CN107974268B - 一种裂解炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种裂解炉，其中，裂解炉包括：对流段、与对流段相连通的辐射段、急冷锅炉和汽包，对流段内设有与裂解炉的进料口相连通的对流管束，汽包设于对流段的顶部，裂解炉的炉顶上设有与裂解炉相连通的风机，辐射段内设有多组辐射管束，辐射管束包括多根辐射炉管，多根辐射炉管沿辐射管束的外周间隔设置，辐射炉管与对流管束相连通，辐射段的炉膛底部和炉膛侧壁分别设有多个燃烧器，所述辐射炉管的出口端与所述急冷锅炉相连通。本发明的裂解炉裂解炉结构简单，通过改善辐射炉管的排列方式，能够降低辐射炉管的布置难度且能够尽可能保证裂解炉中的每一组辐射炉管有相同的反应条件，同时具有单位生产能力的裂解炉占地面积小的优点。

Description

一种裂解炉
技术领域
本发明涉及管式炉石油烃蒸汽裂解技术领域，尤其涉及一种采用富氧燃烧系 统的裂解炉。
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、丙烯和丁二烯等目的产物。
自上世纪60年代管式裂解炉开发成功以来，各裂解炉的专利商为了降低建 设投资和生产成本，把研究重点放在了裂解炉的大型化、改善和提高裂解炉的选 择性及产品收率、延长裂解炉的运行周期等方面。尤其是裂解炉的大型化方面， 单台裂解炉从最初的不到1万吨/年的生产能力发展到如今20万吨/年的生产能 力。
目前的裂解炉大都集中于裂解炉辐射段内的炉管如何排布以保证炉管在炉 膛中更多的布置同时更好的得到辐射传热，使得炉管内的物料能够在极短停留时 间内快速升温。但其布置无论如何管排都是处于某个平面之内或者两个垂直交互 的平面之内，炉管仍然是呈直线分布，进口炉管和出口炉管存在交叉布置的现象。
炉管管排布置在同一个平面内，对于在裂解炉中广泛应用的两程炉管而言， 需要对其进口管和出口管进行连接，而在同一平面布置无疑会带来每一组炉管 (由一根进口管和一根出口管组成)的互相交叉，从而造成每一组炉管的长度或 者结构不一致，形成炉管间结构上的微小差别，进而影响到炉管内裂解原料的反 应。
从裂解炉的传热角度看，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。通常裂解炉都采用燃 料气与空气的混合燃烧来提供裂解反应所需的热量。
传统的裂解炉一般采用空气作为助燃气体，由于空气中氧气含量仅有21％， 大部分为氮气，因此在燃烧过程中，燃料气的燃烧速度较慢，燃烧火焰较长，在 裂解炉膛的高度方向，炉膛温度呈曲线分布，在炉膛底部供热量少，炉膛中部则 供热量最多，炉膛上部供热量开始降低。对于多程炉管的裂解炉，由于其停留时 间较长，炉膛供热与炉管吸热之间的矛盾尚不突出，对于单程炉管，这一矛盾便 凸显出来，在炉管的入口端，物料继续快速升温，继续大量的热量，然而传统燃 烧系统的底部供热量较少；而在炉管出口端，物料的结焦速率急剧增加，需要控 制二次反应的发生，然而传统燃烧系统的中上部供热量开始达到最大。也就是说， 在燃烧系统和单程炉管之间存在一个匹配的问题。
为解决上述问题，有必要提出一种新的裂解炉。
发明内容
本发明提出一种裂解炉，其结构简单，通过改善辐射炉管的排列方式，实现 了降低单位生产能力的裂解炉占地面积以及辐射炉管布置的难度并能够使每一 组炉管均保持同样的构型，从而保证裂解炉中每一组炉管尽可能拥有同样的反应 条件，同时该裂解炉采用富氧燃烧系统，能够降低燃烧系统中燃料的消耗。
为实现上述目的，本发明提出一种裂解炉，其中，所述裂解炉包括：对流段、 与所述对流段相连通的辐射段、急冷锅炉和汽包，其中：
所述对流段内设有与所述裂解炉的进料口相连通的对流管束，所述汽包设于 所述对流段的顶部，所述裂解炉的炉顶上设有与所述裂解炉相连通的风机；
所述辐射段内设有多组辐射管束，所述辐射管束包括多根辐射炉管，多根所 述辐射炉管沿所述辐射管束的外周间隔设置，所述辐射炉管与所述对流管束相连 通，所述辐射段的炉膛底部和炉膛侧壁分别设有多个燃烧器；
所述辐射炉管的出口端与所述急冷锅炉相连通。
如上所述的裂解炉，其中，所述燃烧器采用富氧空气作为助燃气体。
如上所述的裂解炉，其中，所述富氧空气中氧气的体积分数为22％～60％。
如上所述的裂解炉，其中，多根所述辐射管束的横截面呈圆形或椭圆形，所 述辐射炉管为单程炉管或多程炉管。
如上所述的裂解炉，其中，所述单程炉管为直管或所述单程炉管为其入口端 小于出口端的渐扩管。
如上所述的裂解炉，其中，相邻两根所述单程管之间的管间距与所述所述单 程管的内径比值为1.2～3.0。
如上所述的裂解炉，其中，所述多程管为两程管，所述两程管包括一根出口 管和至少一根入口管，所述入口管的入口端与所述对流管束相连通，所述入口管 的出口端与所述出口管的入口端相连通，所述出口管的出口端与所述冷锅炉相连 通。
如上所述的裂解炉，其中，所述出口管的内径与所述入口管的直径比值为 1～1.4。
如上所述的裂解炉，其中，相邻两根出口管之间的管间距与所述出口管的内 径比值为1.2～5.0，相邻两根入口管之间的管间距与所述入口管的内径比值为 1.2～5.0。
如上所述的裂解炉，其中，所述炉膛底部燃烧器的供热比例为整个燃烧系统 的60～100％。
本发明的裂解炉结构简单，该裂解炉采用富氧燃烧系统，能够减少烟气的排 放量及降低燃料的消耗，本发明的裂解炉改善辐射炉管的排列方式，能够降低辐 射炉管的布置难度且能够尽可能保证裂解炉中的每一组辐射炉管有相同的反应 条件，有利于裂解反应具有相同的反应条件，同时具有单位生产能力的裂解炉占 地面积小的优点。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的 范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发 明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员 在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本 发明。
图1为本发明的裂解炉的结构示意图；
图2是本发明1-1型两程炉管的裂解炉俯视图；
图3是本发明2-1型两程炉管的裂解炉俯视图；
图4是本发明单程炉管的裂解炉的俯视图；
图5是本发明两个辐射管束的裂解炉的俯视图；
图6是本发明三个辐射管束的裂解炉的俯视图；
图7是本发明四个辐射管束裂解炉的俯视图；
图8是本发明椭圆形辐射管束裂解炉的俯视图；
图9是传统炉管排布的裂解炉的俯视图。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细 节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不 能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想 基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围，下面将结合 附图对本发明作进一步说明。
图1至图9分别为本发明的裂解炉的结构示意图、1-1型两程炉管的裂解炉 俯视图、2-1型两程炉管的裂解炉俯视图、单程炉管的裂解炉的俯视图、两个辐 射管束的裂解炉的俯视图、三个辐射管束的裂解炉的俯视图、四个辐射管束裂解 炉的俯视图、椭圆形辐射管束裂解炉的俯视图、传统炉管排布的裂解炉的俯视图。
如图1至图8所示，本发明的裂解炉包括：对流段1、与对流段1相连通的 辐射段2、急冷锅炉3和汽包(或称为高压汽包，图中未示出)，其中：对流段1 内设有与裂解炉的进料口相连通的对流管束(图中未示出对流管束)，汽包设于 对流段1的顶部，裂解炉的炉顶上设有与裂解炉相连通的风机4；辐射段2内设 有多组辐射管束21，辐射管束21包括多根辐射炉管22，多根辐射炉管22沿辐 射管束21的外周间隔设置，辐射炉管22与该对流管束相连通，辐射段2的炉膛 底部和炉膛侧壁分别设有多个燃烧器5(构成裂解炉的燃烧系统)，辐射炉管22 的出口端与急冷锅炉3相连通。
具体的，在本发明中，辐射管束21排布在炉膛的中间，在辐射管束21四周 的炉膛底部和炉膛侧壁对称排布设有燃烧器5，在一具体实施例中，多根所述辐 射管束21的横截面呈圆形或椭圆形，辐射管束21内的每一组辐射炉管22均匀 分布在以辐射管束21中心为中心的圆形或者椭圆形周线上，在每个辐射管束21 中心布置若干个底部燃烧器，底部燃烧器也即为设置在炉膛底部上的燃烧器5位 于辐射管束21中心的燃烧器5。
具体的，在本发明中，辐射管束21由4-20组辐射炉管22组成，优选的，辐 射管束21由6至12组辐射炉管22组成，在一具体实施方式中，辐射管束21中 辐射炉管22距离辐射管束21中心距离的范围是：350mm至1500mm。优选地， 辐射炉管22距离辐射管束21的中心距离的范围是：400mm至1200mm。
进一步地，所述辐射炉管22为单程炉管或多程炉管，其中，单程炉管和多 程炉管的定义为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
在本发明中，单程炉管为直管(即不变径管)或者从入口到出口的管径渐变的渐变径管。在本实施例中，渐扩管是渐变径管的入口端管口内径小于出口端管口内径的渐扩管，具体的，在本发明中，所述的渐变径管的入口端管口内径的范围是：25mm至50mm，优选入口端管口内径的范围是：35mm至45mm；所述的渐变径管的出口端管口内径的范围是：35mm至65mm，优选出口端管口内径的 范围是：45mm至60mm。当然，单程管的管径也可根据裂解炉的大小做出相应 的调整，即单程管的管径也可采用其他尺寸，在此不做具体限制。
进一步地，在本发明中，所述的单程炉管在辐射管束中布置时炉管间距与炉 管直径的比例为：1.2-3.0，优选的，所述的单程炉管在辐射管束中布置时炉管间 距与炉管直径的比例为：1.6-2.2。发明人发现采用该比例设计更有利于裂解反应 的发生，同时有助于延长裂解炉的运行周期。
在一具体实施例中，所述多程炉管为两程炉管，所述两程炉管包括一根出口 管8和至少一根入口管9，所述入口管9的入口端与所述对流管束相连通，入口 管9的出口端与出口管8的入口端相连通，可采用弯管将入口管9的出口端与出 口管8的入口端相连通，当然也可采用其他方式连通，在此不做具体限制，且所 述出口管9的出口端与所述急冷锅炉3相连通。
在一具体实施例中，在所述的两程炉管中，第一程为一根竖直入口管9，第 二程为一根竖直出口管8，组成一个1-1型辐射炉管。在另一具体实施方式中， 或者第一程为两根平行竖直入口管9，第二程为一根竖直出口管8，两根平行竖 直入口管9均与竖直出口管8相连通，组成一个2-1型辐射炉管，当然在所述的 两程炉管中，第一程为n根(n为正整数且不小于3)竖直入口管9，第二程为一 根竖直出口管8，n根竖直入口管9分别与竖直出口管8相连通，组成一个n-1型 辐射炉管，其中，n的个数在此不做具体限制。
进一步地，所述的两程炉管的出口管内径与该入口管内径之比的范围是1～1.4(包括1.4)，从而更有利于裂解反应的进行。
在一具体实施方式中，所述的两程炉管的入口管内径的范围是：25mm至 60mm。优选入口管内径的范围是：35mm至55mm；所述的两程炉管的出口管内 径的范围是：45mm至120mm。优选出口端管口内径的范围是：55mm至95mm。
进一步地，所述的两程炉管在辐射管束中布置时炉管间距与炉管直径的比例 为：1.2-5.0，优选的，所述的两程炉管在辐射管束中布置时辐射炉管22间距与辐 射炉管22直径的比例为：1.6-3.0，此处的辐射炉管22包括入口管9和出口管8。
当然，所述多程炉管也可为三程炉管、四程炉管、五程炉管或更多程三程炉 管。三程炉管的设计方式为在两程炉管的入口管9和出口管8之间设有一根中间 炉管，中间炉管与入口管9和出口管8均平行，中间炉管将入口管9和出口管8 连通，构成本发明中的三程炉管，四程炉管或更多程炉管的设计方法与三程炉管 的设计方法类似，在此不再具体的赘述。
进一步地，在本发明中，裂解炉的燃烧系统仅有底部燃烧器或者由底部燃烧 器和侧壁燃烧器组成，其中，底部燃烧器为炉膛底部的燃烧器5，侧壁燃烧器为 炉膛侧壁的燃烧器5，进一步地，在本实施例中，底部燃烧器的供热比例为 60％～100％，优选为70～85％，从而有助于裂解反应的发生。
在本发明中，裂解炉的燃烧系统采用包括但不限于甲烷或者甲烷氢气混合物 作为燃料，采用富氧空气作为助燃气体，具体的，在本实施例中，所述的富氧空 气浓度为25～40％(体积分数)，优选为27-33％(体积分数)，其中，所示富氧 空气采用变压吸附或者膜渗透法获取。从而实现下述有点：具有较多优点：一是 由于辐射换热是裂解炉传热的主要方式，按照气体辐射的特点，只有三原子气体 和多原子气体具有辐射能力，双原子气体几乎没有辐射能力，常规空气助燃的情 况下，无辐射能力的氮气所占比例很高，烟气的黑度很低，影响了烟气对炉管管 排的辐射传热过程。采用富氧空气助燃，因氮气含量少，空气量和烟气量均显著 减少，故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，进而提高 火焰辐射强度和强化辐射传热；二是采用富氧空气助燃，燃烧的火焰变短，燃烧 强度提高，燃烧速度加快，这样将有助于燃烧反应完全，提高燃料的使用效率， 进而提高裂解炉的热效率；三是采用富氧空气助燃，可以适当降低过剩空气系数， 减少排烟体积，减少燃烧后的烟气量，进而降低排烟损失，促进裂解炉的节能。
进一步地，所述的辐射段2的辐射炉管22中采用强化传热元件，强化传热 元件可以是各种公知或不公知的元件，如螺旋片内插件、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、球状基体内插件等，以利于传热。 也可以在炉管的不同部分分别加入不同的强化传热元件。从而增加传热效率，有 利于降低辐射炉管22内裂解反应条件的差异的程度。
本发明裂解炉的裂解过程如下：原料(如石脑油)经裂解炉的入口进入对流 段1的对流管束，对流管束也包括多根对流炉管，即进入对流炉管中，对流炉管 与其对应的辐射炉管相连通，石脑油经过对流段1进行气化和预热后进入辐射段 2的辐射炉管22进行裂解反应，辐射段2的燃烧系统采用底部燃烧器与侧壁燃烧 器结合方式，底部燃烧器的供热比例为80％，燃烧器5采用富氧燃烧，燃烧器燃 烧产生高温烟气，高温烟气对辐射炉管22内的石脑油进行辐射加热，使石脑油 在辐射炉管22内进行裂解反应，石脑油经在辐射炉管22裂解之后进入急冷锅炉 3中被冷却，得到中间产品，然后再对中间产品分离最后得到低碳烯烃产品，其 中，对于辐射炉管22采用单程炉管时，辐射炉管22采用下进上出，若辐射炉管22采用两程炉管时，辐射炉管22采用上进上出，辐射段2的燃烧气体对辐射炉 管22内的石脑油辐射加热之后，进入对流段1，在对流段1中用于在对流段1中 的对流管束内的石脑油进行气化和预热，在对流段的部，燃烧气体温度降低，蒸 汽冷凝，冷凝液进入高压汽包，风机4将低温的烟气抽走，从而使高温的烟气进 入对流段1中。
本发明的裂解炉结构简单，该裂解炉采用富氧燃烧系统，能够减少烟气的排 放量及降低燃料的消耗，本发明的裂解炉改善辐射炉管的排列方式，能够降低辐 射炉管的布置难度且能够尽可能保证裂解炉中的每一组辐射炉管有相同的反应 条件，有利于裂解反应具有相同的反应条件，同时具有单位生产能力的裂解炉占 地面积小的优点。
本发明根据具体实施方式中的一具体实施例与现有的裂解炉进行对比，即下 文中实施例一与对比例一进行对比，来验证本发明的优点。
实施例一
采用图1所示的裂解炉进行裂解反应。具体过程包括：
将60℃的石脑油经过对流段2进行气化和预热后进入辐射段炉管3进行裂解 反应，辐射段5的燃烧系统采用底部燃烧器与侧壁燃烧器结合方式，底部燃烧器 的供热比例为80％；燃烧器采用富氧燃烧，氧气浓度为30％(V/V)。石脑油在 对流段预热的温度即裂解炉的横跨温度(XOT)为590℃，裂解炉的辐射段出口 温度(COT)为830℃，辐射段炉管3采用单程炉管，炉管的入口管径为41mm， 炉管的出口管径为53mm，炉管管长为12.8m，炉管采用下进上出。炉管排布如 图4所示采用新型方式排布。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。
表1
运行时期 实施例1 对比例1
投料量(kg/H) 35000 35000
稀释蒸汽量(kg/H) 17500 17500
燃料气量(Nm<sup>3</sup>/h) 6933 7050
XOT(℃) 590 590
COT(℃) 830 830
辐射段入口压力XOP(Mpa,G) 0.0972 0.0972
辐射段出口压力COP(Mpa,G) 0.0783 0.0783
运行周期(day)(TMT up to 1100℃) 33 31
裂解炉占地面积(100KTA)(m<sup>2</sup>) 32 63
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
对比例1
采用图1所示的裂解炉进行裂解反应。具体过程包括：
将60℃的石脑油经过对流段2进行气化和预热后进入辐射段炉管3进行裂 解反应，辐射段5的燃烧系统采用底部燃烧器与侧壁燃烧器结合方式，底部燃烧 器的供热比例为80％；石脑油在对流段预热的温度即裂解炉的横跨温度(XOT) 为590℃，裂解炉的辐射段出口温度(COT)为830℃，辐射段炉管3采用单程 炉管，炉管的入口管径为41mm，炉管的出口管径为53mm，炉管管长为12.8m， 炉管采用下进上出，炉管排布如图9所示采用传统方式排布。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。
从表1可以看出，采用新型炉管布置后，由于炉管的优化布置，裂解炉的 占地面积从对比例的63m2减少到实施例的32m2；同时，由于炉管的优化布置， 传热过程更加均匀合理，裂解炉的运行周期也从对比例的31天延长到33天，裂 解炉运行周期有所延长。同时，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，从对比例的7050Nm3/h降低到6933Nm3/h，燃 料气节约了大约1.66％。
从上述两个例子对比可知，本发明的裂解炉结构简单，该裂解炉采用富氧燃 烧系统，能够减少烟气的排放量及降低燃料的消耗，本发明的裂解炉改善辐射炉 管的排列方式，能够降低辐射炉管的布置难度且能够尽可能保证裂解炉中的每一 组辐射炉管有相同的反应条件，有利于裂解反应具有相同的反应条件，同时具有 单位生产能力的裂解炉占地面积小的优点。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的 情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只 要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起 来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内 的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种裂解炉，其特征在于，所述裂解炉包括：对流段、与所述对流段相连通的辐射段、急冷锅炉和汽包，其中：
所述对流段内设有与所述裂解炉的进料口相连通的对流管束，所述汽包设于所述对流段的顶部，所述裂解炉的炉顶上设有与所述裂解炉相连通的风机；
所述辐射段内设有多组辐射管束，所述辐射管束包括多根辐射炉管，多根所述辐射炉管沿所述辐射管束的外周间隔设置，所述辐射炉管与所述对流管束相连通，所述辐射段的炉膛底部和炉膛侧壁分别设有多个燃烧器；
所述辐射炉管的出口端与所述急冷锅炉相连通；
其中，所述辐射管束的横截面呈圆形，
所述辐射炉管为单程炉管或多程炉管，其中，相邻两根所述单程炉管之间的管间距与所述单程炉管的内径比值为1.2～3.0，所述多程炉管为两程管，所述两程管包括一根出口管和至少一根入口管，所述入口管的入口端与所述对流管束相连通，所述入口管的出口端与所述出口管的入口端相连通，所述出口管的出口端与所述急冷锅炉相连通，相邻两根入口管之间的管间距与所述入口管的内径比值为1.2～5.0。
2.如权利要求1所述的裂解炉，其特征在于，所述燃烧器采用富氧空气作为助燃气体。
3.如权利要求2所述的裂解炉，其特征在于，所述富氧空气中氧气的体积分数为22％～60％。
4.如权利要求1所述的裂解炉，其特征在于，所述单程炉管为直管或所述单程炉管为其入口端小于出口端的渐扩管。
5.如权利要求1所述的裂解炉，其特征在于，所述出口管的内径与所述入口管的直径比值为1～1.4。
6.如权利要求1所述的裂解炉，其特征在于，相邻两根出口管之间的管间距与所述出口管的内径比值为1.2～5.0。
7.如权利要求1至4中任一项所述的裂解炉，其特征在于，炉膛底部燃烧器的供热比例为整个燃烧系统的60～100％。
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