乙烯裝置裂解技術(shù)進(jìn)展及其國(guó)產(chǎn)化歷程

王子宗，何細(xì)藕

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京100101）

石油化學(xué)工業(yè)的大多數(shù)生產(chǎn)裝置以烯烴和芳烴為基礎(chǔ)原料，其總量約占石油化工生產(chǎn)總耗用原料的3/4。在烴類(lèi)蒸汽制乙烯技術(shù)出現(xiàn)之后，主要由烴類(lèi)蒸汽裂解制乙烯裝置生產(chǎn)各種烯烴和芳 烴[1]。至2012年，全球乙烯產(chǎn)量約為1.5億噸，中國(guó)乙烯年生產(chǎn)能力達(dá)到1616.5萬(wàn)噸，有32套乙烯裝置生產(chǎn)，在世界上僅次于美國(guó)位列第二位。中國(guó)石化集團(tuán)公司（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)石化”）有18套乙烯裝置，乙烯生產(chǎn)能力達(dá)到9475萬(wàn)噸，其中有合資裝置4套，乙烯生產(chǎn)能力368萬(wàn)噸[2]；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司有11套乙烯裝置，乙烯生產(chǎn)能力達(dá)到511萬(wàn)噸[3]。近來(lái)雖然有一部分乙烯、丙烯通過(guò)重油或渣油催化裂解生產(chǎn)以及甲醇制烯烴生產(chǎn)，但仍以烴類(lèi)蒸汽裂解制乙烯為主。因此乙烯裝置是石油化工裝置的龍頭。

乙烯生產(chǎn)專(zhuān)利技術(shù)由于工藝復(fù)雜，半個(gè)世紀(jì)來(lái)一直由美國(guó)Lummus、S&W、KBR、德國(guó)Linde和法國(guó)Technip五大專(zhuān)利商壟斷，典型的生產(chǎn)工藝有：順序分離技術(shù)路線(xiàn)（含順序“漸近”分離技術(shù)路線(xiàn)）、前脫丙烷分離技術(shù)路線(xiàn)和前脫乙烷分離技術(shù)路線(xiàn)，并且均擁有各自的裂解技術(shù)[4-7]。

鑒于乙烯技術(shù)的重要性，原中國(guó)石化總公司成立伊始，就把開(kāi)發(fā)乙烯裂解技術(shù)確定為重點(diǎn)科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，于1984年開(kāi)始組織開(kāi)展中國(guó)石化乙烯裂解技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作，并于1988年實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)北方爐（CBL）工業(yè)試驗(yàn)的裂解爐投入運(yùn)行[1]。以中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司（SEI）、北京化工研究院和南京工業(yè)爐所為代表的研究開(kāi)發(fā)單位，經(jīng)過(guò)近30年的不斷研發(fā)，取得了顯著的成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了烴類(lèi)蒸汽熱裂解工藝技術(shù)、工程設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，在國(guó)內(nèi)得到大面積應(yīng)用并走向了國(guó)外。

1 裂解技術(shù)進(jìn)展

乙烯裂解爐因其在乙烯裝置中的特殊地位而成為乙烯裝置的龍頭，是乙烯裝置中關(guān)鍵和核心工藝專(zhuān)利設(shè)備。在乙烯裝置中，裂解爐的綜合能耗約占乙烯裝置綜合能耗的50%～60%；而裂解爐的投資根據(jù)裂解原料的不同，約占整個(gè)乙烯裝置投資的1/4～1/3[8-9]。因此裂解技術(shù)的進(jìn)步在乙烯技術(shù)的發(fā)展方面具有舉足輕重的作用。

中國(guó)乙烯裝置的規(guī)模由20世紀(jì)60、70年代的乙烯100～300 kt/a，70、80年代的乙烯300～600 kt/a，到80、90年代的乙烯600～800 kt/a和目前的1000 kt/a及以上。為適應(yīng)乙烯裝置規(guī)模擴(kuò)大的需要，裂解爐的單爐能力也相應(yīng)擴(kuò)大。

乙烯裂解技術(shù)的發(fā)展主要圍繞提高裂解選擇性降低原料消耗、降低能耗、降低污染物排放、大型化、低投資等。

1.1 國(guó)外各種裂解爐型現(xiàn)狀

烴類(lèi)通過(guò)蒸汽裂解制乙烯的反應(yīng)過(guò)程是在裂解爐輻射段爐管中發(fā)生的，裂解選擇性的提高主要?dú)w功于輻射段爐管構(gòu)型的改進(jìn)，各種爐型的發(fā)展均與輻射爐管的改進(jìn)直接相關(guān)。第一階段為20世紀(jì)60年代初期長(zhǎng)停留時(shí)間且小能力的水平布置爐管發(fā)展到60年代后期開(kāi)始采用垂直排列的輻射段爐管；第二階段是從70年代開(kāi)始采用4～6程分枝管并以停留時(shí)間縮短到0.4～0.6 s為特征；第三階段是在80年代通過(guò)采用兩程或單程爐管進(jìn)一步降低停留時(shí)間到0.2 s左右或以下以提高乙烯、丙烯的選擇性為特征。其總的趨勢(shì)是爐管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了裂解反應(yīng)所需要的高選擇性：①提高反應(yīng)溫度；②烴類(lèi)在爐管中的停留時(shí)間短；③烴分壓低。總的效果是實(shí)現(xiàn)了以石腦油為原料時(shí)，乙烯收率達(dá)到28%～33%[1，8]。

以下匯總了商業(yè)化的裂解爐爐型的現(xiàn)狀[1，4-7，10]。

（1）美國(guó)Lummus公司

美國(guó)Lummus公司開(kāi)發(fā)的SRT型裂解爐，以分枝變徑管為特點(diǎn)，具有短停留時(shí)間、熱強(qiáng)度高、低烴分壓的特點(diǎn)。在1994年推出以4-1型兩程爐管為特征的SRT-Ⅵ型爐后，在21世紀(jì)初推出SRT-X型爐（輻射爐管由傳統(tǒng)的沿輻射段爐膛長(zhǎng)度布置改為與其垂直布置）后，目前又推出SRT-Ⅶ型（8-1）雙爐膛裂解爐，其停留時(shí)間進(jìn)一步縮短，采用全底部供熱。近來(lái)氣體原料多采用SRT-Ⅱ（4-2-1-1-1-1）型或SRT-Ⅲ（4-2-1-1）型爐（停留時(shí)間0.4 s左右），液體原料采用SRT-Ⅵ型、SRT-Ⅶ型的兩程爐管（停留時(shí)間0.2 s左右），急冷鍋爐為一級(jí)多管束的鍋爐如浴缸式、快速急冷等型式。供熱以底部與側(cè)壁聯(lián)合為主，近來(lái)也采用全底部供熱或一體化供熱（在底部燃燒器附近布置一貼著爐底的燃燒器）。其特點(diǎn)是SRT-Ⅵ型、SRT-Ⅶ型的兩程爐管的底部連接為錐形集合管的剛性連接，因此爐管容易彎曲。由于其爐管的結(jié)構(gòu)及每一個(gè)4-1或8-1爐管的處理量較大，無(wú)法與線(xiàn)性鍋爐連接，只能與大型鍋爐連接。

（2）美國(guó)Stone & Webster（S&W）公司

S&W公司管式爐裂解的主要特點(diǎn)是采用不分枝變徑管即超選擇性裂解爐（USC），以雙爐膛結(jié)構(gòu)為主，對(duì)氣體原料采用W及M型（停留時(shí)間0.3～0.6 s），對(duì)液體原料采用U型爐管（停留時(shí)間0.2 s左右），近期推出單程陶瓷爐管裂解爐，管長(zhǎng)5～15 m，停留時(shí)間為0.05～0.1 s，但未工業(yè)化。急冷鍋爐以線(xiàn)性為主，對(duì)氣體原料也采用二級(jí)，供熱以全底部為主。其特點(diǎn)是U型兩程爐管的底部連接為大彎管柔性連接，因此爐管不易彎曲。由于其爐管的處理量較小，通常與線(xiàn)性鍋爐連接。

（3）美國(guó)Kellogg Brown & Root（KBR）公司

美國(guó)凱洛格（Kellogg）公司從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究毫秒裂解爐，并于80年代廣泛用于其設(shè)計(jì)的乙烯裝置。其特點(diǎn)是采用單程爐管、停留時(shí)間為0.05～0.1 s。其烯烴收率要高4%～8%。

美國(guó)凱洛格與布朗路特公司合并成立KBR公司后，與ExxonMobil公司達(dá)成協(xié)議，由KBR公司負(fù)責(zé)銷(xiāo)售ExxonMobi公司LRT裂解爐（停留時(shí)間在0.1 s以上），并改名為選擇性裂解（SC）。其爐型主要為單爐膛雙單排輻射爐管結(jié)構(gòu)，對(duì)氣體和液體原料均以采用SC-1型（單程爐管）為主。急冷鍋冷為以線(xiàn)形為主，對(duì)石腦油、氣體原料也采用二級(jí)急冷，供熱采用全底部供熱。其特點(diǎn)是爐管停留時(shí)間短，烯烴收率高，對(duì)乙烷原料，單程乙烯收率可達(dá)到58%，對(duì)石腦油原料，單程乙烯收率可以達(dá)到35%。

（4）德國(guó)Linde公司

Linde公司與Selas公司合作開(kāi)發(fā)LSCC型（Linde-Selas-Combined Coil），現(xiàn) 在 改 稱(chēng) 為Pyrocrack型，包括以氣體原料為主的Pyrocrack4-2（2-2-2-2-1-1）型（停留時(shí)間0.5 s左右）、Pyrocrack2-2（2-2-1-1）型（停留時(shí)間0.3 s左右）及以液體原料為主的Pyrocrack1-1（2-1）型（停留時(shí)間0.2 s左右）。Linde公司設(shè)計(jì)的裂解爐采用雙輻射段、單對(duì)流段的結(jié)構(gòu)。裂解氣急冷鍋爐以前為常規(guī)急冷鍋爐，現(xiàn)在均采用線(xiàn)性急冷鍋爐。采用的供熱方案為側(cè)壁約占40%，底部約占60%。其特點(diǎn)是2-1爐管的底部連接采用對(duì)稱(chēng)大彎管柔性連接，因此爐管不易彎曲。

（5）法國(guó)Technip公司

Technip公司在21世紀(jì)初收購(gòu)了荷蘭國(guó)際動(dòng)力學(xué)技術(shù)公司（KTI）。KTI公司自70年代開(kāi)始開(kāi)發(fā)了梯度動(dòng)力學(xué)裂解爐（Gradient Kinetic Furnace）。

GK型裂解爐采用單輻射段、單對(duì)流段的結(jié)構(gòu)，但對(duì)特大型裂解爐則采用雙輻射段單對(duì)流段的結(jié)構(gòu)。對(duì)氣體原料采用SMK型四程（1-1-1-1）爐管（停留時(shí)間0.3～0.6 s），對(duì)液體原料采用GK-Ⅵ型（1-1）兩程爐管（停留時(shí)間0.2 s左右）。

裂解氣急冷，對(duì)SMK型氣體裂解爐采用二級(jí)急冷，其中一級(jí)急冷鍋爐為套管式，近來(lái)設(shè)計(jì)的GK-Ⅵ型爐則采用線(xiàn)性急冷或二級(jí)急冷。

供熱由底部和側(cè)壁聯(lián)合供熱。側(cè)壁燃燒器除了采用附墻式無(wú)焰燃燒器外，其最新采用的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于底部燃燒器，其火焰垂直向上，且只采用一排側(cè)壁燃燒器。GK-Ⅵ型爐的特點(diǎn)是爐管采用雙排布置，雖然爐膛尺寸減少，但爐管因受熱不均容易彎曲。

綜上，除KBR公司采用單程爐管外，其他公司均采用兩程爐管為主。單程爐管烯烴收率高，但運(yùn)行周期短；而對(duì)于兩程爐管，其性能接近，有差別之處是SRT-Ⅵ型、SRT-Ⅶ型爐管及GK--Ⅵ型爐管容易彎曲。

1.2 裂解單元技術(shù)進(jìn)展

乙烯裝置中的裂解爐由對(duì)流段、輻射段（包括輻射爐管和燃燒器）和急冷鍋爐系統(tǒng)三部分構(gòu)成。裂解反應(yīng)在輻射段爐管中發(fā)生生成乙烯和丙烯等產(chǎn)品。對(duì)流段回收高溫?zé)煔庥酂幔詺饣瓦^(guò)熱原料至反應(yīng)所需的橫跨溫度，同時(shí)預(yù)熱鍋爐給水和超高壓蒸汽。急冷鍋爐系統(tǒng)的作用是終止裂解二次反應(yīng)并回收裂解氣的高溫?zé)崃恳援a(chǎn)生超高壓蒸汽。總體上來(lái)講，到目前為止，蒸汽裂解技術(shù)無(wú)突破性進(jìn)展，雖然S&W公司提出了陶瓷爐管裂解爐，但仍未工業(yè)化。但是在提高裂解性能的單元技術(shù)上仍然有不少新技術(shù)或產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。

裂解單元技術(shù)的進(jìn)展是在傳熱、傳質(zhì)、流體流動(dòng)、反應(yīng)等方面圍繞以上所述三大部分進(jìn)行研究，并滿(mǎn)足以下多方面的要求：①“四低”要求，低能耗、低物耗、低污染物排放、低維護(hù)；②與乙烯裝置的大型化有關(guān)的“五高”要求，高能力、高原料適應(yīng)性、高自動(dòng)化程度、高可靠性、高在線(xiàn)率。為滿(mǎn)足上述要求，裂解技術(shù)的發(fā)展主要在以下幾個(gè)方面。

1.2.1 與輻射爐管相關(guān)的技術(shù)進(jìn)展

（1）輻射爐管機(jī)械設(shè)計(jì)

近來(lái)對(duì)液體原料的裂解目前多采用兩程或單程爐管，對(duì)氣體原料則以采用多程爐管為主。爐管構(gòu)型的進(jìn)展主要在爐管排列方式和底部的連接型式上。S&W公司在文獻(xiàn)[11]提出了入口管與出口管交替排列型式（單排）以使?fàn)t管受熱均勻。Linde公司在文獻(xiàn)[12]提出了在爐管底部采用對(duì)稱(chēng)彎管連接組合件且單排排列以消除爐管應(yīng)力。文獻(xiàn)[13-15]則提出了將爐管布置成三排，其中入口管所在平面以出口管平面對(duì)稱(chēng)。Technip在文獻(xiàn)[13]所提出的結(jié)構(gòu)是為了克服其GK-6型雙排布置爐管的缺點(diǎn)。Lummus公司在文獻(xiàn)[16]中提出了一種爐管排列方式：與裂解爐的軸線(xiàn)垂直（傳統(tǒng)的爐管沿爐膛軸線(xiàn)排列），但未工業(yè)化。埃克森化學(xué)專(zhuān)利公司在文獻(xiàn)[17]中提出了一種爐管排列方式：在一個(gè)爐膛內(nèi)以裂解爐的軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)布置平行的兩排單排爐管。在從技術(shù)上來(lái)看，單排排列更有利于裂解的工藝性能，而多排排列雖然可以縮小爐膛尺寸以節(jié)省部分投資，但帶來(lái)了工藝性能上的損失，可以說(shuō)得不償失。

（2）新型爐管材料

由于實(shí)現(xiàn)高選擇性就需要縮短停留時(shí)間和提高裂解溫度，相應(yīng)的裂解爐運(yùn)行周期和輻射爐管使用壽命就受到限制，為解決這些問(wèn)題，新?tīng)t管材料應(yīng)運(yùn)而生。①新合金材料。文獻(xiàn)[18]報(bào)道Kellogg 公司研發(fā)的一種爐管HR160，它是一種Ni-Co-Cr-Si合金，可以有效減少結(jié)焦。文獻(xiàn)[19-20]介紹了加拿大Westain 表面工程產(chǎn)品公司在35Cr45Ni合金中添加了鈮、鈦和稀土元素，可以耐受1150 ℃的高溫。文獻(xiàn)[21]介紹了德國(guó)Schmidt+Clemens開(kāi)發(fā)出一種新型添加了鋁和微量元素鈮的Ni基Centralloy HT E合金，由于存在穩(wěn)定的Al2O3致密層，因而可以耐受1150 ℃以上的高溫并可降低結(jié)焦速率。鐵基熱抗氧擴(kuò)散的增強(qiáng)（ODS）合金[8，20-21]由JGC公司和Special Metals公司聯(lián)合研究并開(kāi)發(fā)，是一種不含Ni，且Al和Cr含量高的鐵基合金。有高的抗蠕變強(qiáng)度（是HP合金的2～3倍）和高的抗腐蝕性，用這種合金制造的裂解爐爐管可耐1300 ℃，在目前的條件下可延長(zhǎng)乙烯裂解爐的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，增加生產(chǎn)能力，可在高裂解深度下操作而沒(méi)有不良影響。②采用陶瓷管代替金屬爐管。由于陶瓷爐管既能耐受更高的溫度，又克服了金屬爐管因含鎳促進(jìn)結(jié)焦的缺點(diǎn)，抑制了在較高的裂解溫度下操作形成催化結(jié)焦的物質(zhì)生成。因而比普通裂解爐的轉(zhuǎn)化率提高20%以上，并且大幅度延長(zhǎng)裂解爐的運(yùn)行周期。

S&W公司正在研究陶瓷裂解爐[22-23]（LPH裂解技術(shù)）。采用此技術(shù)氣體原料裂解爐單爐能力可以達(dá)到700 kt/a。IFP和Gaz de France公司開(kāi)發(fā)了可允許工藝溫度超過(guò)1000 ℃、乙烷轉(zhuǎn)化率超過(guò)90%的高溫陶瓷爐[6，21]。這些研究還在進(jìn)行中，還有一些工程問(wèn)題未得到解決。

（3）抑制結(jié)焦

抑制結(jié)焦的技術(shù)都是以降低焦的生成和提高清除焦的先兆物的速度為目標(biāo)，文獻(xiàn)[21，24]對(duì)抑制結(jié)焦的技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和研究，概況分為三類(lèi)：一是注入結(jié)焦抑制劑將焦經(jīng)催化氣化為CO和H2，主要有Nova公司開(kāi)發(fā)的CCA-500抗垢劑，阿托菲納和Technip公司推出新型抗垢劑——CLX添加劑[25]，Nalco/Exxon Energy化學(xué)公司開(kāi)發(fā)的Coke-less以及國(guó)內(nèi)中國(guó)石化北京化工研究院開(kāi)發(fā)的結(jié)焦抑制劑均已在工業(yè)裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)[26]；二是在爐管表面涂Mn、Si、Al、Cr等其他材料以防止催化反應(yīng)生成焦，主要有Westain表面工程產(chǎn)品（SEP）公司的CoatAlloy技術(shù)[27-30]、諾瓦（Nova）化學(xué)公司的ANK400抗結(jié)焦技術(shù)[31-34]、Alon表面技術(shù)公司的Alcroplex涂層技術(shù)[35]及韓國(guó)SK公司在線(xiàn)和原位涂復(fù)系統(tǒng)PY-COAT[36-37]；三是采用強(qiáng)化傳熱使結(jié)焦母體不能在爐管表面停留并降低爐管表面溫度以降低焦的生成速度，主要有中國(guó)石化與沈陽(yáng)金屬研究所開(kāi)發(fā)的扭曲片[38]、日本久保田的MERT及X-MERT 管[21，39]和英國(guó)Heliswirl 技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的小幅渦漩管[40-41]（此技術(shù)現(xiàn)已被TECHNIP公司買(mǎi)斷）。

總體來(lái)講結(jié)焦抑制劑對(duì)延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行周期有效果，但還未得到大面積的推廣，主要原因是在線(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用高；表面涂層爐管也未得到大面積推廣，主要原因是涂層在使用一段時(shí)間后會(huì)變薄；只有強(qiáng)化傳熱爐管得到了大面積推廣。

1.2.2 與節(jié)能環(huán)保相關(guān)的技術(shù)進(jìn)展

（1）裂解爐與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合[6，42-43]

在20世紀(jì)70～80年代，受能源危機(jī)的影響，Lummus、S&W和KBR公司均在一些乙烯裝置中將裂解爐與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合。在總發(fā)電量相同時(shí)，裂解爐與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)的總?cè)剂舷目晒?jié)省約13%。但是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)由于受到燃料、投資和可靠性等，并未成為通行的做法。

（2）提高裂解爐的熱效率[43，48]

文獻(xiàn)[43]介紹了提高熱效率的各種方法，但隨著CO2減排的需求，對(duì)裂解爐熱量回收要求越來(lái)越高。通過(guò)優(yōu)化裂解爐對(duì)流段的設(shè)計(jì)，并采用耐腐蝕的爐管裂解爐的排煙溫度降至80～100 ℃，熱效率達(dá)到95%～96%。在茂名石化樣板爐改造中，最終標(biāo)定的熱效率為95.52%，排煙溫度為87 ℃。

（3）充分回收高溫裂解氣余熱

文獻(xiàn)[5-6，8]介紹了各種急冷鍋爐，在實(shí)際應(yīng)用上為了多發(fā)生超高壓蒸汽以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，裂解氣急冷鍋爐的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾方面。①降低出口溫度以增加高壓蒸汽的產(chǎn)量：對(duì)氣體原料采用二級(jí)或三級(jí)急冷，最低冷卻到250 ℃，對(duì)石腦油原料出口溫度已降至350 ℃左右。②改善裂解氣分配，常規(guī)急冷鍋爐（Schmidt和Borsig型）、浴缸式急冷鍋爐等采用較少換熱管和增大管徑的設(shè)計(jì)以減少結(jié)焦對(duì)壓降的影響，提高在線(xiàn)燒焦效果以提高裂解爐的在線(xiàn)率。③減少絕熱段停留時(shí)間以降低烯烴損失，如采用浴缸式、快速急冷及線(xiàn)性急冷鍋爐。為克服線(xiàn)形急冷鍋爐長(zhǎng)投資高的缺點(diǎn)，美國(guó)BORSIG公司推出了UP-DOWN線(xiàn)型急冷鍋爐。

（4）新型燃燒器及供熱方式

為減少大氣污染，對(duì)NOx排放指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，因此低NOx燃燒器應(yīng)運(yùn)而生，目前在以甲烷-氫為燃料時(shí)NOx最低達(dá)到約20mg/m3[1，8]。為實(shí)現(xiàn)低NOx排放，各燃燒器廠商均推出低能力多槍直線(xiàn)排列燃燒器，分級(jí)燃燒燃燒器、以及煙氣再循環(huán)技術(shù)以降低NOx。Lummus提出了一體化燃燒器（底部燃燒器和一個(gè)安裝于爐底的附壁燃燒器組成）[44]，此外還提出了對(duì)輻射段爐管入口管和出口管采用不同供熱能力的燃燒器以延長(zhǎng)裂解爐的運(yùn)行周期[45]，以及在側(cè)墻安裝一種燃燒器以改善底部燃燒器的火焰穩(wěn)定性[46]；Technip提出分兩段供熱——底部約占55%，中部約占45%，采用陽(yáng)臺(tái)式（Balcony）燃燒器（Calidus）[47]。此外CFD技術(shù)被用來(lái)優(yōu)化裂解爐供熱和對(duì)燃燒器設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[47]。

（5）其他節(jié)能技術(shù)[48]

引風(fēng)機(jī)采用變頻或永磁調(diào)速控制以節(jié)省電的消耗達(dá)10%～30%；采用乙烯裝置的廢熱或余熱來(lái)預(yù)熱助燃空氣；采用低導(dǎo)熱性能的保溫材料并采用新型耐火材料結(jié)構(gòu)以使?fàn)t外壁溫度達(dá)到70 ℃以下。

1.3 裂解爐大型化

隨著乙烯裝置的大型化，裂解爐也向大型化發(fā)展。大型裂解爐結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，投資省。據(jù)稱(chēng)，1臺(tái)150 kt/a的裂解爐比2臺(tái)75 kt/a的裂解爐投資省10%～15%[1]。裂解爐能力由20世紀(jì)70年代的30 kt/a提高到目前的200 kt/a以上，石腦油原料的裂解爐達(dá)到200 kt/a、乙烷原料裂解爐350 kt/a[1，8，49-50]。文獻(xiàn)[5、8]介紹了4種裂解爐結(jié)構(gòu)： ①常規(guī)的單輻射段單對(duì)流段結(jié)構(gòu)；②常規(guī)的雙輻射段單對(duì)流段結(jié)構(gòu)；③單輻射段雙單排輻射爐管單對(duì)流段結(jié)構(gòu)[51]；④單輻射段（爐管布置與爐膛軸線(xiàn)垂直）單對(duì)流段結(jié)構(gòu)[16]。此外，文獻(xiàn)[52]介紹了美國(guó)Lummus公司提出的單輻射段（爐管布置與爐膛軸線(xiàn)垂直）雙對(duì)流段等結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[53]介紹了Technip公司提出的單輻射段多排爐管（爐管布置與爐膛軸線(xiàn)平行）單對(duì)流段等結(jié)構(gòu)。對(duì)于大型化裂解爐其結(jié)構(gòu)有多種型式，但目前采用較多的還是上述②、④兩種結(jié)構(gòu)。雖然大型爐可以節(jié)省投資，但規(guī)模不是越大越好，需要與乙烯裝置的規(guī)模和原料種類(lèi)結(jié)合起來(lái)統(tǒng)籌考慮以減少對(duì)操作的影響。

1.4 裂解爐改造

自20世紀(jì)60～70年代以來(lái)，裂解技術(shù)不斷發(fā)展，節(jié)能與環(huán)保要求也越來(lái)越高，一是對(duì)技術(shù)落后、設(shè)備陳舊和不滿(mǎn)足環(huán)保要求的裂解爐進(jìn)行改造，二是乙烯裝置的擴(kuò)能也需要對(duì)裂解爐進(jìn)行改造。

采用最新技術(shù)以消除裂解爐原設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，以提高裂解爐的生產(chǎn)能力和技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)[54]對(duì)老舊裂解爐改造進(jìn)行了介紹，采用高選擇性爐管、降低排煙溫度提高熱效率、采用新耐火材料減少熱損失、更換燃燒器（采用底燒）以降低空氣過(guò)剩系數(shù)來(lái)減少燃料消耗和采用可靠的技術(shù)來(lái)減少非計(jì)劃停車(chē)來(lái)減少能耗。文獻(xiàn)[42-43，48]介紹了裂解爐節(jié)能技術(shù)，除前述內(nèi)容外還采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)等延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行周期、風(fēng)機(jī)變頻或永磁調(diào)速技術(shù)、空氣余熱技術(shù)、降低TLE出口溫度以多回收超高壓蒸汽。

中國(guó)石化實(shí)施的裂解爐樣板爐改造已得到國(guó)家有關(guān)部門(mén)的支持，以滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的要求。通過(guò)采用中國(guó)石化CBL裂解技術(shù)對(duì)茂名乙烯一臺(tái)40 kt/a原SW公司設(shè)計(jì)的48 U裂解爐和揚(yáng)子石化一臺(tái)100 kt/a SL-Ⅱ型裂解實(shí)施節(jié)能改造，取得了良好的效果：其中茂名裂解爐運(yùn)行周期達(dá)到100天以上，熱效率達(dá)到95%～96%[48]。此改造技術(shù)陸續(xù)在上海石化、天津石化等乙烯裝置中得到應(yīng)用并取得了預(yù)期效果，之后還將陸續(xù)在中國(guó)石化其他乙烯裝置中分批實(shí)施。

裂解爐改造技術(shù)在實(shí)施上有比較大的進(jìn)展，由在原有裂解爐上進(jìn)行模塊化施工到整爐施工完畢進(jìn)行整體平移[54]。

1.5 應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型控制及優(yōu)化系統(tǒng)

隨著對(duì)乙烯裝置效益的要求越來(lái)越高，在裂解爐設(shè)計(jì)已定型的情況下，裂解爐系統(tǒng)的控制水平已采用先進(jìn)的DCS常規(guī)控制、裂解深度控制和優(yōu)化控制等，并可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，從而與ERP系統(tǒng)、生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)操作管理、生產(chǎn)管理的一體化，使企業(yè)獲得最大效益。在乙烯裂解爐上通過(guò)采用先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)可使裂解爐在較優(yōu)狀態(tài)下工作，通過(guò)控制爐管出口溫度和裂解深度均一化，一方面實(shí)現(xiàn)裂解深度和優(yōu)化控制，也確保了裂解爐能長(zhǎng)周期運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)采用的先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)有Aspen Tech.、Honeywell、ROMEO和華東理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的ECUST-OlefinROC。而ASPEN公司則建立乙烯裝置的一整套先進(jìn)及優(yōu)化控制軟件，其裂解部分則是基于SPYRO軟件。裝置操作者一般用該軟件進(jìn)行原料選擇、生產(chǎn)計(jì)劃和裂解爐優(yōu)化。而國(guó)內(nèi)華東理工大學(xué)采用模糊控制理論（神經(jīng)元）對(duì)裂解爐進(jìn)行深度控制，效果不錯(cuò)，現(xiàn)已在中國(guó)石化進(jìn)行推廣[55-58]。

2 乙烯裂解技術(shù)及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化

2.1 國(guó)產(chǎn)化歷程[1，59]

鑒于乙烯技術(shù)的重要性，原中國(guó)石化總公司成立伊始，就把開(kāi)發(fā)乙烯裂解技術(shù)確定為重點(diǎn)科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。中國(guó)石化CBL乙烯裂解技術(shù)經(jīng)歷了近30年的發(fā)展。SEI與合作開(kāi)發(fā)單位自1984年合作開(kāi)發(fā)至今，CBL技術(shù)已實(shí)現(xiàn)成套化，CBL裂解爐從CBL-Ⅰ型發(fā)展到CBL-Ⅶ型，能力從最初的20 kt/a發(fā)展到200kt/a，原料可以適應(yīng)從乙烷到加氫尾油。采用CBL技術(shù)建設(shè)的各型新建及改造（輻射爐管）裂解爐總共達(dá)117臺(tái)，總能力達(dá)11 530 kt/a乙烯。其中改造輻射爐管且單爐能力小于100 kt/a裂解爐共有44臺(tái)、總能力約2445 kt/a； 100 kt/a及以上裂解爐共有73臺(tái)、總能力達(dá)9090 kt/a，分別建于燕山、茂名、天津、鎮(zhèn)海和武漢等。采用CBL技術(shù)進(jìn)行改造的裂解爐共有50多臺(tái)，被改造的裂解爐包括國(guó)外知名公司Lummus、S&W、Technip（KTI）所設(shè)計(jì)的。2010年CBL開(kāi)發(fā)組與中國(guó)石化科技開(kāi)發(fā)公司、中國(guó)石化國(guó)際事業(yè)公司一道通過(guò)與國(guó)外專(zhuān)利商的競(jìng)標(biāo)獲得了馬來(lái)西亞某石化公司新增裂解爐項(xiàng)目，已于2012年11月9日投產(chǎn)，并于2013年2月通過(guò)考核。

2.2 工藝技術(shù)國(guó)產(chǎn)化

裂解工藝技術(shù)國(guó)產(chǎn)化研究始于20世紀(jì)60年代初，到80年代初的近20年一直配合乙烯技術(shù)引進(jìn)作了大量的基礎(chǔ)研究和中試。北京化工研究院開(kāi)展各種裂解原料和產(chǎn)物分析、熱裂解模擬試驗(yàn)、熱裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究及工業(yè)裂解爐運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)等研究工作； SEI則在對(duì)流段工藝計(jì)算、工藝及系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了大量工作；南京工業(yè)爐所則在急冷鍋爐工藝計(jì)算、供熱等開(kāi)展了大量工作。所建立的裂解爐輻射段數(shù)學(xué)模型、對(duì)流段數(shù)學(xué)模型、急冷鍋爐工藝數(shù)學(xué)模型及工藝系統(tǒng)計(jì)算模型等滿(mǎn)足了新型裂解爐開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的需要。

2.3 設(shè)備國(guó)產(chǎn)化[60-62]

裂解爐關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化是與CBL裂解爐的開(kāi)發(fā)同步的，包括對(duì)流段翅片管、輻射段爐管、急冷鍋爐、燃燒器、汽包、保溫材料等。1987年CBL-Ⅰ型爐設(shè)計(jì)期間開(kāi)發(fā)組就與相關(guān)制造單位就以上關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了輻射段爐管、對(duì)流段翅片管、急冷鍋爐、汽包、燃燒器及耐火材料的國(guó)產(chǎn)化。CBL裂解爐的不斷發(fā)展直接帶動(dòng)了與裂解爐相關(guān)的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展，到目前為止，除部分高溫高壓調(diào)節(jié)閥等部分儀表外，關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)了100%國(guó)產(chǎn)化。而且南京工業(yè)爐所對(duì)急冷鍋爐、燃燒器還不斷推出新的產(chǎn)品，滿(mǎn)足了CBL各型裂解爐的需要。

2.4 工程設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)化

SEI開(kāi)展了大量工程技術(shù)研究，包括爐管構(gòu)型和爐型結(jié)構(gòu)研究、工藝計(jì)算模型與軟件的開(kāi)發(fā)和完善、輻射段爐管吊架系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與完善、裂解爐大型化工程技術(shù)開(kāi)發(fā)（工藝放大、大型管道布置與應(yīng)力分析、大型裂解爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）、對(duì)流段模塊和輻射段設(shè)計(jì)、文丘里與混合器/急冷器的開(kāi)發(fā)、流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件CFD在裂解爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、PDS模型化工程設(shè)計(jì)以及裂解爐控制系統(tǒng)的研究等。到目前為止，所有CBL裂解爐工程設(shè)計(jì)，以及2000年以后中石化所建裂解爐的工程設(shè)計(jì)大多由SEI 完成。

2.5 CBL裂解爐在天津、鎮(zhèn)海應(yīng)用情況簡(jiǎn)介

天津、鎮(zhèn)海1000 kt/a乙烯裝置工業(yè)化工程技術(shù)開(kāi)發(fā)列入中國(guó)石化十條龍攻關(guān)。且全部采用國(guó)產(chǎn)化CBL技術(shù)設(shè)計(jì)的裂解爐：液體爐為CBL-Ⅲ型爐、氣體爐為CBL-R型爐，其中鎮(zhèn)海150 kt/a乙烯裂解爐1臺(tái)。工藝包、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。詳細(xì)情況介紹如下。

天津1000 kt/a乙烯裂解爐自2010年1月16日正式投料運(yùn)行，并于2010年12月通過(guò)了考核。鎮(zhèn)海1000 kt/a乙烯裂解爐自2010年4月21日正式投料運(yùn)行，150 kt/a裂解爐于2010年7月投入運(yùn)行，于2010年11月通過(guò)了考核。詳細(xì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 天津、鎮(zhèn)海裂解爐技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

表1中的運(yùn)行周期均未達(dá)到燒焦時(shí)的最高管壁溫度。實(shí)際運(yùn)行中，天津乙烯各種原料的運(yùn)行周期分別為122天（C2/C3）、120天（NAP）、96天（HVGO），鎮(zhèn)海乙烯各種原料的運(yùn)行周期分別為133天（C2/C3）、119天（NAP）、121天（HVGO），而且管壁溫度均未達(dá)到燒焦時(shí)的1115℃。

3 CBL裂解爐的大型化

1998年，100 kt/a乙烯裂解爐開(kāi)始開(kāi)發(fā)，于2000年7月建成于燕化公司化工一廠，9月一次投料 成功。

2000年，150 kt/a裂解爐的開(kāi)始開(kāi)發(fā)，于2010年7月27日在鎮(zhèn)海石化投入使用，具備分爐膛燒焦能力，并通過(guò)了鑒定，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

200 kt/a裂解爐的開(kāi)發(fā)工作已完成，已于2010年8月和12月分別通過(guò)了總部及國(guó)家的驗(yàn)收，目前計(jì)劃在青島煉化進(jìn)行工業(yè)化。

3.1 150 kt/a CBL裂解爐介紹

150 kt/a裂解爐工藝包列入“十?五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，于2003年通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。現(xiàn)已在鎮(zhèn)海石化建成一臺(tái)CBL-Ⅶ型150kt/a裂解爐。其主要技術(shù)方案為采用雙輻射段單對(duì)流段結(jié)構(gòu)，該爐以石腦油及C5為原料。此裂解爐所采用的技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：兩個(gè)輻射段到對(duì)流段的過(guò)渡段采用特殊的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)；采用高選擇性?xún)沙?-1型爐管并加扭曲片；第一與第二程采用彎管設(shè)計(jì)，具有良好的力學(xué)性能；供熱：底部與側(cè)壁聯(lián)合供熱，底部占約70%；對(duì)原料及操作具有較大的靈活性；在對(duì)流段設(shè)有超高壓蒸汽過(guò)熱段；高溫裂解氣線(xiàn)性急冷鍋爐；運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)；高蒸汽產(chǎn)量；熱效率高：達(dá)94%～95%；引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速；可以實(shí)現(xiàn)分爐膛燒焦。

150 kt/a裂解爐通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，不僅裂解不同原料時(shí)有較好的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)也滿(mǎn)足了分爐膛裂解和分爐膛燒焦的要求，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

2011年福建煉化采用以上CBL技術(shù)建設(shè)兩臺(tái)150 kt/a裂解爐，現(xiàn)正在進(jìn)行施工。

表2 150kt/a裂解爐主要技術(shù)指標(biāo)

3.2 200 kt/a年CBL裂解爐介紹

200 kt/a裂解爐工藝包開(kāi)發(fā)列入“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃，現(xiàn)已通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。其主要技術(shù)方案為采用雙輻射段單對(duì)流段結(jié)構(gòu)，輻射段爐管采用高選擇性?xún)沙虪t管（2-1或改進(jìn)1-1）或單程爐管，所采用的技術(shù)與150 kt/a裂解爐不同點(diǎn)如下：①提出了3種可行的爐管構(gòu)型，可根據(jù)需要選擇；②供熱為100%底部供熱；③產(chǎn)品收率進(jìn)一步提高；④輻射爐管排列方式改進(jìn)，兩程爐管采用入口與出口交錯(cuò)排列；⑤線(xiàn)性急冷鍋爐出口溫度進(jìn)一步降低。

表3 200 kt/a兩程爐管裂解爐主要技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，蒸汽裂解技術(shù)目前沒(méi)有突破性進(jìn)展，主要進(jìn)展有圍繞克服現(xiàn)有技術(shù)不足的單元技術(shù)、大型化和節(jié)能減排等方面。如果陶瓷爐管裂解爐在工程上和材料上能解決陶瓷爐管本身的可靠性和安全性、以及與金屬材料的連接問(wèn)題，如果結(jié)焦抑制技術(shù)能夠解決輻射爐管結(jié)焦問(wèn)題，那么蒸汽裂解將有突破性進(jìn)展。

中國(guó)石化CBL裂解技術(shù)經(jīng)歷了近30年的研究、改進(jìn)和推廣，完全實(shí)現(xiàn)了工藝、工程設(shè)計(jì)及設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，并且實(shí)現(xiàn)了技術(shù)出口。在第一個(gè)階段（1984—1998年）主要解決工藝問(wèn)題；第二個(gè)階段（1998—2001年）主要解決了輻射段爐管彎曲問(wèn)題；第三階段（2002年以后）主要解決了裂解爐大型化問(wèn)題和裂解爐技術(shù)成套問(wèn)題（氣體爐、裂解爐改造等）；第四階段（2010年開(kāi)始）主要開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)，將來(lái)主要解決蒸汽裂解技術(shù)的改進(jìn)和突破。截至到目前為止，CBL裂解爐已有CBL-Ⅰ～Ⅶ型爐投入運(yùn)行，而且CBL-Ⅷ型爐在研究之中，概括起來(lái)CBL裂解爐具有以下特點(diǎn)。

（1）采用高選擇性爐管構(gòu)型。裂解液體原料的CBL裂解爐，采用高選擇性爐管構(gòu)型，CBL-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型爐和SL-Ⅰ型爐均采用2-1型爐管，CBL-Ⅳ型爐采用4-1型爐管，CBL-Ⅴ型爐采用改進(jìn)的2-1型爐管，CBL-Ⅵ型爐采用改進(jìn)1-1型爐管。裂解氣體原料的CBL裂解爐采用停留時(shí)間適中的四程爐管構(gòu)型（2-1-1-1等或其改進(jìn)型）。

（2）采用二級(jí)或一級(jí)急冷（傳統(tǒng)急冷、線(xiàn)性急冷）。

（3）對(duì)于輕質(zhì)或重質(zhì)原料可采用一次稀釋蒸汽注入方式，對(duì)于重質(zhì)原料采用二次稀釋蒸汽注入 方式。

（4）供熱方式靈活，底部占60%～70%，或全部底部供熱。

（5）熱效率高，達(dá)93%～96%。

（6）原料適應(yīng)性強(qiáng)，可裂解乙烷至加氫尾油。

（7）投資省。

近年來(lái)CBL裂解爐和基于CBL技術(shù)的SL-Ⅰ型爐在燕山、齊魯、天津、鎮(zhèn)海、中原、茂名的工業(yè)應(yīng)用表明，CBL爐、SL-Ⅰ（CBL-Ⅲ）型爐的工藝性能和技術(shù)水平已完全達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，在重質(zhì)原料裂解方面具有優(yōu)勢(shì)，并有投資省的優(yōu)點(diǎn)。

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