一种带有遮蔽式排布辐射段炉管的工业裂解炉
技术领域
本发明涉及一种带有遮蔽式排布辐射段炉管的工业裂解炉。
背景技术
乙烯工业是生产三烯(乙烯、丙烯、1,3-丁二烯)和三苯(苯、甲苯、二甲苯)等石油化工行业基础原材料的工业，这些原材料广泛用于三大合成材料(塑料、合成纤维、合成橡胶)以及其他有机化工产品的生产。乙烯工业的快速增长有利于推动国民经济的发展，乙烯装置的产能是衡量一个国家石油化工发展水平的重要指标之一。
裂解炉作为乙烯装置的核心，能耗约占整个流程的65％左右，裂解装置的集约化和大规模生产可以显著降低其初期的建设成本和后期的运行成本，因而在近40年的乙烯行业发过程中，单套裂解装置的产能逐渐由最初的10万吨/年增加到100万吨/年，而每吨乙烯的标准能耗则逐渐降低为最初的三分之一。目前单套乙烯装置的理论最大产能为140万吨/年，由于下游压缩和分离系统的负荷限制，短时间内无法突破该上限，因此进一步降低乙烯装置能耗的手段仍然要回归到乙烯裂解炉效率的提升。
裂解炉位于整个乙烯装置的最上游，裂解原料(一般为烃类)与稀释蒸汽的混合物，通过辐射段内排布的一排或多排裂解炉管进入辐射室，发生裂解反应并转化为小分子的烯烃。裂解气在管内的停留时间一般为0.1s-0.5s，在这段时间内，裂解原料进行裂解反应生成大量烯烃产物并迅速升温至炉管出口处的780～900℃左右。裂解反应所需的热量由炉膛内的底部燃烧器和侧壁燃烧器提供。
烃类热裂解过程中存在的主要问题之一就是烃类化合物在裂解炉管内壁表面的沉积，也称为结焦。裂解炉管的结焦一方面阻碍了炉膛与炉管之间的热量传递，增加燃料量的消耗；另一方面导致炉管外壁温度逐渐升高，引起炉管的高温蠕变等问题；因此，裂解炉需要周期性地停炉清焦以消除结焦带来的负面效应，而清焦会导致裂解炉产能损失，并且还需要额外的维护成本，多次清焦也不利于炉管的长期使用，因此炉管在辐射段内的受热情况对裂解炉的运行周期及经济效益至关重要。
理论上讲，理想裂解过程应当让裂解原料在短时间内迅速受热，达到相应的裂解温度并裂解成所需的小分子烯烃，随后急速冷却裂解产物以阻止裂解产物发生二次反应，从而最大化烯烃收率。该操作模式要求裂解炉辐射炉管的进口管吸收大量热量，而出口管吸收的热量则应该相对较低，这样既可以提高目标产品的收率，又可以防止出口管因热负荷太大而加速结焦，缩短裂解炉的运行周期。而目前大多数裂解炉采用的都是将进口管和出口管排列在辐射段的中心线上，如图1所示，其中进口管排和出口管排分组对应不同的燃烧器，这样排列的主要问题就是出口管直接面对与进口管相同辐射功率的燃烧器，热通量较大，会引起收率下降，加速出口管结焦。为此，调整裂解炉辐射段内的管排结构，达到合理的进口管和出口管热量分配，是提高裂解炉运行效率的一个重要内容。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明公开了一种工业乙烯裂解炉，包含两程辐射炉管，即进口管和出口管，其中进口管是辐射炉管的第一程，也是裂解原料进入辐射段的通道，出口管是辐射炉管的第二程，也是裂解产物离开辐射段的通道，在本发明中，辐射炉管的出口管被进口管物理遮蔽，相较于进口管具有更小的直接辐射面积。
裂解炉是乙烯装置的核心，在裂解炉中，烃类混合物进料在蒸汽存在下通过热裂解转化为裂解产品，蒸汽起稀释剂的作用。裂解气通常富含乙烯和丙烯，烃类原料根据轻重程度可包含：乙烷、丙烷、液化石油气、石脑油、加氢尾油等。
裂解炉包括至少一个辐射段，其中包括给裂解过程供热的燃烧器，裂解原料通过多组辐射炉管进入辐射段。管中的进料被加热使原料发生快速裂解的温度，产生所需的烯烃如乙烯和丙烯。一般认为，非理想的裂解条件是由于热通量分布与裂解过程的需求不匹配造成的，通过上述分析可知，为了提高裂解过程的收率和选择性，应当在一定程度上提高进口管的热通量，并降低出口管的热通量。而本发明通过设计辐射炉管的进口管和出口管的排布，实现对热通量的调节。
其中，辐射炉管的出口管被进口管物理遮蔽定义为：从燃烧器上方的高温火焰或者耐火砖发出的热辐射，由于进口管的物理阻挡，仅有部分可以直接抵达出口管表面。即从燃烧器位置观测辐射炉管，可以观测到出口管的部分位置被进口管遮挡。由于该遮蔽效应，出口管接受到的热通量相比进口管更小，而物理遮蔽的程度表示了在裂解炉运行期间，燃烧器产生的热量在多大程度上由于这种阻碍无法直接抵达出口管。
原则上，在出口管和燃烧器之间放置其他的物体也可以实现上述物理遮蔽，比如使用隔热涂层或屏蔽层。而本发明主要采用的遮蔽方法是将辐射炉管的进口段作为屏蔽层来实现的。
本发明有利于减少出口管内的裂解气温差，使出口管操作在较为均匀的温度范围内，图2所示为传统裂解炉两程辐射炉管内裂解气升温曲线，以及本发明的裂解炉两两程辐射炉管内裂解气升温曲线，可以看到裂解气在常规裂解炉出口管内的升温较快，约为130℃，而本发明的裂解炉出口管内裂解气的升温较小，约为115℃，因此，本发明允许将出口管的裂解气温升降低约15℃，这在裂解反应的角度上可以有效减少二次反应的发生。
本发明与常规裂解炉辐射段内的炉管排布方式相比，可以有效提高裂解气在辐射管内的平均温度，从而允许相对更短的停留时间，以提高小分子烯烃产品的转化率。裂解气在传统的两程辐射炉管内的停留时间通常为0.20-0.25秒，而在本发明的辐射炉管中的停留时间可以减少至约0.15-0.22秒。因此，本发明允许将停留时间减少约15％，以实现较高的烯烃选择性。
本发明还可以有效减少出口管的热负荷强度，图3所示为通过裂解炉模拟软件模拟得到的热通量沿辐射炉管管长方向的分布。相比传统裂解炉，可以看到本发明的进口管热通量明显增加，而出口管的热通量则明显降低。该热通量分布具有两个显著的好处：一方面减少了出口管的裂解气温升，有助于减少二次反应的发生，提高裂解产品选择性；另一方面，与现有裂解炉相比，本发明设计的裂解炉出口管的结焦速率显著下降。裂解产品(包括乙烯、丙烯等小分子烯烃)作为潜在的结焦前驱体，在高温下容易与炉管表面的金属发生催化反应，沉积形成焦炭，从而阻碍传热过程，并且减小裂解气流通面积，增加管内压降。
由于较高的烯烃浓度和温度，结焦主要发生在出口管内，而本发明减小了出口管的热通量，降低了管壁金属表面温度，从而有效减少了出口管的结焦速率，如图4所示。本发明可以显著提高辐射炉管的使用寿命和裂解炉的运行周期，降低裂解炉需要停炉烧焦的频率，从而增加裂解炉的产能。表1对比了本发明与传统裂解炉在产能、运行周期和烯烃选择性上的对比结果，在相同裂解深度或转化率的条件下，本发明可以提高产能约15％，或延长运行周期约25％，提高烯烃选择性约1％。
表1：传统炉管排布与本发明比较
本发明适用于不同种的烃类热裂解过程，进料可以覆盖从乙烷、丙烷和液化石油气等气相烃类，到碳五、轻石脑油、加氢尾油等液相烃类。
本发明适用于包含两排燃烧器(包含底部燃烧器或侧壁燃烧器及其组合)的裂解炉辐射段，通常这两排燃烧器位于辐射段两侧，辐射炉管由顶部进出，主要布置于辐射段中心线附近，包括至少2排进口管，1排出口管，出口管排位于进口管排之间，进口管排位于两侧燃烧器之间，构成形如(燃烧器-进口管排-出口管排-进口管排-燃烧器)的布置。
本发明的裂解炉辐射炉管排布方式，进口管和出口管可以呈顺序排列或者交错排列，管心距与管外径之比在2-6之间，出口管既可以单排布置在辐射段中心线上，或是多排布置在偏离辐射段中心线的位置上。
本发明的进口管和出口管管径可以相同或者不同，通常出口管管径要略大于进口管管径，一方面减少裂解气在出口管内的单位体积吸热量，有利于防止二次反应的发生；另一方面由于裂解过程分子数量变多，增加的出口管径可以减少管内压降，在提高烯烃选择性的同时延长裂解炉运行周期。
本发明可以调整进、出口管排布、管心距等参数以适应不同辐射炉管长度，主要方法是将进口管和出口管通过S型弯管和U型回弯相连，通过调节S弯管的起止位置，以及U型回弯的弯曲半径，从而适应不同的辐射炉管长度需求。其中U型回弯位于辐射段底部，直径在100mm-1000mm之间，悬吊高度距离辐射段底面为300mm-1000mm之间，S弯管可以设置在U型回弯的一侧或两侧，对于进出口管径不同的情况，可以在U型回弯的前部或后部增加一段变径管。
本发明所采用的辐射炉管可以添加内构件进行传热强化，从而达到进一步提升烯烃选择性，延长运行周期的目的。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1示出传统裂解炉的一组两程辐射炉管排布主视图、俯视图和左视图。
图2为根据本发明一实施例的沿辐射炉管管长的裂解气温度分布。
图3为根据本发明一实施例的沿辐射炉管管长的热通量分布。
图4为根据本发明一实施例的沿辐射炉管管长的结焦速率分布。
图5为根据本发明一实施例的乙烯裂解炉示意图。
图6为根据本发明一实施例的一组两程辐射炉管排布主视图、俯视图和左视图(示例1)。
图7为根据本发明一实施例的一组两程辐射炉管排布主视图、俯视图和左视图(示例2)。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
图5所示为本发明所涉及的乙烯裂解炉示意图，其中(1)为对流段，主要用于裂解原料的预热和烟气的余热回收；(2)为辐射段，与对流段(1)连接，是裂解过程发生的主要场所，原料在辐射段内被炉膛的燃料气加热到指定温度，裂解产生小分子烯烃；辐射段内布置有多排辐射炉管(4)，炉管从顶部进入辐射段，主要布置在靠近辐射段中心线的位置上，并且通过U型回弯返回顶部离开裂解炉，进入(3)所指示的急冷锅炉，迅速冷却并送去后续分离装置；辐射段还包括底部燃烧器(6)和侧壁燃烧器(5)，分别位于辐射段两侧靠近耐火砖且远离辐射炉管的位置，避免产生的高温火焰损害辐射炉管。
图6所示为本发明的一组两程辐射炉管排布实例，包含主视图、俯视图和左视图三部分，其中(1)为出口管，(2)为进口管，长度分别约为8米左右，进出口管通过2个S型弯管(3)和一个U型回弯(4)相连。
与进口管相连的S型弯管长度约为2米，U型回弯的弯曲半径为350毫米，这两部分的管径都与进口管相同。
与出口管相连的S型弯管长度约为2米，半径与出口管相同，在U型回弯和该S型弯管之间有一段长度约为100毫米的变径管。
出口管全部排列在俯视图中的A平面上，而进口管则分为两组，分别排列在B平面和C平面上，从两侧对出口管进行物理遮蔽。该示例的进口管排与出口管排间距和管心距相对较大，炉管排布相对分散，适用于辐射强度中等的裂解炉辐射段。
图7所示为本发明的一组两程辐射炉管排布实例，包含主视图、俯视图和左视图三部分，其中(1)为出口管，(2)为进口管，长度分别约为8.5米左右，进出口管通过1个S型弯管(3)和一个U型回弯(4)相连。
与进口管相连的S型弯管长度约为1.7米，U型回弯的弯曲半径为400毫米，这两部分的管径都与进口管相同。
与出口管相连的S型弯管长度约为1.7米，半径与出口管相同，在U型回弯和该S型弯管之间有一段长度约为100毫米的变径管。
出口管全部排列在俯视图中的A平面上，而进口管则分为两组，分别排列在B平面和C平面上，从两侧对出口管进行物理遮蔽。该示例的进口管排与出口管排间距和管心距相对较小，炉管排布相对集中，适用于辐射强度较高的裂解炉辐射段。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征(如进出口管的管径、排布和管长、S型弯管的管长和管径、U型回弯的弯曲半径、U型回弯的放置方向、变径管位置及管长、管排平面间距等)之间都可以互相组合，从而构成优选的技术方案。
本发明通过采用上述技术特征的最优组合，可以有效减少出口管的热负荷强度，降低出口管的裂解气温升，允许更短的裂解气停留时间，在相同裂解深度或转化率的条件下，有效提高裂解炉的产能、延长运行周期、提高烯烃选择性。
这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
