CN210545014U - 用于轻烃热裂解的低能耗裂解炉系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于轻烃热裂解的低能耗裂解炉系统，包括裂解炉，裂解炉炉膛分为预热段和辐射段；预热段顶上设有分机，辐射段底部设有燃烧器；所述预热段内自上而下设有原料预热模块、锅炉水及蒸汽预热模块和裂解原料过热模块；设有进出料换热器和激冷器；所述进出料换热器的管侧上端进口与激冷器出口相连；所述进出料换热器的壳侧进口与原料预热模块的出口相连，进出料换热器的壳侧出口与裂解原料过热模块的物料进口端相连；所述裂解原料过热模块的物料出口端与辐射段炉管进口相连；所述辐射段炉管出口通过管道与激冷器进口端相连。本实用新型结构设计巧妙，能使物料达到快速激冷终止二次反应目的，并且大大降低了系统的能耗。

Description

用于轻烃热裂解的低能耗裂解炉系统

技术领域

本实用新型属于石油化工领域的生产设备，具体为乙烷、丙烷、丁烷等轻烃热裂解制备乙烯的低能耗裂解炉系统。

背景技术

轻烃裂解指利用乙烷、丙烷、丁烷等轻烃在高温下不稳定、易分解、断链的原理，在隔绝空气、配入水蒸汽、高温条件下，使原料发生深度分解等多种化学转化的过程，用于生产以乙烯丙烯等烯烃。目前国内的乙烯资源缺乏，拟建及新增乙烯装置不断增多，其中原料的选择方面，由于轻烃资源的价格优势明显，轻烃裂解生产乙烯丙烯成为研究热点。

轻烃裂解反应主要分为一次反应及二次反应，一次反应主要有脱氢反应和断链反应，二次反应则包括聚合、歧化、环化、芳构、生碳等复杂反应，一次反应生成目标产物乙烯及丙烯，二次反应主要生成副产物，因此轻烃裂解尽量控制反应发生一次反应为主，减少二次反应生成量。从化学热力学平衡看，烃类裂解反应是强吸热反应，提高裂解温度既有利于生成乙烯等一次反应的进行, 但也可能导致结焦或生碳等反应过多，因此，在工程设计和实际生产中，为得到理想的烯烃产品收率，以一次反应在动力学上的优势去克服在热力学上的劣势，具体的方式就是高温、短停留时间、反应物料出辐射区后，快速冷却减少副产物生成。

轻烃裂解炉国内外报道较多，但是大多集中在炉管型式的变化及控制系统优化，例如专利CN109486507A、CN205676422U、CN106052456A、CN109486506A、CN201520747U、CN109423321A、CN206385091U、CN205473600U等提供不同的辐射段炉管型式，但是很多为复杂的异形结构，实际加工工程中较难实现。CN107603660A、CN107723019A、CN101880544A等提供公开了一种减少乙烯裂解炉结焦物的方法，提高乙烯丙烯收率，除炉管及控制系统优化以外，轻烃裂解炉的节能降耗的报道很少。

专利CN105778977B报道公开了一种乙烯裂解炉，裂解炉辐射段炉墙上设置多组黑体组件，所述黑体组件法线方向正对裂解管；黑体组件上设置多个紧密错排的空腔黑体元件；裂解炉对流段炉墙上设置波纹板，所述波纹板波纹方向与烟气流动方向一致；所述波纹板表面和黑体元件表面及黑体元件底板表面都涂有高发射率涂层。本实用新型炉衬的密封性增强，加强了炉体的保温隔热效果，减少了散热损失，同时增大了裂解炉对流段的耐高温、耐腐蚀性能；通过在裂解炉中设置节能元件加上高发射率涂层可以使裂解炉传热面积增大一倍以上、炉膛内壁黑度达到0.95以上，有效使裂解炉热能消耗节约5％以上。

专利CN104197577B报道一种利用乙烯裂解炉烟气余热驱动的制冷装置，其包括：置于乙烯裂解炉余热排出段的烟气余热换热器，依次连接于烟气余热换热器高温出口的高温、中温和低温蒸汽换热器，低温蒸汽换热器低温出口通过管道、阀门及载热流体循环泵与烟气余热换热器低温入口相连；还包括吸收制冷机组、载冷流体循环泵和后续用冷工艺段；吸收式制冷机组的发生器置于乙烯裂解炉的余热排出段；吸收式制冷机组的蒸发器对外出口通过载冷流体循环泵连接后续用冷工艺段低温入口，后续用冷工艺段高温出口连接吸收式制冷机组蒸发器对外入口；可分温位的实现余热高效转换，提高能源利用率，工艺设备减化。

对轻烃裂解炉节能而言，首先分析轻烃裂解炉的能量分布。轻烃裂解炉的能量消耗主要包括对流段及辐射段，对流段回收烟道气热量用于预热物料、锅炉给水及蒸汽，裂解原料达到开始进行裂解反应时的温度（横跨温度）后，进入辐射段进行裂解反应，轻烃裂解需要的热量由裂解炉燃料提供，各50%左右的能量分别消耗在对流段及辐射段。其中，燃料提供消耗在对流段预热部分的50%能量，对裂解反应本身而言是没有作用的，因为只有物料达到横跨温度后才能发生裂解反应，因此，最理想的能量利用方式为尽量利用裂解炉自身物料能量预热原料，至横跨温度进入辐射炉管进行反应，减少补充裂解炉燃料量，降低裂解炉本身的能耗。

对轻烃裂解炉降耗而言，除辐射段的工艺措施外，减少反应出料二次反应也十分重要，目前的轻烃裂解炉的常规设置为反应出料进入激冷锅炉，通过汽化锅炉给水发生蒸汽的方式，降低裂解炉辐射段出料温度。激冷锅炉一般为类似双套管结构，管外为水汽化为蒸气，属于液体汽化传热，传热系数高，管内为裂解炉辐射段出料，由于管内为气相物料对流传热，传热系数低，所以整个换热降温过程受管内气相物料控制，反应物料经过6～10米的距离才能将物料冷却至二次反应的敏感温度为650℃左右，二次反应程度相对较高，因此如果能在裂解炉辐射段出料1米左右将物料激冷至650℃左右，激冷速度进一步提高，减少二次反应，可以提高乙烯丙烯的收率。

对轻烃裂解工艺而言，由于裂解为吸热反应，乙烯裂解炉的能耗较高，如果能降低其消耗，可以降低装置能耗，另外通过减少二次反应提高烯烃利用率，快速激冷意义重大。

发明内容

为了克服上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种低能耗裂解炉系统，其通过结构的巧妙组合，达到快速激冷终止二次反应目的，并且大大降低了系统的能耗。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种用于轻烃热裂解的低能耗裂解炉系统，包括裂解炉，所述裂解炉炉膛分为预热段和辐射段的上、下两段，且两段结构不在同一垂直平面上；所述预热段顶上设有控制炉膛内压力的分机，所述辐射段底部设有燃烧器；

所述预热段内自上而下设有原料预热模块、锅炉水及蒸汽预热模块和裂解原料过热模块；所述辐射段内设有U”型辐射炉管；

设有进出料换热器和激冷器；所述进出料换热器采用管壳式换热器；

所述原料预热模块上设有进、出口；裂解原料过热模块上设有物料进、出口；所述进出料换热器的管侧上端进口与激冷器出口相连；所述进出料换热器的壳侧进口与原料预热模块的出口相连，进出料换热器的壳侧出口与裂解原料过热模块的物料进口端相连；

所述裂解原料过热模块的物料出口端与U”型辐射炉管的一端管口相连；所述U”型辐射炉管的另一端管口通过管道与激冷器进口端相连。

作为本实用新型的进一步改进：所述激冷器包括激冷管，激冷管内从上到下设有若干层激冷单元，每层激冷单元设有若干支分布管；对应分布管位置，在激冷管内壁上设有限位槽；所述分布管穿过激冷管，其前端通过限位槽与激冷管相连，其后端管体通过外套管与激冷管相连，所述激冷管后端管口为激冷物料进口；所述分布管上设有若干激冷喷头。

本激冷器在工作时，激冷喷头喷射方向与物料流动方向一致，本实用新型通过对激冷器结构的进一步设计，实现分层、逐级、快速冷却，从而达到在裂解炉辐射段出料进入激冷器的1米流程内，将物料冷却至二次反应的敏感温度为650℃；与传统的线性激冷锅炉相比，激冷时间降低60%左右，二次反应副产物大量降低。可以提高乙烯丙烯的收率。

作为本实用新型的进一步改进，防止冷却物料进入辐射炉管内；所述激冷器进口端与U”型辐射炉管的管口之间的管道呈倒“U”型结构，所述激冷器连接在呈倒“U”型管道的物料下降管道段。

作为本实用新型的优选实施例：设有文丘里管分配器，所述裂解原料过热模块的物料出口端与U”型辐射炉管的一端管口之间通过文丘里管分配器相连。

本实用新型对应的工艺方法如下：

带压的气相轻烃原料进入裂解炉的原料预热模块进行预热，预热后的原料进入进出料换热器的壳侧进口端通过进出料换热器进行过热，过热后与稀释蒸汽混合并进入裂解原料过热模块进行加热，加热后的物料经文丘里管分配器分配后进入辐射段的“U”型辐射炉管，物料-烃/汽混合物在”U”型辐射炉管内进行热裂解反应，其产生的高温裂解气进入激冷器进行急冷，激冷后的物料进入进出料换热器与预热后的原料进行换热降温后，进入下游处理系统。

本实用新型专利利用进出料换热器采用激冷后的辐射段出料与预热后的裂解原料进行换热，这样使原料加热至裂解反应温度所需要的热量大部分通过出料热量回收，代替现有工艺需要裂解炉自身燃料热量，所以整体上降低了裂解炉的热负荷30%左右，同时降低裂解炉的尾气排放量，降低环境影响。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中的激冷单元的结构示意图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述。

如图1所示：本实用新型涉及一种用于轻烃热裂解的低能耗裂解炉系统，包括风机2、燃烧器3、裂解炉1、进出料换热器5和激冷器4。

如图1所示：裂解炉1炉膛分为预热段11和辐射段12的上、下两段，且两段结构不在同一垂直平面上。风机2设置在裂解炉1顶部，变频控制炉膛压力。燃烧器3设置在裂解炉底部，本实施例中其为底烧型，低NO_X燃烧器。

如图1所示：预热段11内自上而下设有原料预热模块111、锅炉水及蒸汽预热模块112和裂解原料过热模块113。辐射段12内设有U”型辐射炉管121。本实施例中辐射段12采用双辐射炉膛设置，并可设置在线清焦系统清焦处理。

如图1所示：激冷器4与U”型辐射炉管121出口通过倒“U”型弯管6连接，激冷器4安装位置设置在倒“U”型弯管6的物料向下流动的管道段，且靠近弯折位置。进出料换热器5设置在激冷器4后的竖直管道间，与辐射段炉膛相近。进出料换热器5采用管壳式换热器，本实施例中采用专利CN200820151384.7中描述的带有滑动导向支承和填料函的管壳式换热结构，其原料管线上设置旁路调节阀，可以调节原料预热温度，操作方便。

如图1所示：本实施例中的管路连接关系为：原料预热模块111上设有进、出口；裂解原料过热模块113上设有物料进、出口。进出料换热器5的管侧上端进口与激冷器4出口相连；进出料换热器5的壳侧进口与原料预热模块111的出口相连，进出料换热器5的壳侧出口与裂解原料过热模块113的物料进口端相连。裂解原料过热模块113的物料出口端通过文丘里管分配器与U”型辐射炉管121的进口端管口相连； U”型辐射炉管121的出口端管口通过“U”型弯管6与激冷器4进口端相连。

如图1和图2所示：本实施例中激冷器4的激冷管41内从上到下设有三层激冷单元，每层激冷单元设有五支分布管42；对应分布管42位置，在激冷管41内壁上设有限位槽44；所述分布管42穿过激冷管41，其前端通过限位槽44与激冷管相连，其后端管体通过外套管43与激冷管41相连，增加分布管42的工作稳定性；所述激冷管4后端管口为激冷物料进口，激冷物料采用锅炉给水，每层激冷水采用单独锅炉给水来源设置；每支分布管42上设有若干激冷喷头421，激冷喷头采用广角防堵喷头，工作时喷头喷射方向与物料流动方向一致。

本实施例的具体工作原理为：带压的气相轻烃原料进入裂解炉的原料预热模块进行预热，预热到130度后的原料进入进出料换热器的壳侧进口端通过进出料换热器进行过热，过热至550度后与稀释蒸汽混合并进入裂解原料过热模块进行加热，加热至642度左右后的物料经文丘里管分配器分配后进入辐射段的“U”型辐射炉管，物料-烃/汽混合物在”U”型辐射炉管内进行热裂解反应，其产生的大约870度的高温裂解气进入激冷器进行急冷，在约一米长的激冷器内激冷至650度后的物料进入进出料换热器与预热后的原料进行换热降温后，进入下游处理系统。

本实用新型采用裂解炉与激冷器、进出料换热器的结构组合，并通过工艺设计，可在1米流程内将物料冷却至二次反应的敏感温度为650℃；与传统的线性激冷锅炉相比，激冷时间降低60%左右，二次反应副产物大量降低，同时可大大降低裂解炉能耗。

以上所述，仅用于说明本实用新型的技术方案而并非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种用于轻烃热裂解的低能耗裂解炉系统，包括裂解炉，其特征在于：所述裂解炉炉膛分为预热段和辐射段的上、下两段，且两段结构不在同一垂直平面上；所述预热段顶上设有控制炉膛内压力的分机，所述辐射段底部设有燃烧器；所述预热段内自上而下设有原料预热模块、锅炉水及蒸汽预热模块和裂解原料过热模块；所述辐射段内设有U”型辐射炉管；设有进出料换热器和激冷器；所述进出料换热器采用管壳式换热器；所述原料预热模块上设有进、出口；裂解原料过热模块上设有物料进、出口；所述进出料换热器的管侧上端进口与激冷器出口相连；所述进出料换热器的壳侧进口与原料预热模块的出口相连，进出料换热器的壳侧出口与裂解原料过热模块的物料进口端相连；所述裂解原料过热模块的物料出口端与U”型辐射炉管的一端管口相连；所述U”型辐射炉管的另一端管口通过管道与激冷器进口端相连。

2.根据权利要求1所述的低能耗裂解炉系统，其特征在于：所述激冷器包括激冷管，激冷管内从上到下设有若干层激冷单元，每层激冷单元设有若干支分布管；对应分布管位置，在激冷管内壁上设有限位槽；所述分布管穿过激冷管，其前端通过限位槽与激冷管相连，其后端管体通过外套管与激冷管相连，所述激冷管后端管口为激冷物料进口；所述分布管上设有若干激冷喷头。

3.根据权利要求1所述的低能耗裂解炉系统，其特征在于：所述激冷器进口端与U”型辐射炉管的管口之间的管道呈倒“U”型结构，所述激冷器连接在呈倒“U”型管道的物料下降管道段。

4.根据权利要求1所述的低能耗裂解炉系统，其特征在于：设有文丘里管分配器，所述裂解原料过热模块的物料出口端与U”型辐射炉管的一端管口之间通过文丘里管分配器相连。

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