以TLE或TLX表示），急冷换热器与汽包构成的发生蒸汽的系统称为急冷锅炉（或废热锅炉）。
在管式炉裂解轻烃、石脑油和柴油时，都采用废热锅炉冷却裂解气并副产高压蒸汽。
经急冷锅炉冷却后的裂解气温度尚在400℃以上，此时可再由急冷油直接喷淋冷却。
在预分馏系统中可进一步回收急冷油的热量，副产低位能的低压蒸汽。
为防止急冷换热器结焦，急冷锅炉出口温度要高于裂解气的露点，不同裂解原料裂解时急冷锅炉终期出口温度大不相同，裂解原料愈重，急冷锅炉终期出口温度愈高。
因此，根据裂解原料的情况，对高温裂解气冷却，急冷锅炉可采用一级急冷、二级急冷、三级急冷等不同方式。
对高温裂解气冷却和热量回收有图6--2所示的四种方案。
（1）方案一如图6一2（a）所示，设置一级急冷锅炉。
裂解炉辐射盘管出口的高温裂解气进入一级急冷锅炉，在此裂解气被高压锅炉给水冷却，并副产高压蒸汽。
经一级急冷锅炉冷却后的裂解气进入急冷器，在此用急冷油直接喷淋而进一步冷却后送人预分馏系统。
轻烃裂解装置中往往不设急冷油系统，此时，急冷锅炉出口气体可集中用急冷水喷淋冷却后送入水洗塔。
石脑油裂解时，急冷锅炉出口温度可限制在460℃以下，此时多将各台裂解炉经急冷锅炉冷却后的裂解气集中送入一台急冷器用急冷油喷淋冷却。
柴油裂解时，急冷锅炉出口温度一般限定在初期400℃，末期500～600℃，此时大多在每台裂解炉单独设置急冷器，经急冷油喷淋冷却后的裂解气再汇合于裂解气总管，然后送人预分馏系统。
通常一级急冷方式采用斯密特或包西格锅炉。
（2）方案二如图6—2（b）所示，设置二级急冷锅炉。
裂解炉辐射盘管出口的高温裂解气进入第一级急冷锅炉，在此冷却至580℃左右（随裂解原料不同而有所变化）并副产高压蒸汽。
经第一级急冷锅炉冷却后的高温裂解气再送入第二级急冷锅炉继续冷却裂解气，并副产高压蒸汽。
第二级急冷锅炉出口裂解气进入急冷器用急冷油进行喷淋冷却，与方案一相同，对不同裂解原料，急冷器的设置也有所不同。
采用二级急冷锅炉是与采用小管径辐射盘管的裂解炉相匹配的。
为了缩短停留时间并提高裂解温度，裂解炉辐射盘管向短长度、小管径的方向发展。
相应，其单炉生产能力降低，
为达到给定的单炉生产能力，单炉的辐射盘管数大大增加。
在这种情况下，为降低辐射盘管出口至急冷锅炉入口之间高温裂解气的停留时间，提高裂解的选择性，采用二级急冷锅炉是行之有效的方法。
正因为如此，斯通--韦伯斯特、凯洛格、布朗路特（Brown&
amp;
Root）等公司均曾采用二级急冷锅炉与其单程或双程的小管径辐射盘管的裂解炉配套。
（3）方案三如图6--2（c）所示，设置三级急冷锅炉。
在轻烃裂解装置中，可在二级急冷锅炉的基础上设置第三级急冷锅炉以进一步回收高温裂解气的热量。
在轻烃裂解的情况下，已可通过二级急冷锅炉使裂解气冷却至400℃以下，为进一步冷却裂解气，第三级急冷锅炉不再副产高压蒸汽。
第三级急冷锅炉回收的热量多用于预热裂解原料．或用于预热锅炉给水，或用于发生中压蒸汽。
布朗路特公司在裂解轻烃、乙烷、丙烷时就采用三级急冷锅炉的方法来回收热量。
经三级急冷锅炉冷却的裂解气温度可降至240℃左右，此时无需设置急冷器，而将裂解气直接送入预分馏系统。
（4）方案四如图6--2（d）所示，不设置急冷锅炉，在裂解炉出口直接用急冷油喷淋冷却裂解气。
在裂解BMCI值较高的重质裂解原料时，急冷锅炉终期出口温度可高达650℃以上。
此时，急冷锅炉可以回收的热量占高温裂解气总热量的份额大大减小，从投资和效益的比较来看设置急冷锅炉未必经济。
此时可以不设置急冷锅炉而采用直接喷淋急冷的方案。
采用直接急冷而不设置急冷锅炉时，高温裂解气的热量回收全部转移至急冷油系统。
从回收的总热量看，与设置急冷锅炉的情况并无差别，但回收热量的能位是不同的。
设置急冷锅炉可回收部分高位能热量（副产高压蒸汽），不设置急冷锅炉时只能回收低位能热量（副产低压蒸汽）。
综上所述，一级急冷具有压降低、布置简单及投资省的优点，二级急冷则具有能提高乙烯收率、快速中止二级反应及多回收超高压蒸汽的优点。
采用二级急冷锅炉的主要缺点是设备和配管系统相对复杂，投资较高。
对此，新近开发的双程套管急冷锅炉克服了这些缺点。
斯通--韦伯斯特公司新近设计的乙烯工厂已开始采用双程套管急冷锅炉，改变了长期采用的二级急冷锅炉方案。
五、裂解炉和急冷锅炉的清焦
烃类裂解过程中除生成各种烃类产物外，同时有少量炭生成，这种炭是数百个碳原子稠合形成的，其中碳含量在95％以上，还有少量的氢。
通常把这种炭称为焦，焦结聚于管壁的过程称为结焦。
结焦过程使裂解炉和急冷锅炉的管壁形成焦层，焦层的形成不仅影响传热效果，其热阻还使
炉管管壁的温度不断上升影响炉管寿命；
焦层的形成也增加了炉管的阻力降，影响裂解反应的正常进行。
因此，必须对裂解炉和急冷锅炉定期进行清焦。
对管式裂解炉而言，如出现以下任何一种情况，都应停止烃进料进行清焦：
（1）裂解炉辐射盘管管壁温度超过设计规定。
炉管材质为HK一40时，其管壁温度限制在1050℃左右；
炉管材质为HP一40时，管壁温度限制在1120～1150℃左右。
（2）裂解炉辐射段入口压力增加值超过设计值。
一般限定其值低于60～70千帕。
（3）裂解炉计划停车或紧急停车。
（4）急冷锅炉出口温度超过设计允许值或急冷锅炉进出口压差超过设计允许值。
对于急冷锅炉而言，如出现以下任何一种情况，应对急冷锅炉进行清焦：
（1）急冷锅炉出口温度超过设计允许值。
（2）急冷锅炉进出口压差超过设计允许值。
裂解炉辐射管的焦垢可采用蒸汽清焦法、蒸汽—空气清焦法或空气烧焦法进行清理。
这些清焦方法的原理是利用蒸汽或空气中的氧与焦垢反应气化达到清焦的目的。
实际清焦过程中，裂解炉辐射盘管中的焦垢相当部分是剥落为碎焦块，经吹扫后而得以清理。
在裂解炉清焦时，急冷锅炉炉管的焦垢可被部分清除。
其清焦的程度取决于急冷锅炉的结构和裂解炉的清焦方法。
当裂解炉采用蒸汽清焦或低空气量的蒸汽一空气清焦方法，而急冷锅炉是采用Borsig型或SHG型等非在线清焦急冷锅炉时，在裂解炉清焦期间急冷锅炉炉管的焦垢清理效果甚微。
此时，一般须在裂解炉1～2次清焦周期内对急冷锅炉进行水力清焦或机械清焦。
采用三菱等在线清焦急冷锅炉时，可以在裂解炉3个清焦周期以上进行急冷锅炉水力清焦或机械清焦。
目前，多采用大空气量的空气烧焦法，除改善了裂解炉辐射管的清焦效果外，急冷锅炉焦垢也可同时在线清焦，这样，可将急冷锅炉的水力清焦或机械清焦的周期延长到半年以上。
六、裂解炉系统的节能
降低乙烯生产的能耗是提高乙烯竞争力的重要手段。
乙烯生产能量的80％消耗于裂解炉的燃料。
因此，裂解炉系统的节能尤为重要。
下面介绍几种节能措施。
（一）提高裂解选择性
对相同裂解原料而言，在相同工艺设计的装置中，乙烯收率提高10％，则乙烯生产能耗相应降低约10％。
因此，改善裂解选择性，提高乙烯收率是决定乙烯能耗最基本的因素。
在相同工艺技术水平的前提下，乙烯收率主要取决于乙烯原料的性质。
因此，裂解原料的选择，在很大程度上决定乙烯生产的能耗。
就裂解炉设计而言，通过采用高温、短停留时间和低烃分压来
提高乙烯收率，经过几十年的不断改进，目前已达较高的水平。
近年设计的裂解炉，相同裂解原料的乙烯收率比20世纪70年代提高了15％~20％。
裂解操作条件的改善，不仅大大降低了原料的消耗，也使乙烯生产能耗明显下降。
（二）裂解炉的热效率
在相同工艺条件下，裂解炉热效率由86％～87％提高至93％～94％，生产1吨乙烯的燃料消耗可降低10％左右。
为提高裂解炉的热效率，通常采用的方法如下：
1．降低裂解炉的排烟温度
其他条件不变时，裂解炉热效率与排烟温度直接相关。
当排烟温度控制在220～230°
C，相应热效率约为86％～87％；
排烟温度下降至110～120°
C时，裂解炉热效率提高到93％～94％。
但由于受烟气中酸性气体露点的影响，为防止对流段发生腐蚀，必须提高对流段的材质或严格限制燃料的含硫量。
2．降低过剩空气系数
为保证燃料的完全燃烧，裂解炉中需保持一定的过剩空气。
过剩空气量与理论空气量之比称为过剩空气系数。
增大过剩空气系数可以保证燃料的完全燃烧，但在相同排烟温度下，排烟热损失加大，裂解炉热效率相应降低。
因此在保证燃料完全燃烧的前提下，降低过剩空气系数也是提高裂解炉热效率的措施之一。
通常，燃料气烧嘴的过剩空气系数为10％，油烧嘴的过剩空气系数为20％，油气联合烧嘴的过剩空气系数为15％，实际操作往往偏高。
采用新型烧嘴，可将燃料气过剩空气系数降低至6％～8％，燃料油过剩空气系数降至12％～15％。
在排烟温度不变的前提下，过剩空气系数由10％降至5％，裂解炉热效率可提高0．6％～0．8％。
3．减少炉体热损失
炉体热损失一般为总热负荷的2．5％～4％。
近年来，改进保温材料和保温设计，可使炉体热损失下降约25％。
（三）改善高温裂解气热量回收
1．取消蒸汽过热炉
早期设计均设置蒸汽过热炉，来过热裂解炉回收的高压蒸汽。
当今的设计，均取消了蒸汽过热炉，回收的高压蒸汽在对流段进行过热。
由此不仅节省了蒸汽过热炉的投资，而且降低了燃料的消耗量。
2．改善废热锅炉热量回收
降低废热锅炉的出口温度，可增加高压蒸汽的副产量。
但废热锅炉的出口温度受裂解气露点温度的限制。
改善裂解选择性可降低裂解气的露点温度。
缩短裂解气在废热锅炉入口端停留时间，不仅可改善裂解选择性，也有利于热量回收。
（四）裂解炉与燃气轮机联合
在发电厂中采用燃气轮机与蒸汽透平联合循环使热效率大幅度提高。
在乙烯工厂中，采用燃气轮机与裂解炉联合，同样可以起到明显
的节能效果。
燃气轮机的排烟温度高达400～500℃。
由于燃气轮机燃烧室中燃料燃烧所用的过剩空气系数一般为3～4，因此，燃气轮机排出的高温燃气中，含有约13％一15％（体）的氧。
将这些高温富氧燃气作为裂解炉的助燃空气，则可将燃气轮机的余热在裂解炉中得到充分利用，从而提高热量的利用率。
乙烯装置中的燃气轮机，一般用来带动发电机，这种联合的优点是不会因为燃气轮机发生故障而使整个装置停车。
另一种联合方式是燃气轮机带动裂解气压缩机、丙烯压缩机或乙烯压缩机。
与由蒸汽透平带动的压缩机相比，其优点是不必设置开工锅炉，又可避免由蒸汽透平带动损失大量的冷凝热和需用大量冷却水；
其缺点是燃气轮机的故障会引起整个装置停车。
采用燃气轮机和裂解炉联合，肯定可以达到节能的效果。
但是必须根据投资和燃料价格等各方面因素，评估其经济性。
一般来讲，乙烯工厂有低价的天然气作为燃料，采用燃气轮机与裂解炉联合，会有明显的经济效益。
第三节裂解炉的结构
一、管式裂解炉的构成
裂解炉是烃类裂解的主要设备。
管式裂解炉按外形分，有方箱式炉、立式炉、门式炉、梯台式炉。
按燃烧方式分，有直焰式、无焰辐射式和附墙火焰式。
按烧嘴位置分，有底部燃烧、侧壁燃烧、顶部燃烧和底部侧壁联合燃烧等。
管式炉虽有不同形式，但从结构上看，都是由辐射盘管、管架、燃烧器、炉墙等组成，主要由辐射段和对流段两部分组成。
裂解原料和稀释蒸汽先进人对流段炉管内被加热升温，然后进入辐射段炉管内发生裂解反应，生成的裂解气从炉管出来，离开炉子立刻急冷。
燃料在烧嘴燃烧后生成高温燃料气，先经辐射段，然后再经对流段，烟道气从烟囱排空。
辐射段传热量约占全炉热负荷的70％一80％，是全炉的核心部分，裂解反应也主要在辐射段炉管内进行。
对流段则为利用烟道气余热而设，对流段充分利用热量对提高炉子的热效率有很大作用。
辐射段内排布了若干组构型相同的辐射盘管，管内原料烃裂解反应所需的热量，由管外的燃料燃烧提供。
辐射盘管构型要求能适应高温、短停留时间、高热强度、受热均匀等要求。
除改进辐射盘管的金属材质，提高耐热温度外，主要应改进辐射盘管的结构，即改进管径、管长、管程数等结构尺寸，以改善沿盘管的温度分布和热强度分布，提高盘管的平均热
强度，满足裂解反应所要求的高温、短停留时间。
从而改善裂解选择性，提高烯烃的收率，并提高对不同裂解原料的适应性。
改进辐射盘管的结构，是管式裂解技术发
展中最核心的部分。
现工业装置上采用的辐射盘管构型主要有四种：
不分支等径管、分支变径管、不分支变径管、单程小直径管。
各种盘管尽管构型不同，但都是为了达到同一目标，即提高烃类裂解的选择性。
对流段中排布了多组原料预热和热量回收的管排，一般有原料预热段、锅炉给水预热段、物料混合过热段、稀释蒸汽过热段、高压蒸汽过热段等，有的还设有空气预热段。
对流段的作用主要有两个，一是满足裂解工艺的要求，将裂解原料预热、汽化并过热到初始裂解温度，二是按能位高低回收高温烟气余热，提高炉子的热效率，降低装置能耗。
在布置对流段管排时，应按烟气余热能位高低合理安排换热管。
通常，原料预热段放在最后，以回收低能位热能；
中能位的余热则由锅炉给水预热段和蒸汽过热段来回收，高位能余热可用来发生部分高压蒸汽或高压蒸汽过热；
能位最高的余热用于将原料烃、稀释蒸汽混合物最终过热到初始裂解温度。
回收烟气余热的能位分段越细，即区段数分得越多，有利于热效率的提高。
由于竖管裂解炉与横管裂解炉比，有如下优点：
热辐射均匀，热强度大；
炉管吊架隐蔽在炉顶耐火材料深处，因此，不致因吊架材质而限制炉膛温度的提高；
由于炉管自由悬挂，可随温度变化而自由胀缩，因此传热的极限仅取决于炉管本身材质耐温性能；
简单的辐射炉膛内可放下任意程数的炉管，而不受炉子支持高度的限制等。
因此近代的管式裂解炉都是竖管式。
立管式裂解炉的辐射盘管大多采用单排管，由此保证辐射盘管受热均匀。
也有采用双排盘管的，由此可在较低投资前提下获得较大的单炉乙烯生产能力，综合单排盘管和双排盘管的优缺点，也有采用混排辐射盘管的。
它们的排布示意图见图6—3。
单排布置的辐射盘管因受双面辐射，辐射传热效果最好，但在同样长度的辐射室中，所布置的炉管数最少；
双排布置的辐射盘管因互相之间受到影响，其辐射传热效果最差，炉管表面管壁温度差较大，容易引起炉管变形，但可布置较多的炉管；
而混排布置则介于上述两者之间。
图6—4以鲁姆斯公司SRT—I型炉为例，示出门式、竖管裂解炉的构成。
图6—5、图6—6分别为正梯台和倒梯台炉的外形透视图。
图6—4SRT—I型竖管裂解炉示意图
l－炉体；
2－油气联合烧嘴；
3一气体无焰烧嘴；
4一辐射段
炉管（反应管）；
5一对流段炉管；
6－急冷锅炉
图6－5梯台式裂解炉
图6－6三菱M－TCF倒梯台裂解炉外形透视图
二、辐射管
裂解原料乙烷、丙烷直到常压柴油和减压柴油，在裂解炉中被加热到高温时，会发生碳链断裂化学反应，产生低分子量烯烃。
但是，这个热裂解过程是个十分复杂的多种反应的组合，除去生成所希望的烯烃（如乙烯、丙烯、丁二烯）以外，同时还会发生脱氢、异构化、环化、叠合和缩合等二次反应，因此，裂解反应产物是个组分众多的混合物。
如何控制反应条件，使反应产物中所希望的烯烃为最多，对此国内外进行了长期研究。
结果
表明，烃类裂解在高温、短停留时间、低烃分压的条件下，对生产烯烃是有利的。
因此，在考虑裂解炉的辐射管结构时，大多从管径、路数和管的长短等方面来满足裂解反应的需要。
在反应初期，从压力降来看，由于反应转化率尚低，管内流体体积增大不多，以致线速度增大不多，由于管径小而引起的压力降不严重；
从热强度来看，由于原料升温，转化率增长快，需要大量吸热，故要求热强度大，管径小可使比表面积增大，可满足热强度的要求；
从结焦趋势看，由于转化率尚低，二次反应尚不能发生，不致结焦，允许管径小一些。
在反应后期，从压力降来看，由于此时转化率较高，管内流体体积增大较多，以致线速度增大较多，管径小而引起压力降严重，故采用较大管径为宜；
从热强度来看，由于转化率已较高，对热强度要求不高，管径大一些，对传热的影响不显著；
从结焦趋势看，由于转化率较高，二次反应开始进行，结焦可能性较大，用较大管径可延长操作周期。
综上所述，反应初期时宜采用较小管径，反应后期时宜采用较大管径。
为了实现“高温、短停留时间、低烃分压”的目标，几乎所有构型的新炉管均采用了缩短管长的办法，如SRT一Ⅰ型发展到SRT一Ⅵ型炉，管长由八程73m缩至两程25m左右；
USC型炉由W型四程45m改为U型两程21m；
KTI公司GK型炉则由GK一Ⅲ型四程40多米缩短至GK-V型两程25m左右；
林德公司的Pyrocrack型炉则由4—2型六程70m左右缩短至1—1型两程20多米，停留时间由0.5s以上降低到0.15～0.25s。
而毫秒炉采用单程炉管，管长缩短为12m左右，停留时间降至0.1s以下。
缩短管长同时也降低了炉管中物料的压降，压降从原来的0.15MPa左右降到0.04MPa或更低，由于烃分压下降，使选择性提高。
但缩短管长也带来了传热面不足的缺点，为解决这个问题一方面可增加比表面（缩小管径），另一方面可寻求耐更高温的炉管材料，增加炉管表面的热强度。
例如，炉管材料从HK一40（耐温1020℃）发展到HP一40（耐温1065℃）和28Cr48Ni钢（耐温1200℃）。
经过改进，乙烯收率均有明显提高，见表6－
1，管式炉裂解技术的发展见表6－2
表6－1几种炉型乙烯收率比较
表6－2管式炉裂解技术的发展
为了增大炉管的处理能力，又能合理地使管径和质量流速不超过允许范围，就要增加管子的路数和组数。
在相同质量流速下，辐射炉管越长，压降越大，因此烃分压增加，且停留时间也增加，这对裂解是不利的。
斯通一韦伯斯特、鲁姆斯、凯洛格、KTI等公司从裂解基本原理出发，研究辐射炉管的管径、路数和管的长度等，提出了不同结构的炉型。
炉管的组数、路数和程数定义如下：
组（cell或coil）是指一个独立的反应管系统，有自己的进出口。
一个炉子内可设好几组炉管，但各组之间在物料上各不沟通。
路（path）也称列或股，在同一组内，物料若分几股流动，就是几路。
程（pass）在一组内，物料按一个方向流动，就是一程（不论路数多少，只要是一个方向，就按一程计），改变方向就是另一程。
三、急冷锅炉
从裂解炉出来的高温裂解气体，通过急冷锅炉迅速降低温度而终止化学反应，并用来回收高温热量以发生高压蒸汽。
因此，急冷锅炉运行的好坏，直接影响乙烯装置的蒸汽平衡。
另外，由于急冷锅炉的运行周期和裂解炉的运行周期是互为牵制的，所以应延长急冷锅炉的运行周期，以提高乙烯产量。
根据急冷锅炉在冷却过程中容易产生二次反应和容易结焦的特点，要求急冷锅炉必须具备以下性能：
（1）高质量流速。
裂解气要很快通过急冷锅炉，以免重组分和二次反应物在管壁上沉积，使轻微结焦。
质量流速最好在60～110千克／米2·
秒。
（2）高水压。
通过提高水和蒸汽压力，在换热过程中管壁温度不致降到裂解气的露点温度以下，同时可使结焦轻微，目前采用的压力一般在8．33～11．8兆帕之间。
（3）短停留时间。
这一指标与高质量流速相一致，如果急冷锅炉的管子太长，不仅会使出口温度太低，而且阻力降太大，会影响裂解深度，一般急冷锅炉的停留时间应控制在0．05秒左右。
四、对流段、辐射段及急冷锅炉之间的配置
（一）对流段与辐射段之间的配置
对流段与辐射段之间的配置有以下两个方面：
一是对流段中物料的流路（通道）与辐射段炉管组数的关系，对流段中物料的流路数通常为4或6的倍数，相应辐射段中的炉管组数也应为4或6的倍数；
二是一个对流段配置几个辐射段，通常一台裂解炉由一个对流段和一个辐射段组成，此时，大多采用两台裂解炉布置成门字形，这样可以一台裂解炉设置一台引风机，也可以两台
炉共用一台引风机。
少数工厂也采用所有裂解炉共用一个烟囱的方案，不过这种方式现在已很少采用。
随着单台裂解炉生成能力的提高，近来也有一个裂解炉采用一个对流段配置两个辐射段的方案（如林德公司和斯通一韦伯斯特公司）。
（二）急冷锅炉的配置
急冷锅炉的数量通常与对流段的物料的流路数或调节阀的数量有关：
对一级急冷方案，急冷锅炉的数量则与其数量相等或是其的倍数，而二级急冷锅炉则与小容量的炉管相匹配比较好。
（三）裂解炉的配置
70年代单台裂解炉的乙烯生产能力一般为30～60kt／a。
目前，单台裂解炉的乙烯生产能力可达100kt／a以上（以石脑油进料计）。
裂解炉的台数应根据装置生产能力、原料种类和工艺技术来选定。
考虑到裂解炉的清焦周期和日常维修，原则上应设置一台备用裂解炉。
为保证装置的小时产量一定，安排裂解炉的能力及操作有以下几种途径：
1.设置一台备用炉，当一台
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