扭曲片管強化傳熱技術在乙烯裂解爐中的應用

張利軍，王國清

（中國石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京 100013）

扭曲片管強化傳熱技術在乙烯裂解爐中的應用

張利軍，王國清

（中國石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京 100013）

介紹了扭曲片管強化傳熱技術在乙烯裂解爐中的應用。扭曲片管在控制壓降的同時增加裂解爐管的傳熱系數，降低裂解爐管壁溫度，增加裂解爐的運行周期或者提高裂解爐的處理量。分析了應用過程中出現了扭曲片管的損壞問題，結果表明，出現損壞的扭曲片管是在制造過程中質量管理不嚴格造成的。

扭曲片管；乙烯裂解爐；強化傳熱；爐管壁溫損壞

乙烯裂解爐主要由輻射段和對流段組成。輻射段中，裂解原料吸收熱量發生裂解反應得到目的產物低碳烯烴；對流段中，來自輻射段的煙氣余熱得到回收利用，從而提高裂解爐的熱效率。裂解反應要得到更多的目的產物，必須要做到反應溫度高、停留時間短和烴分壓低。

上世紀60年代以來，高選擇性爐管構型的開發是裂解技術發展的重點，主要通過改變管徑、管程數，每程爐管的數量等組合方式來改善傳熱過程，取得了長足的進步，但未來的發展潛力已經不大。因此，上世紀80年代中期以來，采用不同結構的異型管或在爐管內外增加傳熱構件等過程強化裝置成為研究的重點，陸續推出的這些新型爐管已經在工業上獲得了應用并取得了較好的效果[1-3]。如美國Lummus公司推出的梅花管技術，裂解爐管的爐管由圓管改為螺旋梅花形狀的爐管，不但增加了傳熱面積，也改善了爐管內物料的對流傳熱，對提高運行周期、提高爐管處理量，具有明顯的效果；日本Kubota公司推出的MERT管技術，該爐管與光管相比，傳熱系數提高20%～50%，內表面積增加2%，壓降增大2～3.5倍。但上述技術均存在一些問題，一是爐管制造難度增加導致爐管的制造成本增加；二是這些爐管的壓降增加過大，裂解反應的選擇性隨之降低；三是隨著使用時間的增加，這些爐管的使用效果逐漸衰減。

針對這些問題，開發了具有自主知識產權的扭曲片管強化傳熱技術，該技術是將若干個扭曲片管分段加入輻射段爐管中，經過扭曲片管的流體，流動狀態從柱塞流改變為旋轉流，使得管內的流體對爐管管壁產生一定的剪切作用，從而降低管壁附近的流動邊界層的厚度，增大傳熱系數，進而強化傳熱過程[4-7]。該技術在強化傳熱的同時，爐管的壓降增加較小、爐管的結焦趨勢減緩。在裂解爐中應用該技術，能夠大幅度地延長運行周期，同時也能夠一定程度的提高裂解產物的選擇性，這也正是從事裂解技術開發的工程技術人員所追求的目標。

1 扭曲片管強化傳熱原理及特點

裂解爐實質上是一個強吸熱反應和強放熱反應的耦合。燃料氣在爐膛內進行燃燒反應釋放大量的熱，同時裂解原料在爐管內進行裂解反應吸收大量的熱。從爐膛到爐管的熱量傳遞過程分為3步：1）熱量通過輻射傳熱的方式傳遞到爐管外壁，傳熱速率主要和爐管面積相關；2）熱量通過熱傳導的方式從爐管外壁傳遞到爐管內壁，傳熱速率主要和爐管材質相關；3）熱量通過對流傳熱的方式從爐管內壁傳遞到裂解反應物流，傳熱速率主要和傳熱系數與傳熱面積相關。對于指定的爐型，爐管的傳熱面積確定，這樣增加傳熱速率主要依靠提高傳熱系數。

在爐管管內，熱量的傳遞要依次經過焦層、邊界層和主流體，熱阻主要集中于焦層和邊界層（表1所示）。扭曲片管強化傳熱技術就是將扭曲片管分段布置在裂解爐管中，從而減薄邊界層，減緩結焦速率，增大傳熱系數，強化傳熱過程。

表1 爐管內各部分熱阻Tab 1 Thermal resistance of all parts in the furnace tube

扭曲片管是帶有扭曲片的精密整鑄管（見圖1），在裂解爐的爐管中，扭曲片管的存在使反應物流的流型從柱塞流轉變為旋轉流，爐管管壁因此受到流體的橫向沖刷，從而減薄了邊界層，減緩了結焦趨勢，達到強化傳熱、延長裂解爐運行周期的目的。

圖1 扭曲片管Fig 1 Twisted tube

在工業應用中，扭曲片管分段布置在爐管中，扭曲片管僅占整根爐管的很小一部分，因此與其他整根爐管全部采用強化傳熱管相比，壓降增加較少。同時，爐管制造成本也增加較少。

該技術在某烯烴廠的裂解爐上進行了應用，以石腦油和乙烷為實驗原料，在裂解爐出口溫度為822℃和水油比為0.5的條件下，裂解爐共運行了105 d，相比應用該技術前（運行周期55 d）增加了近1倍。應用該技術前后裂解爐輻射段最高管壁溫度的變化趨勢如圖2所示。

圖2 增加扭曲片管與未加爐管的管壁溫度對比Fig 2 Comparison of tube wall temperature with increased twisted tube or without furnace tube

從圖2可以看出，爐管的升溫趨勢大大減緩，相同條件下，應用該技術前后爐管的初始壁溫相差20℃以上。

實驗中，裂解爐的低碳烯烴收率沒有受到任何不良的影響（如表2所示）。

表2 低碳烯烴收率數據Tab 2 Yield data of low carbon olefin

在保持相同的裂解深度和運行周期不變的情況下，裂解爐的生產能力能夠增加大約7%；裂解爐應用該技術后，裂解爐的操作勞動強度沒有任何增加。該技術對各種輕重原料都有很好的適應性；經過長期的運行統計，應用了強化傳熱技術的裂解爐節約燃料約1%。

截至2016年底，該技術已經在世界范圍內超過120臺裂解爐上進行了應用，總的乙烯生產能力超過8 M/a。其中，應用該技術的裂解爐最長已經運行11年。經過多年的推廣應用，技術在實用性、穩定性和可靠性方面經受住了嚴峻的考驗，為用戶帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。然而，在應用過程中，該技術難免碰到這樣那樣的問題，下面就其中的主要問題進行探討和分析。

2 應用問題及分析

扭曲片管的損壞是在應用過程中碰到的主要問題。由于裂解爐的輻射段爐管是裂解爐的核心，是高溫裂解反應的發生之地，因此如果發生扭曲片管的損壞，將會導致裂解爐的停爐。

某烯烴廠的裂解爐更換爐管，在新的爐管上應用了扭曲片管強化傳熱技術。2年后，用戶發現扭曲片管泄露，在爐管外部表現的狀況是出現不規則的小洞；在扭曲片管內部，則表現出扭曲筋與管壁連接處裂開；同時，在損壞的扭曲片管的扭曲筋兩端出現了細小裂紋。見圖3。經過追溯發現，該批扭曲片管為同一批次制造。

經過化學成分檢測發現，主要的元素均在適用標準范圍之內。對損壞扭曲片管的宏觀觀察發現，泄漏部位附近的管壁中部發現了周向開裂和裂紋（圖4），在未開裂的扭曲片與管壁結合處存在裂紋或缺肉現象（圖5）。

圖3 受損扭曲片管狀況Fig 3 Damaged twisted tube condition

圖4 泄漏處附近管壁中部Fig 4 Central tube wall near the leak

圖5 相對的2個結合處的裂紋和缺肉現象Fig 5 The crack and the meat lack phenomenon in the two opposite junction

在顯微鏡下觀察發現，在扭曲管組織中發現有非金屬夾雜物，如圖6所示。非金屬夾雜物的最大尺寸為20 μm。

圖6 扭曲管中的非金屬夾渣物Fig 6 The non-metallicenclosed slag in twisted tube

從上述分析可以看出，扭曲片管出現質量問題，是由于扭曲片管的制造過程中出現非金屬夾渣物而造成的，這可以通過嚴格的質量管理避免。因此在應用強化傳熱技術時，加強扭曲片管制造過程中的質量管理，嚴格按照制造標準進行生產，就能夠避免扭曲片管損壞現象的發生。

3 結束語

裂解爐中通過管壁傳熱至管內流體的主要熱阻存在于管內的焦層和邊界層流層，加入扭曲片管可以有效減少焦層和邊界層流層的厚度，從而強化裂解爐的傳熱過程。工業實驗表明，扭曲片管能夠有效的強化傳熱，增大傳熱系數，減少結焦，延長裂解爐的運行周期。實驗表明，在裂解爐管中加入扭曲片管帶來的強化傳熱等正面效應要遠大于爐管壓降增加等負面效應。

扭曲片管強化傳熱技術在應用過程中出現的主要問題是扭曲片管的損壞問題，盡管出現這樣問題的概率僅有不到千分之一，但出現問題將嚴重影響裂解爐的運行。對出現問題的扭曲片管進行了分析，表明扭曲片管的質量問題主要是制造過程中質量管理不嚴格造成的。加強扭曲片管制造的質量管理能夠避免扭曲片管損壞的發生，從而能夠更好的將強化傳熱技術服務于乙烯工業。

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TQ050.7

BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2016.05.017

2016-04-14；

2016-05-25