CN107723019A - 乙烯裂解炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乙烯裂解炉。该乙烯裂解炉包括辐射段、对流段、急冷锅炉、高压汽包、引风机等，其中辐射炉管包括多组辐射炉管组，每组辐射炉管组中的出口管和入口管各自集中布置，且该乙烯裂解炉在辐射段采用双段式供热，其中上部燃烧器布置在入口管两侧，或在出口管两侧布置的燃烧器负荷低。根据本发明，可大大降低发生二次反应并结焦的隐患以及进一步缓解辐射炉管外壁过热的问题，可显著延长清焦的间隔时间并延长辐射炉管的使用寿命。

Description

乙烯裂解炉

技术领域

本发明涉及乙烯裂解领域，更具体地，涉及一种乙烯裂解炉。

背景技术

采用石油烃类蒸汽裂解法制乙烯的乙烯裂解炉，通常包括辐射段、对流段、急冷锅炉、高压汽包和引风机等组成部分。在乙烯裂解炉中，辐射段的辐射炉管内进行的是强吸热的裂解反应，反应所需的热量由炉膛内的供热设备(即燃烧器)消耗燃料来供给。按照在裂解炉炉膛中的安装位置的不同，燃烧器可分为底部燃烧器和侧壁燃烧器两种，因此裂解炉的供热方式可分为三种：全底部燃烧器供热、全侧壁燃烧器供热和底部侧壁联合供热。

图1所示为全部侧壁燃烧器供热的裂解炉的示意图。这种供热方式具有供热均匀、有利于减小炉膛宽度等优点，在早期的裂解炉上多有应用。但是，由于燃烧器数量较多，暴露出投资高，燃料气管线布置复杂，现场操作调整和检查维修工作量大等缺点，且只能使用气体燃料，此外炉膛外壁温度容易超温、散热损失大，在裂解炉应用中逐渐趋于被淘汰。而且此种侧壁燃烧器为预混式燃烧器，其产生的NOx较高。

图2所示为全部底部燃烧器供热的裂解炉的示意图。由于其燃烧器数量的减少，使得燃烧器布置及燃料管线配管设计工作的难度降低，生产中操作调整和日常维护更加便利，并且可以扩大燃料的使用范围，目前在多个裂解炉专利商的设计中均有大量的应用，其缺点是受燃烧器负荷及供热高度的限制，必须采取措施如优化炉膛尺寸及燃烧器设计来改善炉膛高度方向的热量分布，而且存在底部过热的风险。当炉膛高度高和底部燃烧器负荷大时还会出现火焰翻转和舔炉管现象。目前底部燃烧器发展较快，而且其可采用分级燃料及烟气再循环技术，NO_x排放较低。

图3所示为底部侧壁联合供热的裂解炉的示意图。底部侧壁联合供热折中考虑了前两种供热方式的优缺点，但是在应用于大型化裂解炉时，其仍存在侧壁燃烧器附近炉膛外壁容易超温以及底部燃烧器过热和火焰翻转等问题。其NO_x排放介于全部底部供热和全部侧壁供热之间，在现在环保要求越来越高的情况下难以满足排放标准。

传统供热方式除了上述问题之外，随着裂解炉大型化发展趋势及对操作自动化要求的提高，还面临其它新的挑战：单个燃烧器负荷过大、火焰翻转舔炉管的概率大大增加，炉管局部过热，运行周期缩短的问题出现，装置长期平稳安全运转受到严重影响；另外，炉膛高度的增加使得侧壁燃烧器数量继续增加，增大了炉膛外壁温度超温的风险，加重了现场操作人员日常检维修工作的强度，这也不利于满足日益严格的节能减排及操作自动化要求。

在中国专利申请CN 104560114A中，公开了一种双段供热结构的乙烯裂解炉，其可在一定程度上缓解燃烧系统设计复杂、单个燃烧器负载过高等问题，但是该双段供热结构的乙烯裂解炉存在可能发生二次反应并结焦的隐患，此外，其还存在辐射炉管外壁温度偏高导致辐射炉管使用寿命缩短等问题。

发明内容

本发明提出了一种乙烯裂解炉，其可在缓解乙烯裂解炉的燃烧系统设计复杂、单个燃烧器负载过高等问题的同时避免发生二次反应，并有利于延长清焦的间隔时间并延长辐射炉管使用寿命。

根据本发明的一方面，提出了一种乙烯裂解炉，该乙烯裂解炉包括辐射段、对流段、急冷锅炉、高压汽包、引风机。对流段与辐射段连通，急冷锅炉连通至布置于辐射段中的辐射炉管，引风机连通至对流段顶部，高压汽包连通至急冷锅炉。所述辐射炉管包括至少一组辐射炉管组，每组辐射炉管组包括多个入口管和多个出口管，其中每组辐射炉管组中的所述多个出口管集中布置在一起，所述乙烯裂解炉在所述辐射段(1)中辐射炉管(4)的出口管集中布置，相等数量的入口管对称布置在出口管两侧。所述辐射段内布置有位于辐射段的炉膛上部的上部燃烧器和位于炉膛下部的下部燃烧器，其中，所述上部燃烧器的火焰向上且数量少于下部燃烧器数量，所述下部燃烧器布置于入口管的两侧和出口管的两侧。

可选地，布置于入口管左右两侧的下部燃烧器和与其对应的上部燃烧器位于与辐射段的纵轴平行的直线上；或者可选地，上部燃烧器位于两个相邻的下部燃烧器的中线上。

可选地，所述下部燃烧器以炉管所在平面为对称的方式布置于辐射段的炉膛两侧。

可选地，针对每组两程辐射炉管组所在平面一侧设置两个上部燃烧器，其中一个所述上部燃烧器布置在出口管一侧的各个入口管的中间位置，另一个所述上部燃烧器布置在出口管另一侧的各个入口管的中间位置。

可选地，针对每组两程辐射炉管组所在平面同一侧设置两个上部燃烧器，底部布置四个下部燃烧器，其中一个所述上部燃烧器布置在炉管平面同侧的出口管一侧和入口管一侧的两个相邻的下部燃烧器中间位置，另一个所述上部燃烧器布置在炉管平面同侧出口管另一侧的入口管一侧与出口管一侧的两个相邻下部燃烧器的中间位置。

可选地，每个所述上部燃烧器和每个所述下部燃烧器均被布置成火焰方向上朝向所述辐射段顶部。

可选地，所述上部燃烧器的供热负荷占总供热负荷的比例R满足：0.1≤R≤0.5，优选地，0.15≤R≤0.35。

可选地，每个上部燃烧器的供热负荷相同。

可选地，每个下部燃烧器的供热负荷相同；或者位于出口管两侧的单个下部燃烧器的供热负荷不同于位于入口管两侧的单个下部燃烧器的供热负荷。比如当上部燃烧器布置在两程炉管入口管两侧时，那么在出口管两侧的下部燃烧器负荷可以大于布置在入口管两侧的下部燃烧器的负荷。

可选地，在辐射段的炉膛上部炉管所在平面左右两侧各布置一排上部燃烧器。

可选地，所述上部燃烧器的上底面距离所述辐射段的炉膛底部的高度为H₁，所述辐射度的炉膛顶部距离炉膛底部的高度是H，H₁/H满足：0.35≤H₁/H≤0.65，优选地，0.4≤H₁/H≤0.6。

本发明所描述的方案中，将作为出口管和入口管的辐射炉管分别集中布置、并将上部燃烧器仅布置在入口管附近或者布置在入口管与出口管之间，从而改进了乙烯裂解炉的双段供热结构，避免火焰干扰和实现快速升温，并且避免了辐射炉管外壁温度过高的问题。详细如下：

1、当上部燃烧器只布置在入口管两侧时，可以将其对应的下部燃烧器负荷适当降低而把下部布置在出口管两侧的燃烧器负荷适当提高，这样可避免上下火焰干扰，同时实现快速升温。

2、当上部燃烧器只布置在两个下部燃烧器中线对应位置时，可以可避免上下火焰干扰。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了现有的全部侧壁燃烧器供热的裂解炉的示意图。

图2示出了现有的全部底部燃烧器供热的裂解炉的示意图。

图3示出了现有的底部侧壁联合供热的裂解炉的示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的乙烯裂解炉的局部示意图。

图5示出了根据本发明的一个具体实施方式的辐射段的正面示意图。

图6示出了根据本发明的一个具体实施方式的在辐射段炉膛的燃烧器布置侧视图。

图7示出了根据本发明的一个具体实施方式的一组辐射炉管组和相应的燃烧器布置的侧向俯视图。

图8示出了根据本发明的一个具体实施方式的辐射段的透视图。

图9示出了根据本发明的另一个具体实施方式的在辐射段炉膛的燃烧器布置侧视图。

附图标记说明

1、辐射段 2、下部燃烧器

3、上部燃烧器 4、辐射炉管

5、对流段 6、急冷锅炉

7、高压汽包 8、引风机

9、出口管 10、入口管

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明中，如无明确相反解释，辐射炉管中的“入口管”可指烃料从其顶部进入辐射段的辐射炉管，“出口管”可指裂解后的烃料从其顶部进入冷凝锅炉的辐射炉管；“上、下、左、右、前、后、纵”可参照图4，其中“上、下”可分别指朝向辐射段顶部和底部的方向，“左、右”可分别指图4相对于读者的左和右的方向，“前、后”可分别指图4中垂直于纸面向外和向内的方向，“纵”可指从辐射段顶部至辐射段底部的方向。

图4示出了根据本发明的一个实施例的乙烯裂解炉的局部示意图

如图4所示，该乙烯裂解炉可包括辐射段1、对流段2、急冷锅炉6、高压汽包7、引风机8。对流段5与辐射段1连通，待裂解的烃料可在对流段5中进一步加热后进入辐射段1。急冷锅炉6连通至布置于辐射段1中的辐射炉管4，,烃料在辐射炉管4中被裂解后被进入急冷锅炉6，以实现后续的急冷-分馏等操作。引风机8连通至所述对流段5顶部以从底部燃烧器2引入空气，进入辐射段1参与燃烧并将燃烧后的烟气经过对流段5进行热量回收后排入大气。高压汽包7连通至急冷锅炉6，可收集来自急冷锅炉6的汽水混合物并分离出饱和蒸汽然后进入对流段过热。其中，辐射炉管4包括至少一组辐射炉管组，每组辐射炉管组包括多个入口管(未示出)和多个出口管(未示出)，其中每组辐射炉管组中的多个出口管集中布置在一起，每组辐射炉管组中的多个入口管对称布置在该组中的多个出口管的两侧。在辐射段1内布置有位于辐射段1的炉膛上部的上部燃烧器3和位于其炉膛下部的下部燃烧器2，其中，上部燃烧器3仅布置于入口管的两侧，下部燃烧器布置于入口管的两侧和出口管的两侧。

发明人对现有的各种供热形式的乙烯裂解炉的优缺点进行深入分析后认为，在辐射炉管入口处，由于原料升温、转化率增长快，需要大量吸热，故要求供热强度大、需要快速升温以达到裂解反应所需要的高温，而在辐射炉管出口处，由于一次反应的活化能高于二次反应的活化能，如果温度过高，极易发生二次反应并结焦，同时导致炉管外壁温度过高，造成裂解炉运行周期缩短，并会对炉管造成一定损害。而现有的各种供热形式的乙烯裂解炉都没能很好地解决上述问题。本发明所公开的方案中，通过将出口管集中布置并将入口管对称布置在出口管两侧、并采用两段式供热形式且仅在入口管附近布置上部燃烧器而不在出口管附近布置上部燃烧器，使得即可提供满足要求的供热负荷，又避免了在炉管出口处发生二次反应导致结焦以及炉管外壁温度过高的问题，可以显著延长炉管清焦间隔时间并延长炉管使用寿命。

此外，上述实施例中，基于上部燃烧器和下部燃烧器这种区别布置，有利于灵活选择单个燃烧器的负荷，从而根据辐射炉管结构的不同和针对不同烃料的操作需求来提供裂解反应所期望的热量供给，有利于获得较佳的乙烯、丙烯收率。

每个上部燃烧器3的供热负荷可以是相同的。不同下部燃烧器2的供热负荷可以是相同的或者不同的，例如，位于出口管两侧的下部燃烧器2的供热负荷可不同于(例如稍高于)位于入口管两侧的下部燃烧器的供热负荷。

图5～图8示出了根据本发明的一个具体实施方式的示意图，其中图5是辐射段的正面示意图，图6是辐射段炉膛的燃烧器布置侧视图，图7是一组辐射炉管组和相应的燃烧器布置的侧向俯视图，图8是辐射段的透视图。为使视图清晰、重点突出，在图8中未详细示出辐射炉管的整个通路。如图所示，每组辐射炉管组包括的入口管10的数量是出口管9的数量的两倍，并且每组的多个入口管10对称布置在该组的多个出口管9的前后两侧。

如图5至图8所示，每组辐射炉管中入口管10的数量可以是出口管9的数量的2倍，并且每组中的多个入口管10可以对称布置在该组中的多个出口管9的前后两侧。

布置于入口管10左右两侧的下部燃烧器2可以和与其对应的上部燃烧器3位于与辐射段1的纵轴平行的直线上。

下部燃烧器2可以以炉管所在平面为对称的方式布置于辐射段1的炉膛两侧，例如，下部燃烧器2可以是等间距的。

针对每组辐射炉管组可以设置两个上部燃烧器3，其中一个上部燃烧器3可以布置于布置在出口管9一侧的各个入口管10的中间位置，另一个上部燃烧器3可以布置于布置在出口管9另一侧的各个入口管10的中间位置，以使各个入口管受热均匀。上部燃烧器3的排布可以是非等间距的。

下部燃烧器2和上部燃烧器3的具体布置可根据炉管排布方式和供热要求来确定。

每个上部燃烧器3和每个下部燃烧器2可以均被布置成火焰方向上朝向辐射段1的顶部。传统的全部侧壁燃烧器供热和底部侧壁联合供热的裂解炉中所采用的侧壁燃烧器都是火焰朝向辐射炉管4的贴壁型式侧壁燃烧器。这种火焰朝向辐射炉管的贴壁型式侧壁燃烧器在供热负荷大的情况下容易发生火焰翻卷、舔炉管、上下燃烧器的火焰交叉干涉等现象，因此单个贴壁型式侧壁燃烧器适合提供的供热负荷较小，为达到目标负荷则需要设置较多燃烧器。而根据本发明，上部燃烧器3可采用和下部燃烧器2的型式类似或相同的燃烧器，即火焰方向上朝向辐射段顶部的燃烧器，由于其火焰不直接朝向辐射炉管4，其喷嘴便于布置在更接近辐射炉管4的位置，可使得单个上部燃烧器3相比于传统贴壁型式侧壁燃烧器能够提供更大的供热负荷，从而可减少燃烧器的使用数量，并且降低下部燃烧器2的负荷。这有利于降低裂解炉的制造成本和操作维护的成本、减少备品备件的数量、简化燃烧器布置及燃料管线的配管设计复杂度，也有利于降低炉膛外壁温度从而降低热损失。而且，通过提高单个上部燃烧器的供热负荷能力，还有利于灵活合理地调整上部和下部供热比率关系，满足裂解反应所需的理想的供热要求，降低NO_x排放。

另外，由于传统的侧壁燃烧器的火焰方向(朝向辐射炉管)的限制，这种贴壁型式侧壁燃烧器仅能采用气体燃料，且其产生的NO_x较高。此处所采用的火焰朝上的燃烧器可采用燃料分级和烟气循环技术，相比于传统贴壁型式侧壁燃烧器，能大大降低NO_x的排放量。

设上部燃烧器3的供热负荷占总供热负荷的比例为R，发明人经过大量理论仿真和实测实验，认为当0.1≤R≤0.5、特别地当0.15≤R≤0.35时，有利于使得辐射段1中沿高度方向的热量分布更为合理。

各个上部燃烧器3的供热负荷可以是相同的。位于出口管9两侧的下部燃烧器2的供热负荷可不同于位于入口管10两侧的下部燃烧器2的供热负荷，例如，位于出口管9两侧的下部燃烧器2的供热负荷可稍大于位于入口管10两侧的下部燃烧器2的供热负荷。

如图可在辐射段1的炉膛上部左右两侧各设置一排上部燃烧器3，这可在降低成本的同时满足供热需求。在这种情况下，用H₁表示上部燃烧器3的上底面距离辐射段1的炉膛底部的高度，用H表示辐射段1的炉膛顶部距离底部的高度，当0.35≤H₁/H≤0.65、特别地当0.4≤H₁/H≤0.6时，有利于进一步提高供热效率。

图9示出了根据本发明的另一个具体实施方式的在辐射段炉膛的燃烧器布置侧视图，其与图5～图8所示乙烯裂解炉的最大区别在于，其上部燃烧器3并非与对应的下部燃烧器2位于与辐射段纵轴平行的直线上(如图6所示)，而是上部燃烧器3位于相邻两个下部燃烧器2的中线上。目的是使在对应于出口管的燃烧器的负荷低，使出口管同样避免过热和减少二次反应。

由于采用上述上下布置低NOx燃烧器的方式，比常规全部采用在下部布置低NOx燃烧器的方式，炉膛长度可以缩短，因而可以节省占地，节省占地可以高达三分之一。

应用示例

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出两个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

这两个示例性应用示例采用如图5～图8所示的实施方式，且均具有下列特性：上部燃烧器3的供热负荷占总供热负荷的比例为R为约0.35；炉膛下部左右两侧等间距地共布置36个下部燃烧器2；炉膛上部左右两侧各布置一排12个上部燃烧器3，上部燃烧器3非等间距，仅布置在入口管10附近；上部燃烧器3的上底面距离辐射段1的炉膛底部的高度H₁＝7m，辐射段1的炉膛顶部距离底部的高度H＝13m，H₁/H≈0.54；上部燃烧器3和下部燃烧器2均采用气体燃料。

在具体应用示例1中，各个下部燃烧器2的供热负荷相同，其与传统底部侧壁联合供热方案的对比如表1所示：

表1.具体应用示例1与传统底侧联合供热方案对比

在具体应用示例2中，位于出口管9两侧的下部燃烧器2的供热负荷稍高于位于入口管10两侧的下部燃烧器2的供热负荷，其与传统底部侧壁联合供热方案的对比如表2所示：

表2.具体应用示例2与传统底侧联合供热方案对比

从表1和表2可以看出，根据本发明的技术方案可以显著燃烧器的供热效率、减少燃烧器的数量并减少NO_x的排放量。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种乙烯裂解炉，该乙烯裂解炉包括辐射段(1)、对流段(5)、急冷锅炉(6)、高压汽包(7)、引风机(8)，对流段(5)与辐射段(1)连通，急冷锅炉连通至布置于辐射段(1)中的辐射炉管(4)，引风机(8)连通至对流段(5)顶部，高压汽包(7)连通至急冷锅炉(6)，其特征在于：

所述辐射炉管(4)包括至少一组辐射炉管组，每组辐射炉管组包括多个入口管(10)和多个出口管(9)，其中每组辐射炉管组中的所述多个出口管(9)集中布置在一起，所述乙烯裂解炉在所述辐射段(1)中辐射炉管(4)的出口管集中布置，相等数量的入口管对称布置在出口管两侧；

所述辐射段(1)内布置有位于辐射段(1)的炉膛上部的上部燃烧器(3)和位于炉膛下部的下部燃烧器(2)，其中，所述上部燃烧器(3)的数量少于下部燃烧器数量，所述下部燃烧器(2)布置于入口管(10)的两侧和出口管(9)的两侧，所述上部燃烧器(3)火焰向上布置如下：

布置于入口管(10)左右两侧的下部燃烧器(2)和与其对应的上部燃烧器(3)位于与辐射段(1)的纵轴平行的直线上；

或者，上部燃烧器(3)位于两个相邻下部燃烧器(2)的中线上。

2.根据权利要求1所述的乙烯裂解炉，其中：

所述下部燃烧器(2)以炉管所在平面为对称的方式布置于辐射段(1)的炉膛两侧。

3.根据权利要求1所述的乙烯裂解炉，其中：

针对每组辐射炉管组设置两个上部燃烧器(3)，其中一个上部燃烧器(3)布置于布置在出口管(9)一侧的各个入口管(10)的中间位置，另一个所述上部燃烧器(3)布置于布置在出口管(9)另一侧的各个入口管(10)的中间位置。

4.根据权利要求1所述的乙烯裂解炉，其中：

每个所述上部燃烧器(3)和每个所述下部燃烧器(4)均被布置成火焰方向上朝向所述辐射段(1)顶部。

5.根据权利要求1所述的乙烯裂解炉，其中：

所述上部燃烧器(3)的供热负荷占总供热负荷的比例R满足：0.1≤R≤0.5，优选地，0.15≤R≤0.35。

6.根据权利要求1所述的乙烯裂解炉，其中：

每个上部燃烧器(3)的供热负荷相同。

7.根据权利要求1所述的乙烯裂解炉，其中：

每个下部燃烧器(2)的供热负荷相同；

或者位于出口管(9)两侧的单个下部燃烧器(2)的供热负荷不同于位于入口管(10)两侧的单个下部燃烧器(2)的供热负荷。

8.根据权利要求1所述的乙烯裂解炉，其中：

在辐射段(1)的炉膛上部左右两侧各布置一排上部燃烧器(3)。

9.根据权利要求8所述的乙烯裂解炉，其中

所述上部燃烧器(3)的上底面距离所述辐射段(1)的炉膛底部的高度为H₁，所述辐射度(1)的炉膛顶部距离炉膛底部的高度是H，H₁/H满足：0.35≤H₁/H≤0.65，优选地，0.4≤H₁/H≤0.6。