乙烯的生產(chǎn)及重要作用資料.精講.doc

乙烯裝置裂解技術(shù)進(jìn)展及其國產(chǎn)化歷程王子宗，何細(xì)藕（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）摘要：簡述了蒸汽裂解技術(shù)的發(fā)展過程、發(fā)展方向以及目前的現(xiàn)狀。介紹了目前裂解技術(shù)在與輻射爐管相關(guān)技術(shù)、與節(jié)能環(huán)保相關(guān)技術(shù)、大型化、裂解爐改造、先進(jìn)控制及優(yōu)化等方面的主要進(jìn)展，并介紹了哪些技術(shù)效果好、哪些技術(shù)仍然存在問題。簡要回顧了中國石化北方爐（CBL）裂解技術(shù)的發(fā)展過程，以及工藝國產(chǎn)化、設(shè)備國產(chǎn)化、工程設(shè)計(jì)國產(chǎn)化以及大型化的情況。介紹了 CBL 裂解技術(shù)在裂解爐節(jié)能改造、天津與鎮(zhèn)海 1000 kt/a 乙烯裝置中的工業(yè)應(yīng)用情況、150 CBL-型 kt/a 裂解爐的工業(yè)應(yīng)用情況及 200 kt/a 裂解爐的開發(fā)情況。最后指出了蒸汽裂解技術(shù)取得突破進(jìn)展所存在的瓶頸在于防止結(jié)焦，總結(jié)了 CBL 技術(shù)經(jīng)歷 30 年發(fā)展并最終進(jìn)入國際市場的過程中每個(gè)階段所解決的問題。介紹了 CBL 裂解技術(shù)特點(diǎn)，并指出了其與國外技術(shù)相比所占的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：蒸汽裂解；裂解爐；北方爐；國產(chǎn)化石油化學(xué)工業(yè)的大多數(shù)生產(chǎn)裝置以烯烴和芳烴為基礎(chǔ)原料，其總量約占石油化工生產(chǎn)總耗用原料的 3/4。在烴類蒸汽制乙烯技術(shù)出現(xiàn)之后，主要由烴類蒸汽裂解制乙烯裝置生產(chǎn)各種烯烴和芳烴1。至 2012 年，全球乙烯產(chǎn)量約為 1.5 億噸，中國乙烯年生產(chǎn)能力達(dá)到 1616.5 萬噸，有 32 套乙烯裝置生產(chǎn)，在世界上僅次于美國位列第二位。中國石化集團(tuán)公司（下文簡稱“中國石化”）有 18 套乙烯裝置，乙烯生產(chǎn)能力達(dá)到 947.5 萬噸，其中有合資裝置 4 套，乙烯生產(chǎn)能力 368 萬噸2；中國石油天然氣集團(tuán)公司有 11 套乙烯裝置，乙烯生產(chǎn)能力達(dá)到511 萬噸3。近來雖然有一部分乙烯、丙烯通過重油或渣油催化裂解生產(chǎn)以及甲醇制烯烴生產(chǎn)，但仍以烴類蒸汽裂解制乙烯為主。因此乙烯裝置是石油化工裝置的龍頭。乙烯生產(chǎn)專利技術(shù)由于工藝復(fù)雜，半個(gè)世紀(jì)來一直由美國 Lummus、S&W、KBR、德國 Linde 和法國 Technip 五大專利商壟斷，典型的生產(chǎn)工藝有：順序分離技術(shù)路線（含順序“漸近”分離技術(shù)路線）、前脫丙烷分離技術(shù)路線和前脫乙烷分離技術(shù)路線，并且均擁有各自的裂解技術(shù)4-7。鑒于乙烯技術(shù)的重要性，原中國石化總公司成立伊始，就把開發(fā)乙烯裂解技術(shù)確定為重點(diǎn)科技開發(fā)項(xiàng)目，于 1984 年開始組織開展中國石化乙烯裂解技術(shù)的研究開發(fā)工作，并于 1988 年實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)北方爐（CBL）工業(yè)試驗(yàn)的裂解爐投入運(yùn)行1。以中國石化工程建設(shè)有限公司（SEI）、北京化工研究院和南京工業(yè)爐所為代表的研究開發(fā)單位，經(jīng)過近 30年的不斷研發(fā)，取得了顯著的成績，實(shí)現(xiàn)了烴類蒸汽熱裂解工藝技術(shù)、工程設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)備的國產(chǎn)化，在國內(nèi)得到大面積應(yīng)用并走向了國外。1 裂解技術(shù)進(jìn)展乙烯裂解爐因其在乙烯裝置中的特殊地位而成為乙烯裝置的龍頭，是乙烯裝置中關(guān)鍵和核心工藝專利設(shè)備。在乙烯裝置中，裂解爐的綜合能耗約占乙烯裝置綜合能耗的 50%60%；而裂解爐的投資根據(jù)裂解原料的不同，約占整個(gè)乙烯裝置投資的1/41/38-9。因此裂解技術(shù)的進(jìn)步在乙烯技術(shù)的發(fā)展方面具有舉足輕重的作用。中國乙烯裝置的規(guī)模由 20 世紀(jì) 60、70 年代的乙烯 100300 kt/a，70、80 年代的乙烯 300600 kt/a，到 80、90 年代的乙烯 600800 kt/a 和目前的1000 kt/a 及以上。為適應(yīng)乙烯裝置規(guī)模擴(kuò)大的需要，裂解爐的單爐能力也相應(yīng)擴(kuò)大。乙烯裂解技術(shù)的發(fā)展主要圍繞提高裂解選擇性降低原料消耗、降低能耗、降低污染物排放、大型化、低投資等。1.1 國外各種裂解爐型現(xiàn)狀烴類通過蒸汽裂解制乙烯的反應(yīng)過程是在裂解爐輻射段爐管中發(fā)生的，裂解選擇性的提高主要?dú)w功于輻射段爐管構(gòu)型的改進(jìn)，各種爐型的發(fā)展均與輻射爐管的改進(jìn)直接相關(guān)。第一階段為 20 世紀(jì) 60年代初期長停留時(shí)間且小能力的水平布置爐管發(fā)展到 60 年代后期開始采用垂直排列的輻射段爐管；第二階段是從 70 年代開始采用 46 程分枝管并以停留時(shí)間縮短到 0.40.6 s 為特征；第三階段是在 80年代通過采用兩程或單程爐管進(jìn)一步降低停留時(shí)間到 0.2 s 左右或以下以提高乙烯、丙烯的選擇性為特征。其總的趨勢是爐管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了裂解反應(yīng)所需要的高選擇性：提高反應(yīng)溫度；烴類在爐管中的停留時(shí)間短；烴分壓低?？偟男Ч菍?shí)現(xiàn)了以石腦油為原料時(shí)，乙烯收率達(dá)到 28%33%1，8。以下匯總了商業(yè)化的裂解爐爐型的現(xiàn)狀1，4-7，10。（1）美國 Lummus 公司美國 Lummus 公司開發(fā)的 SRT 型裂解爐，以分枝變徑管為特點(diǎn)，具有短停留時(shí)間、熱強(qiáng)度高、低烴分壓的特點(diǎn)。在 1994 年推出以 4-1 型兩程爐管為特征的 SRT-型爐后，在 21 世紀(jì)初推出 SRT-X 型爐（輻射爐管由傳統(tǒng)的沿輻射段爐膛長度布置改為與其垂直布置）后，目前又推出 SRT-型（8-1）雙爐膛裂解爐，其停留時(shí)間進(jìn)一步縮短，采用全底部供熱。近來氣體原料多采用 SRT-（4-2-1-1-1-1）型或 SRT-（4-2-1-1）型爐（停留時(shí)間 0.4 s 左右），液體原料采用 SRT-型、SRT-型的兩程爐管（停留時(shí)間 0.2 s 左右），急冷鍋爐為一級(jí)多管束的鍋爐如浴缸式、快速急冷等型式。供熱以底部與側(cè)壁聯(lián)合為主，近來也采用全底部供熱或一體化供熱（在底部燃燒器附近布置一貼著爐底的燃燒器）。其特點(diǎn)是 SRT-型、SRT-型的兩程爐管的底部連接為錐形集合管的剛性連接，因此爐管容易彎曲。由于其爐管的結(jié)構(gòu)及每一個(gè) 4-1 或 8-1 爐管的處理量較大，無法與線性鍋爐連接，只能與大型鍋爐連接。（2）美國 Stone & Webster（S&W）公司S&W 公司管式爐裂解的主要特點(diǎn)是采用不分枝變徑管即超選擇性裂解爐（USC），以雙爐膛結(jié)構(gòu)為主，對(duì)氣體原料采用 W 及 M 型（停留時(shí)間 0.30.6 s），對(duì)液體原料采用 U 型爐管（停留時(shí)間 0.2 s左右），近期推出單程陶瓷爐管裂解爐，管長 515 m，停留時(shí)間為 0.050.1 s，但未工業(yè)化。急冷鍋爐以線性為主，對(duì)氣體原料也采用二級(jí)，供熱以全第 1 期 王子宗等：乙烯裝置裂解技術(shù)進(jìn)展及其國產(chǎn)化歷程 3底部為主。其特點(diǎn)是 U 型兩程爐管的底部連接為大彎管柔性連接，因此爐管不易彎曲。由于其爐管的處理量較小，通常與線性鍋爐連接。（3）美國 Kellogg Brown & Root（KBR）公司美國凱洛格（Kellogg）公司從 20 世紀(jì) 70 年代開始研究毫秒裂解爐，并于 80 年代廣泛用于其設(shè)計(jì)的乙烯裝置。其特點(diǎn)是采用單程爐管、停留時(shí)間為0.050.1 s。其烯烴收率要高 4%8%。美國凱洛格與布朗路特公司合并成立 KBR 公司后，與 ExxonMobil 公司達(dá)成協(xié)議，由 KBR 公司負(fù)責(zé)銷售 ExxonMobi 公司 LRT 裂解爐（停留時(shí)間在 0.1 s 以上），并改名為選擇性裂解（SC）。其爐型主要為單爐膛雙單排輻射爐管結(jié)構(gòu)，對(duì)氣體和液體原料均以采用 SC-1 型（單程爐管）為主。急冷鍋冷為以線形為主，對(duì)石腦油、氣體原料也采用二級(jí)急冷，供熱采用全底部供熱。其特點(diǎn)是爐管停留時(shí)間短，烯烴收率高，對(duì)乙烷原料，單程乙烯收率可達(dá)到 58%，對(duì)石腦油原料，單程乙烯收率可以達(dá)到 35%。（4）德國 Linde 公司Linde 公司與 Selas 公司合作開發(fā) LSCC 型（ Linde-Selas-Combined Coil ）， 現(xiàn) 在 改 稱 為Pyrocrack 型，包括以氣體原料為主的 Pyrocrack4-2（2-2-2-2-1-1） 型 （ 停 留 時(shí) 間 0.5 s 左 右 ）、Pyrocrack2-2（2-2-1-1）型（停留時(shí)間 0.3 s 左右）及以液體原料為主的 Pyrocrack1-1（2-1）型（停留時(shí)間 0.2 s 左右）。Linde 公司設(shè)計(jì)的裂解爐采用雙輻射段、單對(duì)流段的結(jié)構(gòu)。裂解氣急冷鍋爐以前為常規(guī)急冷鍋爐，現(xiàn)在均采用線性急冷鍋爐。采用的供熱方案為側(cè)壁約占 40%，底部約占 60%。其特點(diǎn)是2-1 爐管的底部連接采用對(duì)稱大彎管柔性連接，因此爐管不易彎曲。（5）法國 Technip 公司Technip 公司在 21 世紀(jì)初收購了荷蘭國際動(dòng)力學(xué)技術(shù)公司（KTI）。KTI 公司自 70 年代開始開發(fā)了梯度動(dòng)力學(xué)裂解爐（Gradient Kinetic Furnace）。 GK 型裂解爐采用單輻射段、單對(duì)流段的結(jié)構(gòu)，但對(duì)特大型裂解爐則采用雙輻射段單對(duì)流段的結(jié)構(gòu)。對(duì)氣體原料采用 SMK 型四程（1-1-1-1）爐管（停留時(shí)間 0.30.6 s），對(duì)液體原料采用 GK-型（1-1）兩程爐管（停留時(shí)間 0.2 s 左右）。裂解氣急冷，對(duì) SMK 型氣體裂解爐采用二級(jí)急冷，其中一級(jí)急冷鍋爐為套管式，近來設(shè)計(jì)的 GK-型爐則采用線性急冷或二級(jí)急冷。供熱由底部和側(cè)壁聯(lián)合供熱。側(cè)壁燃燒器除了采用附墻式無焰燃燒器外，其最新采用的結(jié)構(gòu)類似于底部燃燒器，其火焰垂直向上，且只采用一排側(cè)壁燃燒器。GK-型爐的特點(diǎn)是爐管采用雙排布置，雖然爐膛尺寸減少，但爐管因受熱不均容易彎曲。綜上，除 KBR 公司采用單程爐管外，其他公司均采用兩程爐管為主。單程爐管烯烴收率高，但運(yùn)行周期短；而對(duì)于兩程爐管，其性能接近，有差別之處是 SRT-型、SRT-型爐管及 GK-型爐管容易彎曲。1.2 裂解單元技術(shù)進(jìn)展乙烯裝置中的裂解爐由對(duì)流段、輻射段（包括輻射爐管和燃燒器）和急冷鍋爐系統(tǒng)三部分構(gòu)成。裂解反應(yīng)在輻射段爐管中發(fā)生生成乙烯和丙烯等產(chǎn)品。對(duì)流段回收高溫?zé)煔庥酂?，以氣化和過熱原料至反應(yīng)所需的橫跨溫度，同時(shí)預(yù)熱鍋爐給水和超高壓蒸汽。急冷鍋爐系統(tǒng)的作用是終止裂解二次反應(yīng)并回收裂解氣的高溫?zé)崃恳援a(chǎn)生超高壓蒸汽。總體上來講，到目前為止，蒸汽裂解技術(shù)無突破性進(jìn)展，雖然 S&W 公司提出了陶瓷爐管裂解爐，但仍未工業(yè)化。但是在提高裂解性能的單元技術(shù)上仍然有不少新技術(shù)或產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。裂解單元技術(shù)的進(jìn)展是在傳熱、傳質(zhì)、流體流動(dòng)、反應(yīng)等方面圍繞以上所述三大部分進(jìn)行研究，并滿足以下多方面的要求：“四低”要求，低能耗、低物耗、低污染物排放、低維護(hù)；與乙烯裝置的大型化有關(guān)的“五高”要求，高能力、高原料適應(yīng)性、高自動(dòng)化程度、高可靠性、高在線率。為滿足上述要求，裂解技術(shù)的發(fā)展主要在以下幾個(gè)方面。 1.2.1 與輻射爐管相關(guān)的技術(shù)進(jìn)展（1）輻射爐管機(jī)械設(shè)計(jì)近來對(duì)液體原料的裂解目前多采用兩程或單程爐管，對(duì)氣體原料則以采用多程爐管為主。爐管構(gòu)型的進(jìn)展主要在爐管排列方式和底部的連接型式上。S&W 公司在文獻(xiàn)11提出了入口管與出口管交替排列型式（單排）以使?fàn)t管受熱均勻。Linde 公司在文獻(xiàn)12提出了在爐管底部采用對(duì)稱彎管連接組合件且單排排列以消除爐管應(yīng)力。文獻(xiàn)13-15則提出了將爐管布置成三排，其中入口管所在平面以出口管平面對(duì)稱。Technip 在文獻(xiàn)13所提出的結(jié)構(gòu)是為了克服其 GK-6 型雙排布置爐管的缺點(diǎn)。Lummus 公司在文獻(xiàn)16中提出了一種爐管排列方式：與裂解爐的軸線垂直（傳統(tǒng)的爐管沿爐膛軸線排列），但未工業(yè)化。?？松瘜W(xué)專利公司在文獻(xiàn)174 化 工 進(jìn) 展 (2014 年第 33 卷) 中提出了一種爐管排列方式：在一個(gè)爐膛內(nèi)以裂解爐的軸線為對(duì)稱布置平行的兩排單排爐管。在從技術(shù)上來看，單排排列更有利于裂解的工藝性能，而多排排列雖然可以縮小爐膛尺寸以節(jié)省部分投資，但帶來了工藝性能上的損失，可以說得不償失。（2）新型爐管材料由于實(shí)現(xiàn)高選擇性就需要縮短停留時(shí)間和提高裂解溫度，相應(yīng)的裂解爐運(yùn)行周期和輻射爐管使用壽命就受到限制，為解決這些問題，新爐管材料應(yīng)運(yùn)而生。新合金材料。文獻(xiàn)18報(bào)道 Kellogg 公司研發(fā)的一種爐管 HR160，它是一種 Ni-Co-Cr-Si合金，可以有效減少結(jié)焦。文獻(xiàn)19-20介紹了加拿大 Westain 表面工程產(chǎn)品公司在 35Cr45Ni 合金中添加了鈮、鈦和稀土元素，可以耐受 1150 的高溫。文獻(xiàn)21介紹了德國 Schmidt+Clemens 開發(fā)出一 種 新 型 添 加 了 鋁 和 微 量 元 素 鈮 的 Ni 基Centralloy HT E 合金，由于存在穩(wěn)定的 Al2O3 致密層，因而可以耐受 1150 以上的高溫并可降低結(jié)焦速率。鐵基熱抗氧擴(kuò)散的增強(qiáng)（ODS）合金8，20-21由 JGC 公司和 Special Metals 公司聯(lián)合研究并開發(fā)，是一種不含 Ni，且 Al 和 Cr 含量高的鐵基合金。有高的抗蠕變強(qiáng)度（是 HP 合金的 23 倍）和高的抗腐蝕性，用這種合金制造的裂解爐爐管可耐 1300 ，在目前的條件下可延長乙烯裂解爐的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，增加生產(chǎn)能力，可在高裂解深度下操作而沒有不良影響。采用陶瓷管代替金屬爐管。由于陶瓷爐管既能耐受更高的溫度，又克服了金屬爐管因含鎳促進(jìn)結(jié)焦的缺點(diǎn)，抑制了在較高的裂解溫度下操作形成催化結(jié)焦的物質(zhì)生成。因而比普通裂解爐的轉(zhuǎn)化率提高 20%以上，并且大幅度延長裂解爐的運(yùn)行周期。S&W 公司正在研究陶瓷裂解爐22-23（LPH 裂解技術(shù)）。采用此技術(shù)氣體原料裂解爐單爐能力可以達(dá)到 700 kt/a。IFP 和 Gaz de France 公司開發(fā)了可允許工藝溫度超過 1000 、乙烷轉(zhuǎn)化率超過 90%的高溫陶瓷爐6，21。這些研究還在進(jìn)行中，還有一些工程問題未得到解決。（3）抑制結(jié)焦抑制結(jié)焦的技術(shù)都是以降低焦的生成和提高清除焦的先兆物的速度為目標(biāo)，文獻(xiàn)21，24對(duì)抑制結(jié)焦的技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和研究，概況分為三類：一是注入結(jié)焦抑制劑將焦經(jīng)催化氣化為 CO 和 H2，主要有 Nova 公司開發(fā)的 CCA-500 抗垢劑，阿托菲納和 Technip 公司推出新型抗垢劑CLX 添加劑25，Nalco/Exxon Energy 化學(xué)公司開發(fā)的 Coke-less 以及國內(nèi)中國石化北京化工研究院開發(fā)的結(jié)焦抑制劑均已在工業(yè)裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)26；二是在爐管表面涂Mn、Si、Al、Cr 等其他材料以防止催化反應(yīng)生成焦，主要有 Westain 表面工程產(chǎn)品（SEP）公司的CoatAlloy 技術(shù)27-30、諾瓦（Nova）化學(xué)公司的ANK400 抗結(jié)焦技術(shù)31-34、Alon 表面技術(shù)公司的Alcroplex 涂層技術(shù)35及韓國 SK 公司在線和原位涂復(fù)系統(tǒng) PY-COAT36-37；三是采用強(qiáng)化傳熱使結(jié)焦母體不能在爐管表面停留并降低爐管表面溫度以降低焦的生成速度，主要有中國石化與沈陽金屬研究所開發(fā)的扭曲片38、日本久保田的 MERT 及 X-MERT 管21，39和英國 Heliswirl 技術(shù)公司開發(fā)的小幅渦漩管40-41（此技術(shù)現(xiàn)已被 TECHNIP 公司買斷）?？傮w來講結(jié)焦抑制劑對(duì)延長裂解爐運(yùn)行周期有效果，但還未得到大面積的推廣，主要原因是在線運(yùn)行費(fèi)用高；表面涂層爐管也未得到大面積推廣，主要原因是涂層在使用一段時(shí)間后會(huì)變?。恢挥袕?qiáng)化傳熱爐管得到了大面積推廣。1.2.2 與節(jié)能環(huán)保相關(guān)的技術(shù)進(jìn)展（1）裂解爐與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合6，42-43在 20 世紀(jì) 7080 年代，受能源危機(jī)的影響，Lummus、S&W 和 KBR 公司均在一些乙烯裝置中將裂解爐與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合。在總發(fā)電量相同時(shí)，裂解爐與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)的總?cè)剂舷目晒?jié)省約 13%。但是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)由于受到燃料、投資和可靠性等，并未成為通行的做法。（2）提高裂解爐的熱效率43，48文獻(xiàn)43介紹了提高熱效率的各種方法，但隨著 CO2 減排的需求，對(duì)裂解爐熱量回收要求越來越高。通過優(yōu)化裂解爐對(duì)流段的設(shè)計(jì)，并采用耐腐蝕的爐管裂解爐的排煙溫度降至 80100 ，熱效率達(dá)到 95%96%。在茂名石化樣板爐改造中，最終標(biāo)定的熱效率為 95.52%，排煙溫度為 87 。（3）充分回收高溫裂解氣余熱文獻(xiàn)5-6，8介紹了各種急冷鍋爐，在實(shí)際應(yīng)用上為了多發(fā)生超高壓蒸汽以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，裂解氣急冷鍋爐的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾方面。降低出口溫度以增加高壓蒸汽的產(chǎn)量：對(duì)氣體原料采用二級(jí)或三級(jí)急冷，最低冷卻到 250 ，對(duì)石腦油原料出口溫度已降至 350 左右。改善裂解氣分配，常規(guī)急冷鍋爐（Schmidt 和 Borsig 型）、浴缸式急冷鍋爐等采用較少換熱管和增大管徑的設(shè)計(jì)以減少結(jié)焦對(duì)壓降的影響，提高在線燒焦效果以提高裂解爐的在第 1 期 王子宗等：乙烯裝置裂解技術(shù)進(jìn)展及其國產(chǎn)化歷程 5線率。減少絕熱段停留時(shí)間以降低烯烴損失，如采用浴缸式、快速急冷及線性急冷鍋爐。為克服線形急冷鍋爐長投資高的缺點(diǎn)，美國 BORSIG 公司推出了 UP-DOWN 線型急冷鍋爐。（4）新型燃燒器及供熱方式為減少大氣污染，對(duì)NOx排放指標(biāo)越來越嚴(yán)格，因此低 NOx 燃燒器應(yīng)運(yùn)而生，目前在以甲烷-氫為燃料時(shí) NOx 最低達(dá)到約 20mg/m31，8。為實(shí)現(xiàn)低 NOx排放，各燃燒器廠商均推出低能力多槍直線排列燃燒器，分級(jí)燃燒燃燒器、以及煙氣再循環(huán)技術(shù)以降低 NOx。Lummus 提出了一體化燃燒器（底部燃燒器和一個(gè)安裝于爐底的附壁燃燒器組成）44，此外還提出了對(duì)輻射段爐管入口管和出口管采用不同供熱能力的燃燒器以延長裂解爐的運(yùn)行周期45，以及在側(cè)墻安裝一種燃燒器以改善底部燃燒器的火焰穩(wěn)定性46；Technip 提出分兩段供熱底部約占55%，中部約占 45%，采用陽臺(tái)式（Balcony）燃燒器（Calidus）47。此外 CFD 技術(shù)被用來優(yōu)化裂解爐供熱和對(duì)燃燒器設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化47。（5）其他節(jié)能技術(shù)48引風(fēng)機(jī)采用變頻或永磁調(diào)速控制以節(jié)省電的消耗達(dá) 10%30%；采用乙烯裝置的廢熱或余熱來預(yù)熱助燃空氣；采用低導(dǎo)熱性能的保溫材料并采用新型耐火材料結(jié)構(gòu)以使?fàn)t外壁溫度達(dá)到 70 以下。1.3 裂解爐大型化隨著乙烯裝置的大型化，裂解爐也向大型化發(fā)展。大型裂解爐結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，投資省。據(jù)稱，1 臺(tái) 150 kt/a 的裂解爐比 2 臺(tái) 75 kt/a 的裂解爐投資省 10%15%1。裂解爐能力由 20 世紀(jì) 70年代的 30 kt/a 提高到目前的 200 kt/a 以上，石腦油原料的裂解爐達(dá)到 200 kt/a、乙烷原料裂解爐 350 kt/a1，8，49-50。文獻(xiàn)5、8介紹了 4 種裂解爐結(jié)構(gòu)：常規(guī)的單輻射段單對(duì)流段結(jié)構(gòu)；常規(guī)的雙輻射段單對(duì)流段結(jié)構(gòu)；單輻射段雙單排輻射爐管單對(duì)流段結(jié)構(gòu)51；單輻射段（爐管布置與爐膛軸線垂直）單對(duì)流段結(jié)構(gòu)16。此外，文獻(xiàn)52介紹了美國Lummus 公司提出的單輻射段（爐管布置與爐膛軸線垂直）雙對(duì)流段等結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)53介紹了 Technip公司提出的單輻射段多排爐管（爐管布置與爐膛軸線平行）單對(duì)流段等結(jié)構(gòu)。對(duì)于大型化裂解爐其結(jié)構(gòu)有多種型式，但目前采用較多的還是上述、兩種結(jié)構(gòu)。雖然大型爐可以節(jié)省投資，但規(guī)模不是越大越好，需要與乙烯裝置的規(guī)模和原料種類結(jié)合起來統(tǒng)籌考慮以減少對(duì)操作的影響。1.4 裂解爐改造自 20 世紀(jì) 6070 年代以來，裂解技術(shù)不斷發(fā)展，節(jié)能與環(huán)保要求也越來越高，一是對(duì)技術(shù)落后、設(shè)備陳舊和不滿足環(huán)保要求的裂解爐進(jìn)行改造，二是乙烯裝置的擴(kuò)能也需要對(duì)裂解爐進(jìn)行改造。采用最新技術(shù)以消除裂解爐原設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題，以提高裂解爐的生產(chǎn)能力和技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)54對(duì)老舊裂解爐改造進(jìn)行了介紹，采用高選擇性爐管、降低排煙溫度提高熱效率、采用新耐火材料減少熱損失、更換燃燒器（采用底燒）以降低空氣過剩系數(shù)來減少燃料消耗和采用可靠的技術(shù)來減少非計(jì)劃停車來減少能耗。文獻(xiàn)42-43，48介紹了裂解爐節(jié)能技術(shù)，除前述內(nèi)容外還采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)等延長裂解爐運(yùn)行周期、風(fēng)機(jī)變頻或永磁調(diào)速技術(shù)、空氣余熱技術(shù)、降低 TLE 出口溫度以多回收超高壓蒸汽。中國石化實(shí)施的裂解爐樣板爐改造已得到國家有關(guān)部門的支持，以滿足國家對(duì)節(jié)能減排的要求。通過采用中國石化 CBL 裂解技術(shù)對(duì)茂名乙烯一臺(tái)40 kt/a原SW公司設(shè)計(jì)的48 U裂解爐和揚(yáng)子石化一臺(tái) 100 kt/a SL-型裂解實(shí)施節(jié)能改造，取得了良好的效果：其中茂名裂解爐運(yùn)行周期達(dá)到 100 天以上，熱效率達(dá)到 95%96%48。此改造技術(shù)陸續(xù)在上海石化、天津石化等乙烯裝置中得到應(yīng)用并取得了預(yù)期效果，之后還將陸續(xù)在中國石化其他乙烯裝置中分批實(shí)施。裂解爐改造技術(shù)在實(shí)施上有比較大的進(jìn)展，由在原有裂解爐上進(jìn)行模塊化施工到整爐施工完畢進(jìn)行整體平移54。1.5 應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型控制及優(yōu)化系統(tǒng)隨著對(duì)乙烯裝置效益的要求越來越高，在裂解爐設(shè)計(jì)已定型的情況下，裂解爐系統(tǒng)的控制水平已采用先進(jìn)的 DCS 常規(guī)控制、裂解深度控制和優(yōu)化控制等，并可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，從而與 ERP 系統(tǒng)、生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)操作管理、生產(chǎn)管理的一體化，使企業(yè)獲得最大效益。在乙烯裂解爐上通過采用先進(jìn)過程控制系統(tǒng)可使裂解爐在較優(yōu)狀態(tài)下工作，通過控制爐管出口溫度和裂解深度均一化，一方面實(shí)現(xiàn)裂解深度和優(yōu)化控制，也確保了裂解爐能長周期運(yùn)行。目前國內(nèi)采用的先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)有 Aspen Tech.、Honeywell、ROMEO 和華東理工大學(xué)開發(fā)的 ECUST-OlefinROC。而 ASPEN 公司則建立乙烯裝置的一整套先進(jìn)及優(yōu)化控制軟件，其裂解部分則是基于 SPYRO 軟件。裝置操作者一般用6 化 工 進(jìn) 展 2014 年第 33 卷 該軟件進(jìn)行原料選擇、生產(chǎn)計(jì)劃和裂解爐優(yōu)化。而國內(nèi)華東理工大學(xué)采用模糊控制理論（神經(jīng)元）對(duì)裂解爐進(jìn)行深度控制，效果不錯(cuò)，現(xiàn)已在中國石化進(jìn)行推廣55-58。2 乙烯裂解技術(shù)及設(shè)備的國產(chǎn)化2.1 國產(chǎn)化歷程1，59鑒于乙烯技術(shù)的重要性，原中國石化總公司成立伊始，就把開發(fā)乙烯裂解技術(shù)確定為重點(diǎn)科技開發(fā)項(xiàng)目。中國石化 CBL 乙烯裂解技術(shù)經(jīng)歷了近 3年的發(fā)展。SEI 與合作開發(fā)單位自 1984 年合作開發(fā)至今，CBL 技術(shù)已實(shí)現(xiàn)成套化，CBL 裂解爐從 CBL-型發(fā)展到 CBL-型，能力從最初的 20 kt/a 發(fā)展到 200kt/a，原料可以適應(yīng)從乙烷到加氫尾油。采用CBL 技術(shù)建設(shè)的各型新建及改造（輻射爐管）裂解爐總共達(dá) 117 臺(tái)，總能力達(dá) 11 530 kt/a 乙烯。其中改造輻射爐管且單爐能力小于 100 kt/a 裂解爐共有44 臺(tái)、總能力約 2445 kt/a； 100 kt/a 及以上裂解爐共有 73 臺(tái)、總能力達(dá) 9090 kt/a，分別建于燕山、茂名、天津、鎮(zhèn)海和武漢等。采用 CBL 技術(shù)進(jìn)行改造的裂解爐共有 50 多臺(tái)，被改造的裂解爐包括國外知名公司 Lummus、S&W、Technip（KTI）所設(shè)計(jì)的。2010 年 CBL 開發(fā)組與中國石化科技開發(fā)公司、中國石化國際事業(yè)公司一道通過與國外專利商的競標(biāo)獲得了馬來西亞某石化公司新增裂解爐項(xiàng)目，已于2012 年11 月9 日投產(chǎn)，并于2013 年2 月通過考核。2.2 工藝技術(shù)國產(chǎn)化裂解工藝技術(shù)國產(chǎn)化研究始于 20 世紀(jì) 60 年代初，到 80 年代初的近 20 年一直配合乙烯技術(shù)引進(jìn)作了大量的基礎(chǔ)研究和中試。北京化工研究院開展各種裂解原料和產(chǎn)物分析、熱裂解模擬試驗(yàn)、熱裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究及工業(yè)裂解爐運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測等研究工作； SEI 則在對(duì)流段工藝計(jì)算、工藝及系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)等方面開展了大量工作；南京工業(yè)爐所則在急冷鍋爐工藝計(jì)算、供熱等開展了大量工作。所建立的裂解爐輻射段數(shù)學(xué)模型、對(duì)流段數(shù)學(xué)模型、急冷鍋爐工藝數(shù)學(xué)模型及工藝系統(tǒng)計(jì)算模型等滿足了新型裂解爐開發(fā)和設(shè)計(jì)的需要。2.3 設(shè)備國產(chǎn)化60-62裂解爐關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化是與 CBL 裂解爐的開發(fā)同步的，包括對(duì)流段翅片管、輻射段爐管、急冷鍋爐、燃燒器、汽包、保溫材料等。1987 年 CBL-型爐設(shè)計(jì)期間開發(fā)組就與相關(guān)制造單位就以上關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了輻射段爐管、對(duì)流段翅片管、急冷鍋爐、汽包、燃燒器及耐火材料的國產(chǎn)化。CBL 裂解爐的不斷發(fā)展直接帶動(dòng)了與裂解爐相關(guān)的設(shè)備國產(chǎn)化的發(fā)展，到目前為止，除部分高溫高壓調(diào)節(jié)閥等部分儀表外，關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)了 100%國產(chǎn)化。而且南京工業(yè)爐所對(duì)急冷鍋爐、燃燒器還不斷推出新的產(chǎn)品，滿足了 CBL 各型裂解爐的需要。2.4 工程設(shè)計(jì)國產(chǎn)化SEI 開展了大量工程技術(shù)研究，包括爐管構(gòu)型和爐型結(jié)構(gòu)研究、工藝計(jì)算模型與軟件的開發(fā)和完善、輻射段爐管吊架系統(tǒng)開發(fā)與完善、裂解爐大型化工程技術(shù)開發(fā)（工藝放大、大型管道布置與應(yīng)力分析、大型裂解爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）、對(duì)流段模塊和輻射段設(shè)計(jì)、文丘里與混合器/急冷器的開發(fā)、流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件 CFD 在裂解爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、PDS模型化工程設(shè)計(jì)以及裂解爐控制系統(tǒng)的研究等。到目前為止，所有 CBL 裂解爐工程設(shè)計(jì)，以及 2000年以后中石化所建裂解爐的工程設(shè)計(jì)大多由 SEI 完成。2.5 CBL 裂解爐在天津、鎮(zhèn)海應(yīng)用情況簡介天津、鎮(zhèn)海 1000 kt/a 乙烯裝置工業(yè)化工程技術(shù)開發(fā)列入中國石化十條龍攻關(guān)。且全部采用國產(chǎn)化CBL 技術(shù)設(shè)計(jì)的裂解爐：液體爐為 CBL-型爐、氣體爐為 CBL-R 型爐，其中鎮(zhèn)海 150 kt/a 乙烯裂解爐 1 臺(tái)。工藝包、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。詳細(xì)情況介紹如下。天津 1000 kt/a 乙烯裂解爐自 2010 年 1 月 16 日正式投料運(yùn)行，并于 2010 年 12 月通過了考核。鎮(zhèn)海 1000 kt/a 乙烯裂解爐自 2010 年 4 月 21 日正式投料運(yùn)行，150 kt/a 裂解爐于 2010 年 7 月投入運(yùn)行，于 2010 年 11 月通過了考核。詳細(xì)指標(biāo)見表 1。表 1 天津、鎮(zhèn)海裂解爐技術(shù)指標(biāo)對(duì)比項(xiàng) 目 原料 乙烯收率/% 熱效率/% 運(yùn)行周期/d天津乙烯保證值 石腦油 28.72 93.5 85 考核值 31.57 95.1 86 保證值 加氫尾油 28.26 93 75 考核值 30.5 94.43 76 鎮(zhèn)海乙烯 保證值 石腦油 28.93 94 81 考核值 30.12 94.5 100 保證值 加氫尾油 29.12 92.8 70 考核值 29.47 93.78 100 第 1 期 王子宗等：乙烯裝置裂解技術(shù)進(jìn)展及其國產(chǎn)化歷程 7表 1 中的運(yùn)行周期均未達(dá)到燒焦時(shí)的最高管壁溫度。實(shí)際運(yùn)行中，天津乙烯各種原料的運(yùn)行周期分別為 122 天（C2/C3）、120 天（NAP）、96 天（HVGO），鎮(zhèn)海乙烯各種原料的運(yùn)行周期分別為133 天（C2/C3）、119 天（NAP）、121 天（HVGO），而且管壁溫度均未達(dá)到燒焦時(shí)的 1115。3 CBL 裂解爐的大型化1998 年，100 kt/a 乙烯裂解爐開始開發(fā)，于 2000年 7 月建成于燕化公司化工一廠，9 月一次投料成功。2000 年，150 kt/a 裂解爐的開始開發(fā)，于 2010年 7 月 27 日在鎮(zhèn)海石化投入使用，具備分爐膛燒焦能力，并通過了鑒定，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。200 kt/a 裂解爐的開發(fā)工作已完成，已于 2010年 8 月和 12 月分別通過了總部及國家的驗(yàn)收，目前計(jì)劃在青島煉化進(jìn)行工業(yè)化。3.1 150 kt/a CBL 裂解爐介紹150 kt/a 裂解爐工藝包列入“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃，于 2003 年通過國家驗(yàn)收?，F(xiàn)已在鎮(zhèn)海石化建成一臺(tái) CBL-型 150kt/a 裂解爐。其主要技術(shù)方案為采用雙輻射段單對(duì)流段結(jié)構(gòu)，該爐以石腦油及C5 為原料。此裂解爐所采用的技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：兩個(gè)輻射段到對(duì)流段的過渡段采用特殊的過渡段結(jié)構(gòu)；采用高選擇性兩程 2-1 型爐管并加扭曲片；第一與第二程采用彎管設(shè)計(jì)，具有良好的力學(xué)性能；供熱：底部與側(cè)壁聯(lián)合供熱，底部占約 70%；對(duì)原料及操作具有較大的靈活性；在對(duì)流段設(shè)有超高壓蒸汽過熱段；高溫裂解氣線性急冷鍋爐；運(yùn)轉(zhuǎn)周期長；高蒸汽產(chǎn)量；熱效率高：達(dá) 94%95%；引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速；可以實(shí)現(xiàn)分爐膛燒焦。150 kt/a 裂解爐通過優(yōu)化工藝參數(shù)，不僅裂解不同原料時(shí)有較好的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)也滿足了分爐膛裂解和分爐膛燒焦的要求，技術(shù)指標(biāo)見表 2。2011 年福建煉化采用以上 CBL 技術(shù)建設(shè)兩臺(tái)150 kt/a 裂解爐，現(xiàn)正在進(jìn)行施工。表 2 150kt/a 裂解爐主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)原料水油比爐出口溫度/運(yùn)行周期/d 單程 C2H4 收率/% 排煙溫度/熱效率/% NAP（設(shè)計(jì)） 0.5 838 80 28.38 104 94.6NAP（實(shí)際） 0.5 838 112120 30.29 105 94.53.2 200 kt/a 年 CBL 裂解爐介紹200 kt/a 裂解爐工藝包開發(fā)列入“十一五”國家科技支撐計(jì)劃，現(xiàn)已通過國家驗(yàn)收。其主要技術(shù)方案為采用雙輻射段單對(duì)流段結(jié)構(gòu)，輻射段爐管采用高選擇性兩程爐管（2-1 或改進(jìn) 1-1）或單程爐管，所采用的技術(shù)與 150 kt/a 裂解爐不同點(diǎn)如下：提出了 3 種可行的爐管構(gòu)型，可根據(jù)需要選擇；供熱為 100%底部供熱；產(chǎn)品收率進(jìn)一步提高；輻射爐管排列方式改進(jìn)，兩程爐管采用入口與出口交錯(cuò)排列；線性急冷鍋爐出口溫度進(jìn)一步降低。表 3 200 kt/a 兩程爐管裂解爐主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)原料水油比爐出口溫度/運(yùn)行周期/d 單程C2H4 收率/% 急冷鍋爐 出口溫度（初期）/排煙溫度/熱效率/%NAP 0.5 847 80 31 375 100 954 結(jié) 語綜上所述，蒸汽裂解技術(shù)目前沒有突破性進(jìn)展，主要進(jìn)展有圍繞克服現(xiàn)有技術(shù)不足的單元技術(shù)、大型化和節(jié)能減排等方面。如果陶瓷爐管裂解爐在工程上和材料上能解決陶瓷爐管本身的可靠性和安全性、以及與金屬材料的連接問題，如果結(jié)焦抑制技術(shù)能夠解決輻射爐管結(jié)焦問題，那么蒸汽裂解將有突破性進(jìn)展。中國石化 CBL 裂解技術(shù)經(jīng)歷了近 30 年的研究、改進(jìn)和推廣，完全實(shí)現(xiàn)了工藝、工程設(shè)計(jì)及設(shè)備國產(chǎn)化，并且實(shí)現(xiàn)了技術(shù)出口。在第一個(gè)階段（19841998 年）主要解決工藝問題；第二個(gè)階段（19982001 年）主要解決了輻射段爐管彎曲問題；第三階段（2002 年以后）主要解決了裂解爐大型化問題和裂解爐技術(shù)成套問題（氣體爐、裂解爐改造等）；第四階段（2010 年開始）主要開拓國際市場，將來主要解決蒸汽裂解技術(shù)的改進(jìn)和突破。截至到目前為止，CBL 裂解爐已有 CBL-型爐投入運(yùn)行，而且 CBL-型爐在研究之中，概括起來 CBL 裂解爐具有以下特點(diǎn)。（1）采用高選擇性爐管構(gòu)型。裂解液體原料的CBL 裂解爐，采用高選擇性爐管構(gòu)型，CBL-、型爐和 SL-型爐均采用 2-1 型爐管，CBL-型爐采用 4-1 型爐管，CBL-型爐采用改進(jìn)的 2-1 型爐管，CBL-型爐采用改進(jìn) 1-1 型爐管。裂解氣體8 化 工 進(jìn) 展 2014 年第 33 卷 原料的 CBL 裂解爐采用停留時(shí)間適中的四程爐管構(gòu)型（2-1-1-1 等或其改進(jìn)型）。（2）采用二級(jí)或一級(jí)急冷（傳統(tǒng)急冷、線性急冷）。（3）對(duì)于輕質(zhì)或重質(zhì)原料可采用一次稀釋蒸汽注入方式，對(duì)于重質(zhì)原料采用二次稀釋蒸汽注入方式。（4）供熱方式靈活，底部占 60%70%，或全部底部供熱。（5）熱效率高，達(dá) 93%96%。（6）原料適應(yīng)性強(qiáng)，可裂解乙烷至加氫尾油。（7）投資省。近年來 CBL 裂解爐和基于 CBL 技術(shù)的 SL-型爐在燕山、齊魯、天津、鎮(zhèn)海、中原、茂名的工業(yè)應(yīng)用表明，CBL 爐、SL-（CBL-）型爐的工藝性能和技術(shù)水平已完全達(dá)到國外先進(jìn)水平，在重質(zhì)原料裂解方面具有優(yōu)勢，并有投資省的優(yōu)點(diǎn)。 參 考 文 獻(xiàn)1 何細(xì)藕. 烴類蒸汽裂解制乙烯技術(shù)發(fā)展與回顧J. 乙烯工業(yè)，2008，20（5）：59-64. 2 姬偉毅，徐躍華，郭新. 中國石化 2012 年乙烯業(yè)務(wù)述評(píng)J. 乙烯工業(yè)，2013（1）：1-6. 3 章龍江，劉杰. 中國石油 2012 年乙烯業(yè)務(wù)綜述J. 乙烯工業(yè)，2013（1）：7-10 . 4 王松漢. 乙烯裝置技術(shù)M. 北京：中國石化出版社，1994. 5 王松漢，何細(xì)藕. 乙烯工藝與技術(shù)M. 北京：中國石化出版社，2000. 6 王松漢. 乙烯裝置技術(shù)與運(yùn)行M. 北京：中國石化出版社，2009. 7 陳濱. 乙烯工學(xué)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997. 8 何細(xì)藕. 乙烯裂解爐技術(shù)進(jìn)展J. 現(xiàn)代化工，2001，21（9）：13-17. 9 何細(xì)藕. 烴類蒸汽裂解原理與工業(yè)實(shí)踐（一）J. 乙烯工業(yè)，2008，20（3）：49-55. 10 Petrochemical processes1999J. Hydrocarbon Processing，1999，78（3）：112-114. 11 John R Brewer，David J Brown，Peter H Brucher. Cracking furnace having radiant heating tubes the inlet and outlet legs of which are paired wiyhin the firebox：US，6528027B1P. 2003-03-04. 12 Schmidt Gunther (DE). Pyrolysis furnace for the thermal cracking of hydrocarbons：EP，1146105P. 2001-10-17. 13 Barendregt S ，Matthew Bowers，Jan den Uijl