乙烯裂解爐選型及USC-224U型裂解爐性能特點分析

摘 要：闡述了乙烯裂解爐的類型及構造及原理，評價了浙石化乙烯裂解爐的性能優越性，重點描述了某石化百萬噸乙烯所使用的USC-224U型乙烯裂解爐的設計構造并進行了特性分析，最后對乙烯裂解爐的發展方向進行了分析預測。

關鍵詞：乙烯裂解爐;選型;爐管;輻射室;對流室

1 引言

近年來，中國乙烯消費迅速增長，國內乙烯行業迎來大發展，眾多百萬噸乙烯項目紛紛上馬，中國或將超越美國成為世界第一大乙烯生產國。同時，國內乙烯生產裝備技術也在迅猛發展，乙烯裂解爐作為乙烯生產裝置的核心設備，其生產能力及技術的高低，直接影響著整個乙烯生產裝置的規模、產量及產品品質，所以乙烯裂解爐在乙烯生產乃至整個石油化工生產中都起到了龍頭作用。乙烯裂解爐的專利技術種類繁多，如何進行爐型選型及專利商選擇困擾著項目投資人及技術工作者。本文旨在介紹裂解爐選型的關鍵因素及評價指標，并介紹了某石化項目使用的USC-224U型裂解爐性能構造特點。

2 乙烯裂解爐原理

裂解爐一般結構主要分為幾大部分，分別是輻射段、急冷鍋爐、對流段、煙囪、燃燒器等，如圖1。輻射段包含裂解爐管與燃燒器，燃燒器安裝在爐膛的側壁或底部，輻射爐管被燃燒器的火焰輻射加熱;對流段的作用是回收高溫煙氣熱量;急冷鍋爐的主要作用是快速冷卻裂解氣，從而抑制二次反應的發生，并回收高溫裂解氣的熱量。裂解爐管懸掛在輻射段中央。是管式裂解爐的核心部分，裂解爐管的形狀及尺寸隨爐型而變化。爐管中的裂解原料發生裂解反應，裂解產物離開反爐管后立即進入急冷系統。裂解原料先在裂解爐的對流段升溫，到一定溫度后與稀釋劑混合繼續升溫到610～650℃，然后通過進入裂解爐的輻射段并急速升溫到反應溫度約850℃，并發生裂解反應，最后裂解產物通過急冷換熱器被高壓水驟冷以中止反應并產生10～12MPa的高壓蒸汽，從而回收熱能。急冷鍋爐隨裂解爐型不同而有所不同。

3 典型乙烯裂解爐性能比較

從原料上分乙烯裂解爐可分為氣體裂解爐和液體裂解爐;從結構上可分為雙單爐膛裂解爐、爐膛裂解爐;從燃燒器布置上可分為、全側燒裂解爐、全底燒裂解爐以及底燒側燒聯合裂解爐;從專利商的角度可分為CBL型裂解爐（中國石化）、SRT型裂解爐（LUMMUS）、USC型裂解爐（STONE-WEBSTER）、Pyrocrack型裂解爐（LINDE）、USRT爐（Kellogg和日本出光）等。

3.1 爐型優缺點評價

這些爐型的一個共同特點是都可以稱為管式爐：反應管吊在輻射室中央，由底部燒嘴進行雙面輻射加熱。物料由下部進入上部離開并迅速進入專用的USX型急冷鍋爐，每兩根反應管合用一個USX，多個USX合接一個二次急冷鍋爐。

3.1.1 CBL型裂解爐

該爐型是中國石化自有的CBL裂解技術，有四大創新亮點：規模最大，該爐型氣體裂解爐最大做到了20萬t/a，當裂解原料為乙烷時乙烯產能可達20萬t/a;氣、液通吃。氣體液體原料都能很好消化，適應性更強;雙爐膛結構。可實現分爐膛裂解和燒焦，減少了裝置波動;技術環保。獨特的脫硝工藝使氮氧化物排放濃度降低了約70mg/Nm3。該爐型如能更好處理液體進料所產生燒焦問題，其產能可進一步提高。

3.1.2 SRT型裂解爐

該爐屬于短停留時間管式爐，已發展到第六代，其優點：實現了高溫、短停留、低烴分壓裂解。采用雙面輻射的單排管，能最大限度地接受輻射熱量;結構布置合理、溫度均布。輻射室底部及側壁均有均勻分布的加熱燒嘴，使爐管周邊溫度均勻，管上下溫差小;爐管能可自由伸長縮短，不因溫度效應變形;爐管吊件設置在上部隔熱層內，避免了高溫輻射;在裂解管出口即接急冷換熱器，使裂解氣更快急冷，減少了二次反應發生。不足之處是操作周期長。

3.1.3 USC型裂解爐

該爐型又稱超選擇性裂解管式爐，優點：①采用多組小口徑裂解爐管，雙面輻射加熱，爐管比表面較大，熱強度高且加熱均勻，從而實現了小于0.3秒的短停留時間;②使用變徑爐管以降低反應過程的烴分壓。短的停留時間和低的烴分壓使裂解反應具有良好的選擇性。

3.1.4 USRT爐

該爐型又稱毫秒裂解爐，優點是熱通量大，可使原料在極短時間內加熱至高溫（裂解氣出口溫度可達850～880℃）;且因裂解爐管是一程，沒有彎頭，阻力降小，烴分壓低，乙烯收率比其他爐型要高。缺點是爐管多，流量不易平均分配。若采用豬尾管來分配流量，效果較好。

3.1.5 Pyrocrack型裂解爐

LINDE公司開發了Pyrocrack系列裂解爐，該型裂解爐通常為雙輻射室、單對流室結構。為了適應不同的原料采用了Pyrocrack1-1、Pyrocrack2-2、Pyrocrack4-2等類型爐管。其中Pyrocrack1-1選擇性高，停留時間短，烯烴選擇性高。該爐型存在的問題是需要進一步高單爐處理能力。

3.2 爐型的選擇

裂解爐爐型應根據熱負荷、介質物性、阻力降、各種操作工況下主要技術參數、燃料性質、環境保護要求，以操作彈性大、熱效率高、運行平穩可靠、操作周期長、安裝及檢修維護方便、投資省、占地面積小、根據運輸極限最大化預制為基本原則，并結合場地條件和余熱回收系統的要求進行選擇。且應符合下列要求：①爐管傳熱好，反應溫度滿足裂解要求、節能要求;②爐管內停留時間短、裂解反應烯烴選擇性好、產能高;③對流段、急冷系統傳熱效率高、效果好;④物料系統內結焦少、操作周期長。

4 USC-224U型超選擇性液體裂解爐特點

4.1 背景介紹

某石化140萬t/a乙烯的煉化一體化項目，采用美國T-SW公司先進的乙烯裂解工藝專利技術，并使用其USC-224U型超選擇性液體裂解爐。主要產品有聚合級乙烯和聚合級丙烯等。該乙烯工程由上海卓然工程技術股份有限公司總承包，并供應裂解爐及配件，預計2020年底建成投產。

4.2 USC-224U型裂解爐構造特點

USC-224U型超選擇性液體裂解爐由輻射室、對流室、引風機及煙囪組成，輻射室為雙爐膛結構，每個爐膛中有112組U型爐管一字形垂直排列，燃燒器布置于爐底管排的兩側，形成單管排雙面輻射立管箱式爐。對流段位于兩個輻射室中間的上部。對流段之上依次是引風機和煙囪。原料和稀釋用蒸汽經對流段混合預熱后，經過橫跨管進入輻射段進行加熱裂解，產生乙烯﹑丙烯及其他副產品。

4.2.1 輻射段

裂解爐設兩個爐膛，每個爐膛內懸掛單排112根爐管。爐管的進口管內徑50mm，出口管內徑50mm，停留時間約0.2秒。輻射出口管采用適當擴大直徑的設計。原料烴和稀釋蒸汽的混合物在對流段預熱后由橫跨管分別引入輻射段入口集合管中，每根橫跨管連接兩個集合管，每個集合管再通過配有文丘里的輻射管將裂解原料輸送到爐膛中進行加熱裂解。對于重質進料裂解爐，每兩個輻射管出口管通過一個Y型件合二為一后與選擇性線性換熱器（SLE）相連。對于輕質進料裂解爐，輻射管出口管直接與SLE相連。入口爐管用恒力彈簧垂直懸掛于鋼結構框架上，出口管直接同急冷器SLE相連。輻射爐管可自由向下膨脹。

4.2.2 對流段

裂解爐的對流段用于回收離開爐膛的高溫煙氣的余熱，這些熱量用于預熱原料和鍋爐給水、過熱超高壓蒸汽、過熱稀釋蒸汽等，以提高裂解爐總的熱效率。其中，液體進料USC-224U型裂解爐的對流段從上至下由以下盤管組成：①原料預熱盤管;②省煤器;③烴+稀釋蒸汽預熱盤管T1A;④烴+稀釋蒸汽預熱盤管T1B;⑤稀釋蒸汽預熱盤管（DS）;⑥超高壓蒸汽過熱盤管S1;⑦超高壓蒸汽過熱盤管S2;⑧烴+稀釋蒸汽預熱盤管T2。對于輕質裂解原料，經過稀釋蒸汽預熱盤管（DS）過熱的稀釋蒸汽在外部混合器中與來自原料預熱盤管預熱后的烴混合，混合后的烴+稀釋蒸汽重新進入對流段，并在烴+稀釋蒸汽預熱盤管T1預熱，再進入烴+稀釋蒸汽預熱盤管T2進一步加熱。對于重質原料進料，稀釋蒸汽分兩次注入到烴原料中。首先將約占需求總量25%的稀釋蒸汽注入來自原料預熱盤管的烴進料中，混合物在烴+稀釋蒸汽預熱盤管T1中進一步加熱。其余75%的稀釋蒸汽在重質進料混合器中與從烴+稀釋蒸汽預熱盤管T1出來的混合物再混合，以保證重質烴在進入烴+稀釋蒸汽預熱盤管T2進行最后加熱前完全氣化。

4.3 主要材料選用說明

4.3.1 爐管系統

輻射段入口管的設計金屬壁溫分別為1090℃（重質進料裂解爐）和1010℃（輕質進料裂解爐），出口管的設計金屬壁溫為1100℃，爐管設計壽命10萬h，入口管和出口管分別選用有良好抗滲碳、耐高溫、抗氧化性能的HP-M離心鑄造管和35Cr-45Ni離心鑄造管。輻射段入口集合管位于爐外，因此選用A312-TP304H可以滿足要求，爐管示意圖如圖2。對流段最下面三排的遮蔽段盤管，由于受高溫煙氣的輻射及較強的對流傳熱，因此分別選用耐高溫的B407N08811（Incoloy800HT）及A312-TP304H的光管。其余盤管，依溫度和壓力的不同，依次選用SA/A312TP347H翅片管，SA/A312TP304H翅片管、鉻鉬鋼及碳鋼翅片管。

4.3.2 燃燒器

裂解爐的燃燒器全部采用底燒的設計，每臺裂解爐配有64個自吸式的低NOx排放的燃燒器，每個爐膛內的32個燃燒器分兩排平行布置于輻射段爐管兩邊，即每臺裂解爐共有四排燃燒器，每排布置16個。

正常操作條件下的燃料以自產的甲烷/氫為主，不足部分以煉廠氣來補充。燃燒器前設置空氣預熱器，利用急冷水提高助燃空氣的溫度，以節省燃料。

4.3.3 引風機

乙烯裂解爐對流段出口設置變頻引風機，并在風機入口設置調節擋板，爐膛壓力通過變頻調節的引風機控制。

4.3.4 爐襯系統

裂解爐襯里的設計原則為：在無風、環境溫度為30℃條件下，爐子外壁溫度不超過90℃，輻射段爐底和爐頂的外壁溫度不超過85℃。裂解爐輻射段下部一定高度范圍內爐墻采用輕質隔熱耐火磚砌筑，上部爐墻及爐頂襯里選用容重低、導熱系數低的陶瓷纖維模塊與陶纖毯結構。輻射段爐底及過渡段襯里選用耐火磚加澆注料加陶纖板結構。對流段則采用耐火澆注料加纖維背襯板結構。

4.4 技術特點

該爐型具有高選擇性、停留時間短、運行穩定、原料適應性強等特點。①爐管采用了較小的管徑，較短的管長，縮短了停留時間（約0.2秒），乙烯和丙烯的選擇性好、壓降小、且操作周期長;②輻射段爐管穿出爐頂處，采用蓋板可拆卸型遮蔽箱，保溫效果好，減少了熱損失;裂解爐采用陶纖耐火保溫設計，熱效率高達95%;③更適應原料的多樣性來源，加氫尾油等采用二次注入稀釋蒸汽，以保證液體原料全部在對流段盤管外氣化，防止對流段盤管結焦，保證裂解爐運行周期。得到更好的傳熱和裂解效果;④采用高效的超低NOx底部燒嘴（NOx<90mg/Nm3），燃燒充分，且符合環保排放要求;⑤液體爐設計有獨立爐膛清焦功能，每個爐膛需要時可單獨清焦，提高了爐子的整體使用率;⑥裝置自產的高低熱值的甲烷/氫全部用做裂解爐燃料，燃燒效率高，損失少。采用先進的控制系統，根據爐管出口溫度，燃料氣熱值等參數控制燃料氣消耗量，并達到減少燃料消耗的目的。通過空氣預熱器用急冷水將進入爐膛的空氣預熱，可以減少燃料氣消耗，經過空氣預熱器后的急冷水溫度降低，可以節省循環冷卻水用量;⑦采用SLE線性極冷換熱器，使高溫裂解產物快速冷卻，減少二次反應，延長清焦周期。并可以回收利用裂解氣的高位熱能，最大限度產生有價值的超高壓蒸氣;SLE入口采用獨特的渦流結構設計，減小了SLE壓差，減輕了焦粒的沖刷，避免結焦，換熱效果更好，操作周期更長;⑧清焦氣設計為可以返回裂解爐爐膛燒焦，不僅可以有效減少含焦粉顆粒的空氣的排放，還可以利用高溫燒焦空氣，提高燃料氣在爐膛的燃燒效率，同時也減少了因降溫需要噴入燒焦空氣的新鮮水量，較少污水排放量，節省能量;⑨通過設計空氣預熱器充分利用急冷水熱量，間接降低循環冷卻水的使用量。通過使用空氣預熱器可以節省燃料氣量為1.8t/h，降低裝置能耗在0.012tce/t乙烯產品。

5 裂解爐發展趨勢展望

裂解反應的條件要求較高，根據裂解反應的特點，筆者認為裂解爐的性能指標要向以下方向發展：①要在較短時間內給反應物料供給大量的熱，爐管傳熱性能要更好、爐體更節能;②要使系統處于高溫、短停留時間下，爐管流體特性要更好，這樣更有利于生成烯烴的一次反應進行;③高溫裂解氣要在很短時間內將迅速降溫，急冷系統效果要更好，這樣才能快速終止二次反應;④由于低分壓更有利于生成烯烴，所以在原料烴中配入水蒸汽或其他氣體作為稀釋劑，爐管管徑趨向于不同徑設計以調整管內壓強使反應向有利于產物發展。防結焦劑額添加也是一種趨勢。

如果能在以上幾點做足創新創造，相信我國的乙烯裂解爐裝備技術水平定會走在國際領先行列。

參考文獻：

[1] SH/T3511-2007.石油化工乙烯裂解爐和制氫轉化爐施工技術規程[S].中華人民共和國國家發展和改革委員會，2007.

作者簡介：

魏智廣，男，碩士學歷，河北滄州人，上海卓然工程技術股份有限公司。