CN106631661B - 一种蒸汽裂解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化工领域，公开了一种蒸汽裂解方法，该方法在裂解炉中实施，所述裂解炉包括对流段和辐射段，所述辐射段内垂直布置有由多组单程辐射炉管组成的辐射炉管管排和/或由多程辐射炉管组成的辐射炉管管排，以及在所述辐射段的底部布置有底部燃烧器，该方法包括：将裂解原料在对流段进行汽化和预热后进入辐射段进行裂解反应，其中，所述裂解炉的炉墙为异型结构炉墙；本发明提供了一种提高裂解炉炉膛辐射传热的方法，使得裂解炉炉管的吸热需求与裂解炉炉膛辐射传热供热相一致，从而得到一个具有适当运行周期、选择性高、热效率高、能耗低的新型裂解方法。

Description

一种蒸汽裂解方法
技术领域
本发明涉及化工领域，具体地，本发明涉及一种蒸汽裂解方法。
背景技术
乙烯、丙烯和丁二烯等低碳烯烃是石油化学工业的重要基础原料。目前，生产低碳烯烃的方法以管式炉石油烃蒸汽裂解工艺为主。据统计，世界上大约99％的乙烯、50％以上的丙烯和90％以上的丁二烯通过该工艺生产。
管式炉石油烃蒸汽裂解工艺的核心设备是管式裂解炉(以下简称“裂解炉”)，裂解原料如乙烷、丙烷、石脑油以及加氢尾油在裂解炉中被加热到高温时，会发生碳链断裂化学反应，生成低碳烯烃如乙烯、丙烯和丁二烯等。国内外的长期研究结果表明，原料烃类在高温、短停留时间、低烃分压的条件下对生成烯烃是有利的。
从裂解炉炉管的角度看，在反应的初期，由于原料急剧升温，吸收大量热量，所以要求热强度大，较多较小的管径可使比表面积增加，从而满足要求；在反应的后期，由于转化率已经较高，热强度开始减小，较少较大的管径不会显著影响传热效果。综上所述，一般而言，在设计裂解炉管时在裂解炉管的入口(即反应初期)采用较多较小的管径，在裂解炉管的出口采用较少较大(即反应末期)的管径。
从裂解炉炉膛的角度看，裂解炉炉管反应需要的热量全部由炉膛提供，在裂解炉的炉膛内，燃料气(主要是甲烷和氢)燃烧提供热量，这些热量通过辐射传热和对流传热进入炉管，其中辐射传热是主要的传热方式，占总传热量的85％以上。而裂解炉炉膛辐射传热受到多种复杂因素的影响，如炉膛的结构和尺寸、燃料的种类及供热方式、燃烧器的种类等等。目前传统的裂解炉采用陶瓷纤维或者耐火砖作为裂解炉的炉墙，利用燃料气燃烧的高温烟气和炉墙的辐射传热对裂解炉辐射炉管内的反应物料进行加热，裂解炉的炉墙全部采用平整的炉墙结构，从辐射传热的角度而言，裂解炉炉墙的辐射对入口管和出口管都是一样的。
目前的裂解炉炉膛传热过程存在如下两个问题，一是裂解炉炉膛传热面积不足，裂解炉炉膛传热过程主要是辐射传热，辐射传热量主要取决于辐射面的传热面积。对于炉管而言，其外表面积在裂解炉能力确定时也基本确定，而且增加炉管外表面积由于炉管价格贵而导致成本很高。对于炉墙而言，其表面积与炉膛大小和炉墙的形状有关系。二是裂解炉炉墙辐射传热对于炉管管排而言无任何差别，即裂解炉的炉墙无论对于入口管排还是出口管排其传热面积均一致，对于热通量大的区域和热通量小的区域也同样，这会导致裂解炉局部受热不均，从而造成炉管局部温度过高，减少裂解炉的运行周期。
因此，如何从裂解炉炉膛和炉管设计两个方面考虑，提供一种蒸汽裂解方法，得到一个具有适当运行周期、选择性高、热效率高、能耗低的新型裂解方法还需要进一步开发和研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服裂解炉炉膛辐射传热与裂解炉炉管不相匹配而导致蒸汽裂解过程中的运行周期短、选择性低、热效率低，能耗高的问题，提供一种蒸汽裂解方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种蒸汽裂解方法，该方法在裂解炉中实施，所述裂解炉包括对流段和辐射段，所述辐射段内垂直布置有由多组单程辐射炉管组成的辐射炉管管排和/或由多程辐射炉管组成的辐射炉管管排，以及在所述辐射段的底部布置有底部燃烧器，该方法包括：将裂解原料在对流段进行汽化和预热后进入辐射段进行裂解反应，其中，所述裂解炉的炉墙为异型结构炉墙。
本发明的发明人经研究发现，一方面通过增加了裂解炉炉膛内炉墙的辐射传热面积，大大降低了裂解炉的燃料用量，另一方面通过从裂解炉炉膛辐射传热和炉管设计两个方面考虑，提供了一种提高裂解炉炉膛辐射传热的方法，使得裂解炉炉管的吸热需求与裂解炉炉膛辐射传热供热相一致，从而得到一个具有适当运行周期、选择性高、热效率高、能耗低的新型裂解方法。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为采用本发明的方法进行蒸汽裂解的示意图；
图2为波形曲面结构型炉墙的俯视图；
图3为凹凸起伏结构型炉墙的俯视图。
附图标记说明
1、风机 2、对流段
3、辐射炉管管排
4、燃烧系统
5、辐射段 6、急冷锅炉
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种蒸汽裂解方法，该方法在裂解炉中实施，所述裂解炉包括对流段和辐射段，所述辐射段内垂直布置有由多组单程辐射炉管组成的辐射炉管管排和/或由多程辐射炉管组成的辐射炉管管排，以及在所述辐射段的底部布置有底部燃烧器，该方法包括：将裂解原料在对流段进行汽化和预热后进入辐射段进行裂解反应，其中，所述裂解炉的炉墙为异型结构炉墙。
根据本发明的蒸汽裂解方法，所述裂解原料没有具体限定，优选地，所述裂解原料可以为乙烷、丙烷、液化石油气、石脑油和加氢尾油中的至少一种；优选所述裂解原料为石脑油。
根据本发明的蒸汽裂解方法，将裂解原料在对流段进行汽化和预热后进入辐射段进行裂解反应，其中，裂解原料对流段预热的温度即裂解炉的横跨温度(XOT)没有具体限定，可以为本领域技术人员的常规选择，优选为550-630℃；裂解炉的辐射段出口温度(COT)没有具体限定，可以为本领域技术人员的常规选择，优选为820-860℃；以及辐射段炉管中的裂解反应时间没有具体限定，可以为本领域技术人员的常规选择，优选为0.18-0.28秒。
根据本发明的蒸汽裂解方法，所述单程辐射炉管的入口管所正对的炉墙可以为异型结构炉墙，以增加辐射面积，而所述单程辐射炉管的出口管所正对的炉墙为平整结构炉墙，以降低辐射面积的原则布置，这样能够降低该裂解炉炉管的最高管壁温度，从而有利于裂解炉长周期运行；以及与所述多程辐射炉管出口同等高度的炉墙上为异型结构炉墙，在本发明中，与所述多程辐射炉管出口同等高度的炉墙上可以全部或部分为异型结构炉墙，优选为与所述多程辐射炉管出口同等高度的炉墙的30-100％为异型结构炉墙，更优选为与所述多程辐射炉管出口同等高度的炉墙的70-100％为异型结构炉墙。
根据本发明的蒸汽裂解方法，所述异型结构炉墙为波形曲面结构型炉墙、凹凸起伏结构型炉墙和柱状体分散结构炉墙中的一种或多种，优选为波形曲面结构型炉墙或凹凸起伏结构型炉墙；并且，所述异型结构炉墙方向与裂解炉烟气流动方向一致，降低由于炉墙异型结构所带来的烟气压降的增加。
根据本发明的蒸汽裂解方法，所述异型结构炉墙的辐射面积增加率为1.05-1.4，优选为1.1-1.4，更优选为1.2-1.4；在本发明中，所述术语“辐射面积增加率”为异型结构炉墙的实际表面积与其垂直投影面积(即平面炉墙时)的比。
根据本发明的蒸汽裂解方法，所述异型结构炉墙的面积占总炉墙面积的比例为10-80面积％，优选为30-60面积％，且所述异型结构炉墙位于裂解炉炉膛高度的1/2-5/6处，优选为1/2-2/3处。
一般而言，异型结构炉墙不在裂解炉燃烧系统的火焰高度范围内使用，原因在于：裂解炉燃烧系统的火焰的燃烧状况与其燃料气和空气的混合状况相关，如果采用异型结构炉墙，将会影响到燃料气与空气的混合，从而影响火焰的正常形状，进而改变燃烧系统的热通量分布，影响裂解炉的运行。
根据本发明的蒸汽裂解方法，优选地，所述底部燃烧器对所述辐射炉管管排内的物料的供热量占总供热量的60-90％，进一步优选为70-85％；其中，在本发明中，所述术语“总供热量”是指所述底部燃烧器对所述辐射炉管管排内的物料的供热量和所述侧壁燃烧器对所述辐射炉管管排内的物料的供热量的总和。
根据本发明的蒸汽裂解方法，该裂解炉还可以包括高压汽包、燃烧系统和急冷锅炉，其中，裂解炉的燃烧系统可以采用包括但不限于甲烷或者甲烷氢气混合物作为燃料，采用空气或富氧空气作为助燃气体；优选地，采用富氧空气作为助燃气体，以降低氮含量，节约燃料。
根据本发明的蒸汽裂解方法，在所述富氧空气中，氧气的体积分数可以为22％-60％，优选为25％-40％，更优选为27％-33％；其中，所述富氧空气可以采用变压吸附或者膜渗透法获得。
根据本发明的蒸汽裂解方法，所述底部燃烧器可以布置在所述辐射炉管管排的两侧；优选地，在所述裂解炉的辐射段的侧壁上还可以布置有侧壁燃烧器，所述侧壁燃烧器布置在所述辐射炉管管排的两侧；因而，在本发明中，裂解炉的燃烧系统可以仅有底部燃烧器或者由底部燃烧器和侧壁燃烧器组成，底部燃烧器和侧壁燃烧器分布在炉膛中辐射炉管管排的两侧。
根据本发明的蒸汽裂解方法，所述底部燃烧器可以在所述辐射炉管管排的两侧对称排列，所述侧壁燃烧器可以在所述辐射炉管管排的两侧对称排列。
优选地，所述底部燃烧器和所述侧壁燃烧器各自沿着所述辐射炉管管排对称排列。
根据本发明的蒸汽裂解方法，与每组所述单程辐射炉管和/或每程所述多程辐射炉管相对应的底部燃烧器的数目为2-8个，优选3-6个。
根据本发明的蒸汽裂解方法，当所述管式裂解炉还具有侧壁燃烧器时，与每组所述单程辐射炉管和/或每程所述多程辐射炉管相对应的所述侧壁燃烧器的数目可以为2-16个，优选为4-10个。
根据本发明的蒸汽裂解方法，所述底部燃烧器和所述侧壁燃烧器均可以采用但不限于甲烷或者甲烷和氢气的混合物作为燃料。
所述辐射段内可以垂直布置有由多组单程辐射炉管组成的辐射炉管管排和/或由多程辐射炉管组成的辐射炉管管排。
其中，所述多程辐射炉管可以为2-4程炉管，优选为两程炉管，其中，第一程可以为两根平行竖直进口管，第二程可以为一根竖直出口管，组成一个2-1型辐射炉管；或者第一程可以为四根平行竖直进口管，第二程可以为一根竖直出口管，组成一个4-1型辐射炉管；优选地，所述多程辐射炉管的出口端的管内径与入口端的管内径的比值可以为大于1且小于等于1.4，优选为1.1-1.3。其中，“管内径”是指多程辐射炉管的管口内部的直径；另外，所述多程辐射炉管的出口端的管内径可以为45mm-120mm，优选为60mm-95mm；以及所述多程辐射炉管的入口端的管内径可以为25mm-60mm，优选为35mm-55mm。
其中，所述单程辐射炉管可以为非变径炉管，也可以为带有扭曲片管的变径炉管，优选为带有扭曲片管的变径炉管，其中，可以采用镗床镗出渐变管径，且使所述单程辐射炉管的入口端的管内径小于出口端的管内径，该单程辐射炉管同时出现扭曲片形状；优选地，所述单程辐射炉管的出口端的管内径与入口端的管内径的比值可以为大于1且小于等于1.4，优选为1.1-1.3。其中，“管内径”是指单程辐射炉管的管口内部的直径；另外，所述单程辐射炉管的出口端的管内径可以为35mm-65mm，优选为45mm-60mm；以及所述单程辐射炉管的入口端的管内径可以为25mm-50mm，优选35mm-45mm。
根据本发明的蒸汽裂解方法，优选地，所述单程辐射炉管的管腔内还可以布置有强化传热元件，以利于传热。所述强化传热元件没有具体限定，可以为本领域技术人员的常规选择，在本发明中，所述强化传热元件可以选自螺旋片内插件、扭带内插件、交叉锯齿形内插件、线圈芯体内插件、绕花丝多孔体和球状基体内插件中的一种或多种；进一步优选地，在所述单程辐射炉管的管腔内可以布置有相同或不相同的强化传热元件；更进一步优选地，在所述单程辐射炉管的管腔内可以布置有不相同的强化传热元件。
以下将通过具体的实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例在于说明采用本发明的方法进行蒸汽裂解。
采用图1所示的蒸汽裂解示意图进行裂解反应，具体过程包括：
该方法在含有风机1和急冷锅炉6的裂解炉中实施，所述裂解炉包括对流段2和辐射段5，将60℃的裂解原料石脑油经过对流段2进行汽化和预热后进入由三组单程辐射炉管组成的辐射炉管管排3进行裂解反应，其中，石脑油在对流段预热的温度即裂解炉的横跨温度(XOT)为598℃，裂解炉的辐射段出口温度(COT)为841℃，辐射炉管管排3中的裂解反应时间为0.24秒；
其中，辐射段内垂直布置有由三组单程辐射炉管组成的辐射炉管管排3，以及在所述辐射段的底部布置有12个底部燃烧器，在所述辐射段的侧面布置有36个侧壁燃烧器，辐射段5的燃烧系统4采用底部燃烧器与侧壁燃烧器结合方式，底部燃烧器对辐射炉管管排内的物料的供热占总供热量的80％；采用空气作为助燃气体，且所述空气中含有的氧气浓度为21体积％(V/V)；
其中，所述的裂解炉炉墙采用图2所示的波形曲面结构型炉墙，且所述异型结构炉墙位于裂解炉炉膛高度的1/2处，布置在所述单程辐射炉管的入口管所正对的炉墙上，而所述单程辐射炉管的出口管所正对的炉墙为平整结构炉墙，综合计算，所述异型结构炉墙的辐射面积增加率为1.2。
裂解炉的其他工艺参数如表1所示；
通过对裂解炉燃料气进行分析得知，裂解炉燃料气的组成如表2所示。
对比例1
按照与实施例1相同的方法进行蒸汽裂解，所不同的是，所述的裂解炉炉墙采用传统的平整结构炉墙；
结果从表1可以看出，采用平整结构炉墙，裂解炉的燃料气用量为3597Nm3/h，裂解炉的运行周期为38天。
表1
表2
组分 mol％
氢气 3.6
甲烷 95.8
乙烷 0.23
丙烷 0.08
其他 0.29
合计 100.00
结果从表1可以看出，该实施例采用由三组单程辐射炉管组成的辐射炉管管排；以及采用异型结构炉墙，由于炉膛的辐射传热面积增加，裂解炉的燃料气用量降低，裂解炉的燃料气用量从对比例1的3597Nm3/h降低到3486Nm3/h，燃料气节约了大约3.08％；同时，裂解炉的运行周期也从对比例1的38天延长到45天，这是由于在炉管入口端裂解反应吸热量增加，在炉管出口端的热强度相对降低，从而引起裂解炉最高管壁温度降低，裂解炉运行周期延长。
实施例2
本实施例在于说明采用本发明的方法进行蒸汽裂解。
按照与实施例1相同的方法进行蒸汽裂解，所不同的是，辐射炉管管排3采用48根2-1型两程炉管，共分为6组，每组裂解炉炉管管排中16根入口管与8根出口管分别排列。所述的裂解炉炉墙中与入口管管排所正对的部分采用图3所示的凹凸起伏型炉墙，出口管管排所正对的炉墙采用平面炉墙，在所有炉墙的火焰高度区域采用平面炉墙，综合计算，所述异型结构炉墙的辐射面积增加率为1.4。
通过对裂解炉燃料气进行分析得知，裂解炉燃料气的组成如表2所示。
对比例2
按照与实施例2相同的方法进行蒸汽裂解，所不同的是，所述的裂解炉炉墙采用传统的平整结构炉墙。
结果从表3可以看出，采用平整结构炉墙，裂解炉的燃料气用量为8782Nm3/h，裂解炉的运行周期为68天。
表3
从表3可以看出，采用由多程辐射炉管组成的辐射炉管管排；以及采用异型炉墙后，由于炉膛的辐射传热面积增加，裂解炉的燃料气用量也从对比例2的8782Nm3/h降低到8501Nm3/h，燃料气节约了大约3.2％；同时，裂解炉的运行周期也从对比例2的68天延长到75天，这是由于在入口管裂解反应吸热量增加，在出口管的热强度相对降低，从而引起裂解炉最高管壁温度降低，裂解炉运行周期延长。
实施例3
本实施例在于说明采用本发明的方法进行蒸汽裂解。
按照与实施例1相同的方法进行蒸汽裂解，所不同的是，所述的裂解炉炉墙采用图3所示的凹凸起伏结构型炉墙，且所述异型结构炉墙位于裂解炉炉膛高度的2/3处，布置在所述单程辐射炉管的入口管所正对的炉墙上，而所述单程辐射炉管的出口管所正对的炉墙为平整结构炉墙，综合计算，所述异型结构炉墙的辐射面积增加率为1.3。
通过对裂解炉燃料气进行分析得知，裂解炉燃料气的组成如表2所示。
对比例3
按照与实施例3相同的方法进行蒸汽裂解。
所不同的是：
所述的裂解炉炉墙采用传统的平整结构炉墙。
结果从表4可以看出：
采用平整结构炉墙，裂解炉的燃料气用量为8782Nm3/h，裂解炉的运行周期为68天。
表4
结果从表4可以看出，采用富氧燃烧后，由于助燃氧气所携带的氮气量降低，裂解炉的燃料气用量降低；以及采用异型结构炉墙，由于炉膛的辐射传热面积增加，裂解炉的燃料气用量降低；裂解炉的燃料气用量从对比例3的8782Nm3/h降低到8563Nm3/h，节约了燃料气。同时，裂解炉的运行周期也从对比例3的68天延长到76天，这是由于在炉管入口端裂解反应吸热量增加，在炉管出口端的热强度相对降低，从而引起裂解炉最高管壁温度降低，裂解炉运行周期延长。
实施例4
本实施例在于说明采用本发明的方法进行蒸汽裂解。
按照与实施例1相同的方法进行蒸汽裂解，所不同的是，辐射炉管管排3采用48根2-1型两程炉管，共分为6组，每组裂解炉炉管管排中16根入口管与8根出口管分别排列。
通过对裂解炉燃料气进行分析得知，裂解炉燃料气的组成如表2所示。
对比例4
按照与实施例4相同的方法进行蒸汽裂解，所不同的是，所述的裂解炉炉墙采用传统的平整结构炉墙。
结果从表5可以看出，采用平整结构炉墙，裂解炉的燃料气用量为8782Nm3/h，裂解炉的运行周期为68天。
表5
结果从表5可以看出，采用异型结构炉墙，且通过采用采用异型结构炉墙与多程辐射炉管的相互匹配，裂解炉的燃料气用量从对比例4的8782Nm3/h降低到8577Nm3/h，节约了燃料气；同时，裂解炉的运行周期也从对比例4的68天延长到73天。
从以上实施例1-4和对比例1-4以及表1-5中的数据可知：本发明的发明人通过增加了裂解炉炉膛内炉墙的辐射传热面积，大大降低了裂解炉的燃料用量，以及通过从裂解炉炉膛辐射传热和炉管设计两个方面考虑，提供了一种提高裂解炉炉膛辐射传热的方法，使得裂解炉炉管的吸热需求与裂解炉炉膛辐射传热供热相一致，而且在使用管式裂解炉制备乙烯、丙烯和丁二烯等低碳烯烃时可以获得超高的选择性，从而获得了一种具有超高选择性的裂解方法，并且同时还可以有效提高裂解炉的热效率、降低能耗、增加裂解炉的运行周期。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种蒸汽裂解方法，该方法在裂解炉中实施，所述裂解炉包括对流段和辐射段，所述辐射段内垂直布置有由多组单程辐射炉管组成的辐射炉管管排和/或由多程辐射炉管组成的辐射炉管管排，以及在所述辐射段的底部布置有底部燃烧器，该方法包括：将裂解原料在对流段进行汽化和预热后进入辐射段进行裂解反应，其特征在于，所述裂解炉的炉墙为异型结构炉墙，所述异型结构炉墙为波形曲面结构型炉墙、凹凸起伏结构型炉墙和柱状体分散结构炉墙中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述单程辐射炉管的入口管所正对的炉墙为异型结构炉墙，而所述单程辐射炉管的出口管所正对的炉墙为平整结构炉墙；以及与所述多程辐射炉管出口同等高度的炉墙上为异型结构炉墙。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述异型结构炉墙的辐射面积增加率为1.05-1.4。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述异型结构炉墙的辐射面积增加率为1.1-1.4。
5.根据权利要求1、3或4所述的方法，其中，所述异型结构炉墙的面积占总炉墙面积的比例为10-80面积％，且所述异型结构炉墙位于裂解炉炉膛高度的1/2-5/6处。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述异型结构炉墙的面积占总炉墙面积的比例为30-60面积％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述底部燃烧器对所述辐射炉管管排内的物料的供热量占总供热量的60-90％。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述底部燃烧器对所述辐射炉管管排内的物料的供热量占总供热量的70-85％。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述裂解炉的辐射段的侧壁上还布置有侧壁燃烧器，所述底部燃烧器和所述侧壁燃烧器各自沿着所述辐射炉管管排对称排列。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，与每组所述单程辐射炉管和/或每程所述多程辐射炉管相对应的所述底部燃烧器的数目为2-8个。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，与每组所述单程辐射炉管和/或每程所述多程辐射炉管相对应的所述底部燃烧器的数目为3-6个。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，与每组所述单程辐射炉管和/或每程所述多程辐射炉管相对应的所述侧壁燃烧器的数目为2-16个。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，与每组所述单程辐射炉管和/或每程所述多程辐射炉管相对应的所述侧壁燃烧器的数目为4-10个。
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