乙烯裂解爐的發(fā)展和節(jié)能技術(shù)

1、乙烯裂解爐的發(fā)展和節(jié)能技術(shù)摘要：乙烯工業(yè)是石油化工的“龍頭”，并且常作為衡量一個(gè)國家基本化學(xué)工業(yè)的發(fā) 展水平。乙烯是合成纖維、合成橡膠、合成塑料的基本化工原料，也用于制造氯乙 烯、苯乙烯、環(huán)氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸藥等。烴類管式爐裂解制乙烯是一項(xiàng) 對國民經(jīng)濟(jì)有很大影響的復(fù)雜綜合技術(shù)，具有投資大、原材料消多、能耗高、主產(chǎn)品 和副產(chǎn)品及聯(lián)產(chǎn)品量大且應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。本文主要介紹乙烯裂解爐的發(fā)展以及在節(jié) 能技術(shù)方面的進(jìn)展，并且就裂解爐以后的發(fā)展做了大膽的預(yù)測。關(guān)鍵詞：乙烯；乙烯裂解爐；應(yīng)用。引言在乙烯裝置中，裂解爐的耗能最大。1973年以前乙烯裝置從裂解爐回收的能量較少， 因此需要從界區(qū)外補(bǔ)充供應(yīng)

2、部分能量。由于技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在裂解爐可以最大限度地回收 一部分能量用于乙烯裝置的壓縮、深冷、精制各工段，并向界區(qū)之外輸出。裂解爐的節(jié) 能、降耗、減少投資、降低成本主要從以下兩個(gè)方面考慮。降低原料消耗和使用多種原 料來降低原料成本，以較少的原料獲得較多的烯烴。降低裂解爐的能耗。通過改進(jìn)裂解 工藝可以提高裂解爐的熱效率和高溫裂解氣高溫位熱能回收水平都可達(dá)到降低本工序能耗 的目的。1裂解爐技術(shù)的發(fā)展概況自1964年第一臺(tái)輻射段垂直爐管結(jié)構(gòu)的雙面輻射短停留時(shí)間裂解爐由魯姆斯公司在德 國推出以來，幾家從事乙烯技術(shù)開發(fā)的公司投入了大量的資金和技術(shù)力量進(jìn)行裂解技術(shù)的 開發(fā)。他們總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室研究，

3、掌握了裂解基本原理和烴類裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 數(shù)據(jù)并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，獲得了大量的工業(yè)實(shí)踐數(shù)據(jù)和工程技術(shù)研究結(jié)果。利用計(jì) 算機(jī)技術(shù)，將烴類裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)、機(jī)械工程等學(xué)科有機(jī)地結(jié)合起 來，使裂解爐技術(shù)取得了長足進(jìn)步。1.1輻射段爐管構(gòu)型不斷改進(jìn)烴類裂解選擇性的提高主要?dú)w功于輻射段反應(yīng)爐管構(gòu)型的改進(jìn)。為了提高裂解選擇 性，三十多年來，各公司推出了一代又一代的高溫、短停留時(shí)間、低烴分壓的輻射段爐管 構(gòu)型，其總的趨勢是：提高反應(yīng)溫度。60年代，石腦油裂解溫度一般為800820C，而 現(xiàn)代裂解的裂解溫度已提高到840 C和850860C，單程小直徑爐管裂解溫度達(dá)到900 C左 右?？s短烴

4、類裂解時(shí)間?，F(xiàn)代裂解爐的烴類裂解反應(yīng)停留時(shí)間已由60年初的0.50.7s縮 短至0.30.4s和0.150.25s，單程小直徑爐管達(dá)0.1s以下。這可以通過減少爐管程數(shù)， 即縮短爐管的長度來解決。降低裂解烴分壓。烴分壓降低可通過降低爐管阻力降和降低 爐管出口壓力來解決。由于上述工藝條件改善，石腦油裂解單程乙烯收率從60年代的23%左右提高到28% 33%，從而使原料消耗大大降低。1.2裂解爐向大型化方向發(fā)展隨著石化工業(yè)的發(fā)展，乙烯裝置的規(guī)模不斷擴(kuò)大。50年代乙烯裝置的規(guī)模小于10萬 t/a，單爐能力只有幾千至2.0萬t/a。進(jìn)入90年代以后，國外新建乙烯裝置的規(guī)模多在60 80萬t/a，目前最

5、大規(guī)模已達(dá)110萬t/a，單爐生產(chǎn)能力擴(kuò)大到6萬t/a以上，最大達(dá)到1214 萬t/a。大型乙烯裝置及裂解爐大型化給乙烯裝置帶來的好處十分顯著。 裂解爐的臺(tái)數(shù)減少。以年產(chǎn)60.0萬t/a乙烯裝置為例，采用11.0萬t/a的裂解爐全 裝置只需6臺(tái)裂解爐，如采用中等容量的爐子則需11臺(tái)裂解爐。裂解爐臺(tái)數(shù)減少使散熱損失 下降，節(jié)約能量，方便了設(shè)備操作、管理，使操作費(fèi)用降低。 爐子大型化降低了單位乙烯投資費(fèi)用。還以上例來說，由于設(shè)備臺(tái)數(shù)減少帶來的 基礎(chǔ)施工、設(shè)備材料、施工安裝建設(shè)費(fèi)用下降，可以使總建設(shè)投資節(jié)省14%18%。 維修方便，費(fèi)用降低。 有利于裂解爐的優(yōu)化控制。1.3裂解爐原料適應(yīng)性增強(qiáng)早期的

6、裂解爐只能適應(yīng)較輕的液體原料石腦油或氣體原料等單一原料裂解，而現(xiàn)代化 的乙烯裝置要求現(xiàn)代化的裂解爐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有高度的原料靈活性，完全靈活的裂解爐 能裂解從乙烷、液化石油氣、石腦油、柴油、加氫裂化減壓尾油等多種原料。原料變化必將引起工藝設(shè)計(jì)參數(shù)改變，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮對對流段、輻射段、急 冷鍋爐、油急冷器、急冷油粘度帶來的影響，并采取相應(yīng)措施解決。因此原料的種類越 多，裂解爐系統(tǒng)及分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就越復(fù)雜，副產(chǎn)品的數(shù)量就差別愈大，不能保證每一種 原料都能在最佳的工藝條件下操作，因此單位乙烯所需的能量和投資也較多。然而，原料 靈活性不但可以減輕市場原料供應(yīng)的沖擊，而且增加了選擇價(jià)格相對便宜原料

7、的余地，從 而用降低原料費(fèi)用創(chuàng)造的利潤來抵消投資費(fèi)用的增加，縮短投資回收期。基于上述原因， 各乙烯承包商均開發(fā)并掌握了原料靈活性裂解爐設(shè)計(jì)技術(shù)，但工廠最終選擇原料種類前， 必須深入調(diào)查后慎重確定。1.4抑制爐管結(jié)焦技術(shù)的發(fā)展烴類裂解制乙烯爐管內(nèi)不可避免地會(huì)發(fā)生生焦反應(yīng)，因此需定期清焦，影響生產(chǎn)和經(jīng) 濟(jì)效益。為此，從80年代開始，開發(fā)了許多的結(jié)焦抑制技術(shù)，以提高裂解爐的運(yùn)轉(zhuǎn)周期和 生產(chǎn)能力。結(jié)焦抑制技術(shù)主要包括三項(xiàng)。裂解原料預(yù)處理和改質(zhì)。即采用降低原料中結(jié)焦先兆物的含量來達(dá)到減少結(jié)焦反 應(yīng)的目的。研制新的合金爐管材料。如采用滲鋁的合金爐管來減少結(jié)焦。在裂解原料或稀釋蒸汽中添加結(jié)焦抑制劑。結(jié)焦抑制

8、劑的作用:與爐管內(nèi)表面 進(jìn)行反應(yīng)使表面鈍化，抑制非均相反應(yīng)結(jié)焦。改變自由基反應(yīng)歷程，抑制均相結(jié)焦。 催化水蒸汽與焦層的氣化反應(yīng)，降低管壁表觀結(jié)焦量。改變焦的物理性質(zhì)及形態(tài)，使之 松散，易于清除。抑制爐管結(jié)焦工作已進(jìn)行多年，但由于影響爐管結(jié)焦的因素較復(fù)雜，對 此項(xiàng)工作的前景尚有分歧，因此尚未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用。2節(jié)能技術(shù)方面的進(jìn)展2.1裂解爐熱效率提高60年代以前的裂解爐煙氣采用自然抽風(fēng)排放，空氣過剩系數(shù)大，對流段回收管減少， 爐子生產(chǎn)能力小，散熱損失大，裂解熱效率在85%以下。能源緊張和燃料價(jià)格上漲，爐子規(guī) 模擴(kuò)大等因素促進(jìn)了各乙烯承建商改進(jìn)技術(shù)，努力提高爐子熱效率、減少燃料單耗來降低 生產(chǎn)成本，提

9、高市場競爭力，因此裂解爐的熱效率逐漸提高。當(dāng)今裂解爐設(shè)計(jì)熱效率平均 在93%以上，最高可達(dá)96%。裂解爐熱效率提高主要基于以下幾方面的技術(shù)改進(jìn)。 采用引風(fēng)機(jī)排煙來強(qiáng)化對流段的熱回收。從70年代開始，裂解爐均采用引風(fēng)排 煙，使對流段管排緊湊，布管增多，既強(qiáng)化了對流段傳熱，又可有效地控制爐膛的負(fù)壓， 減少漏風(fēng)所造成的熱損失。合理安排對流段熱回收管排，降低排煙溫度?，F(xiàn)代裂解爐在對流段按照溫度等級 科學(xué)性排布空氣預(yù)熱段、原料預(yù)熱段、鍋爐給水預(yù)熱段、稀釋蒸汽過熱段、超高壓蒸汽過 熱段、原料過熱段等，使排煙溫度降至80100C，煙氣排放熱損失降低。但值得注意的 是降低排煙溫度必然會(huì)增加投資，同時(shí)如果燃料含

10、硫量較高則排煙溫度不宜過低，否則會(huì) 發(fā)生低溫部分爐管煙氣中酸氣露點(diǎn)腐蝕，因此要慎重考慮確定。采用預(yù)熱過的空氣作為助燃空氣。改進(jìn)爐體結(jié)構(gòu)和采用低導(dǎo)熱性能的保溫材料。由于改進(jìn)爐體結(jié)構(gòu)和采用低導(dǎo)熱性能 的保溫材料，減少裂解爐表面的散熱損失，現(xiàn)代裂解爐的散熱損失已降至1.5%左右。2.2控制技術(shù)的改進(jìn)裂解爐系統(tǒng)早期采用的單參數(shù)或雙參數(shù)的調(diào)節(jié)方法早已不能適用技術(shù)的進(jìn)步，與其它 工業(yè)裝置一樣，最近十多年來多數(shù)乙烯裝置采用了先進(jìn)的1)(控制系統(tǒng)，使裝置在數(shù)據(jù)數(shù) 字化的基礎(chǔ)上，形成了高度的控制系統(tǒng)，并可與計(jì)算機(jī)連接，從而擴(kuò)大有關(guān)操作管理、生 產(chǎn)管理方面的功能。計(jì)算機(jī)的運(yùn)用對裝置的生產(chǎn)過程可以實(shí)現(xiàn)超前控制、最佳

11、控制等，不 僅降低成本，而且節(jié)能，采用最佳化控制后乙烯裝置的效率可提高2%4%，其中裂解系統(tǒng) 的控制的改進(jìn)占有很大比例。2.3物流均布技術(shù)現(xiàn)代高選擇性大型裂解爐每臺(tái)爐輻射段爐管多達(dá)數(shù)十至百組以上，為了維持各組爐管 均在相近的裂解深度下操作，各組爐管的流量均勻分配成為關(guān)鍵問題。常規(guī)的大容量爐管 采用調(diào)節(jié)閥來控制每組爐管流量，由于經(jīng)濟(jì)原因和工程的復(fù)雜性在此是不適應(yīng)的。因此， 各乙烯開發(fā)公司不約而同地根據(jù)流體力學(xué)原理，設(shè)計(jì)開發(fā)了結(jié)構(gòu)簡單又無需維修的構(gòu)件來 均勻各組的流量。2.4在線燒焦技術(shù)廢熱鍋爐的焦垢采用一般燒焦法很難脫除，只能用機(jī)械清焦法清除，因此耗時(shí)多，爐 子需降溫停車。改進(jìn)工藝和燒焦法后可使

12、廢熱鍋爐的脫焦與爐管的脫焦過程同時(shí)進(jìn)行，使 清焦時(shí)間減少至兩天，裂解爐也不需停車，不但節(jié)省了時(shí)間，也減少了維修費(fèi)和燃料，對 延長爐管和裂解爐的壽命也有好處。2結(jié)語裂解爐技術(shù)今后的發(fā)展將從兩個(gè)方向考慮。第一，繼續(xù)改進(jìn)，完善過去的管式裂解爐 技術(shù)；第二，從根本上革新烴類裂解技術(shù)。第一方面的工作可分為改進(jìn)技術(shù)和保全技術(shù)兩 個(gè)方面。改進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵包括適應(yīng)原料多樣化、新的反應(yīng)爐管構(gòu)型、反應(yīng)爐管材質(zhì)改進(jìn)、 急冷鍋爐結(jié)構(gòu)及清焦方法改進(jìn)、抑制爐管及急冷鍋爐結(jié)焦等。同時(shí)，裂解爐在線最佳控制 開工率和延長裝置的各種檢查診斷技術(shù)，早期探測裝置異常的技術(shù)，根據(jù)原料變化和裂解 爐運(yùn)行情況預(yù)測裝置的變化趨勢技術(shù)等。第二方面的工作則要開發(fā)新的制乙烯技術(shù)，使能 耗和物耗較管式爐裂解大幅度下降，使技術(shù)有突破性進(jìn)展。參考文獻(xiàn)曾清泉，許士興.制乙烯的管式裂解爐技術(shù)的發(fā)展.化工部北京化工研究院，北京100013.肖雪軍，何細(xì)藕.乙烯裝置裂解爐的節(jié)能技術(shù).中國石化工程建設(shè)公司，北京100101.李紹宇，徐竹林.乙烯生產(chǎn)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用.盤錦天然氣化工