乙烯裂解炉选型及USC-224U型裂解炉性能特点分析

摘 要：阐述了乙烯裂解炉的类型及构造及原理，评价了浙石化乙烯裂解炉的性能优越性，重点描述了某石化百万吨乙烯所使用的USC-224U型乙烯裂解炉的设计构造并进行了特性分析，最后对乙烯裂解炉的发展方向进行了分析预测。

关键词：乙烯裂解炉;选型;炉管;辐射室;对流室

1 引言

近年來，中国乙烯消费迅速增长，国内乙烯行业迎来大发展，众多百万吨乙烯项目纷纷上马，中国或将超越美国成为世界第一大乙烯生产国。同时，国内乙烯生产装备技术也在迅猛发展，乙烯裂解炉作为乙烯生产装置的核心设备，其生产能力及技术的高低，直接影响着整个乙烯生产装置的规模、产量及产品品质，所以乙烯裂解炉在乙烯生产乃至整个石油化工生产中都起到了龙头作用。乙烯裂解炉的专利技术种类繁多，如何进行炉型选型及专利商选择困扰着项目投资人及技术工作者。本文旨在介绍裂解炉选型的关键因素及评价指标，并介绍了某石化项目使用的USC-224U型裂解炉性能构造特点。

2 乙烯裂解炉原理

裂解炉一般结构主要分为几大部分，分别是辐射段、急冷锅炉、对流段、烟囱、燃烧器等，如图1。辐射段包含裂解炉管与燃烧器，燃烧器安装在炉膛的侧壁或底部，辐射炉管被燃烧器的火焰辐射加热;对流段的作用是回收高温烟气热量;急冷锅炉的主要作用是快速冷却裂解气，从而抑制二次反应的发生，并回收高温裂解气的热量。裂解炉管悬挂在辐射段中央。是管式裂解炉的核心部分，裂解炉管的形状及尺寸随炉型而变化。炉管中的裂解原料发生裂解反应，裂解产物离开反炉管后立即进入急冷系统。裂解原料先在裂解炉的对流段升温，到一定温度后与稀释剂混合继续升温到610～650℃，然后通过进入裂解炉的辐射段并急速升温到反应温度约850℃，并发生裂解反应，最后裂解产物通过急冷换热器被高压水骤冷以中止反应并产生10～12MPa的高压蒸汽，从而回收热能。急冷锅炉随裂解炉型不同而有所不同。

3 典型乙烯裂解炉性能比较

从原料上分乙烯裂解炉可分为气体裂解炉和液体裂解炉;从结构上可分为双单炉膛裂解炉、炉膛裂解炉;从燃烧器布置上可分为、全侧烧裂解炉、全底烧裂解炉以及底烧侧烧联合裂解炉;从专利商的角度可分为CBL型裂解炉（中国石化）、SRT型裂解炉（LUMMUS）、USC型裂解炉（STONE-WEBSTER）、Pyrocrack型裂解炉（LINDE）、USRT炉（Kellogg和日本出光）等。

3.1 炉型优缺点评价

这些炉型的一个共同特点是都可以称为管式炉：反应管吊在辐射室中央，由底部烧嘴进行双面辐射加热。物料由下部进入上部离开并迅速进入专用的USX型急冷锅炉，每两根反应管合用一个USX，多个USX合接一个二次急冷锅炉。

3.1.1 CBL型裂解炉

该炉型是中国石化自有的CBL裂解技术，有四大创新亮点：规模最大，该炉型气体裂解炉最大做到了20万t/a，当裂解原料为乙烷时乙烯产能可达20万t/a;气、液通吃。气体液体原料都能很好消化，适应性更强;双炉膛结构。可实现分炉膛裂解和烧焦，减少了装置波动;技术环保。独特的脱硝工艺使氮氧化物排放浓度降低了约70mg/Nm3。该炉型如能更好处理液体进料所产生烧焦问题，其产能可进一步提高。

3.1.2 SRT型裂解炉

该炉属于短停留时间管式炉，已发展到第六代，其优点：实现了高温、短停留、低烃分压裂解。采用双面辐射的单排管，能最大限度地接受辐射热量;结构布置合理、温度均布。辐射室底部及侧壁均有均匀分布的加热烧嘴，使炉管周边温度均匀，管上下温差小;炉管能可自由伸长缩短，不因温度效应变形;炉管吊件设置在上部隔热层内，避免了高温辐射;在裂解管出口即接急冷换热器，使裂解气更快急冷，减少了二次反应发生。不足之处是操作周期长。

3.1.3 USC型裂解炉

该炉型又称超选择性裂解管式炉，优点：①采用多组小口径裂解炉管，双面辐射加热，炉管比表面较大，热强度高且加热均匀，从而实现了小于0.3秒的短停留时间;②使用变径炉管以降低反应过程的烃分压。短的停留时间和低的烃分压使裂解反应具有良好的选择性。

3.1.4 USRT炉

该炉型又称毫秒裂解炉，优点是热通量大，可使原料在极短时间内加热至高温（裂解气出口温度可达850～880℃）;且因裂解炉管是一程，没有弯头，阻力降小，烃分压低，乙烯收率比其他炉型要高。缺点是炉管多，流量不易平均分配。若采用猪尾管来分配流量，效果较好。

3.1.5 Pyrocrack型裂解炉

LINDE公司开发了Pyrocrack系列裂解炉，该型裂解炉通常为双辐射室、单对流室结构。为了适应不同的原料采用了Pyrocrack1-1、Pyrocrack2-2、Pyrocrack4-2等类型炉管。其中Pyrocrack1-1选择性高，停留时间短，烯烃选择性高。该炉型存在的问题是需要进一步高单炉处理能力。

3.2 炉型的选择

裂解炉炉型应根据热负荷、介质物性、阻力降、各种操作工况下主要技术参数、燃料性质、环境保护要求，以操作弹性大、热效率高、运行平稳可靠、操作周期长、安装及检修维护方便、投资省、占地面积小、根据运输极限最大化预制为基本原则，并结合场地条件和余热回收系统的要求进行选择。且应符合下列要求：①炉管传热好，反应温度满足裂解要求、节能要求;②炉管内停留时间短、裂解反应烯烃选择性好、产能高;③对流段、急冷系统传热效率高、效果好;④物料系统内结焦少、操作周期长。

4 USC-224U型超选择性液体裂解炉特点

4.1 背景介绍

某石化140万t/a乙烯的炼化一体化项目，采用美国T-SW公司先进的乙烯裂解工艺专利技术，并使用其USC-224U型超选择性液体裂解炉。主要产品有聚合级乙烯和聚合级丙烯等。该乙烯工程由上海卓然工程技术股份有限公司总承包，并供应裂解炉及配件，预计2020年底建成投产。

4.2 USC-224U型裂解炉构造特点

USC-224U型超选择性液体裂解炉由辐射室、对流室、引风机及烟囱组成，辐射室为双炉膛结构，每个炉膛中有112组U型炉管一字形垂直排列，燃烧器布置于炉底管排的两侧，形成单管排双面辐射立管箱式炉。对流段位于两个辐射室中间的上部。对流段之上依次是引风机和烟囱。原料和稀释用蒸汽经对流段混合预热后，经过横跨管进入辐射段进行加热裂解，产生乙烯﹑丙烯及其他副产品。

4.2.1 辐射段

裂解炉设两个炉膛，每个炉膛内悬挂单排112根炉管。炉管的进口管内径50mm，出口管内径50mm，停留时间约0.2秒。辐射出口管采用适当扩大直径的设计。原料烃和稀释蒸汽的混合物在对流段预热后由横跨管分别引入辐射段入口集合管中，每根横跨管连接两个集合管，每个集合管再通过配有文丘里的辐射管将裂解原料输送到炉膛中进行加热裂解。对于重质进料裂解炉，每两个辐射管出口管通过一个Y型件合二为一后与选择性线性换热器（SLE）相连。对于轻质进料裂解炉，辐射管出口管直接与SLE相连。入口炉管用恒力弹簧垂直悬挂于钢结构框架上，出口管直接同急冷器SLE相连。辐射炉管可自由向下膨胀。

4.2.2 对流段

裂解炉的对流段用于回收离开炉膛的高温烟气的余热，这些热量用于预热原料和锅炉给水、过热超高压蒸汽、过热稀释蒸汽等，以提高裂解炉总的热效率。其中，液体进料USC-224U型裂解炉的对流段从上至下由以下盘管组成：①原料预热盘管;②省煤器;③烃+稀释蒸汽预热盘管T1A;④烃+稀释蒸汽预热盘管T1B;⑤稀释蒸汽预热盘管（DS）;⑥超高壓蒸汽过热盘管S1;⑦超高压蒸汽过热盘管S2;⑧烃+稀释蒸汽预热盘管T2。对于轻质裂解原料，经过稀释蒸汽预热盘管（DS）过热的稀释蒸汽在外部混合器中与来自原料预热盘管预热后的烃混合，混合后的烃+稀释蒸汽重新进入对流段，并在烃+稀释蒸汽预热盘管T1预热，再进入烃+稀释蒸汽预热盘管T2进一步加热。对于重质原料进料，稀释蒸汽分两次注入到烃原料中。首先将约占需求总量25%的稀释蒸汽注入来自原料预热盘管的烃进料中，混合物在烃+稀释蒸汽预热盘管T1中进一步加热。其余75%的稀释蒸汽在重质进料混合器中与从烃+稀释蒸汽预热盘管T1出来的混合物再混合，以保证重质烃在进入烃+稀释蒸汽预热盘管T2进行最后加热前完全气化。

4.3 主要材料选用说明

4.3.1 炉管系统

辐射段入口管的设计金属壁温分别为1090℃（重质进料裂解炉）和1010℃（轻质进料裂解炉），出口管的设计金属壁温为1100℃，炉管设计寿命10万h，入口管和出口管分别选用有良好抗渗碳、耐高温、抗氧化性能的HP-M离心铸造管和35Cr-45Ni离心铸造管。辐射段入口集合管位于炉外，因此选用A312-TP304H可以满足要求，炉管示意图如图2。对流段最下面三排的遮蔽段盘管，由于受高温烟气的辐射及较强的对流传热，因此分别选用耐高温的B407N08811（Incoloy800HT）及A312-TP304H的光管。其余盘管，依温度和压力的不同，依次选用SA/A312TP347H翅片管，SA/A312TP304H翅片管、铬钼钢及碳钢翅片管。

4.3.2 燃烧器

裂解炉的燃烧器全部采用底烧的设计，每台裂解炉配有64个自吸式的低NOx排放的燃烧器，每个炉膛内的32个燃烧器分两排平行布置于辐射段炉管两边，即每台裂解炉共有四排燃烧器，每排布置16个。

正常操作条件下的燃料以自产的甲烷/氢为主，不足部分以炼厂气来补充。燃烧器前设置空气预热器，利用急冷水提高助燃空气的温度，以节省燃料。

4.3.3 引风机

乙烯裂解炉对流段出口设置变频引风机，并在风机入口设置调节挡板，炉膛压力通过变频调节的引风机控制。

4.3.4 炉衬系统

裂解炉衬里的设计原则为：在无风、环境温度为30℃条件下，炉子外壁温度不超过90℃，辐射段炉底和炉顶的外壁温度不超过85℃。裂解炉辐射段下部一定高度范围内炉墙采用轻质隔热耐火砖砌筑，上部炉墙及炉顶衬里选用容重低、导热系数低的陶瓷纤维模块与陶纤毯结构。辐射段炉底及过渡段衬里选用耐火砖加浇注料加陶纤板结构。对流段则采用耐火浇注料加纤维背衬板结构。

4.4 技术特点

该炉型具有高选择性、停留时间短、运行稳定、原料适应性强等特点。①炉管采用了较小的管径，较短的管长，缩短了停留时间（约0.2秒），乙烯和丙烯的选择性好、压降小、且操作周期长;②辐射段炉管穿出炉顶处，采用盖板可拆卸型遮蔽箱，保温效果好，减少了热损失;裂解炉采用陶纤耐火保温设计，热效率高达95%;③更适应原料的多样性来源，加氢尾油等采用二次注入稀释蒸汽，以保证液体原料全部在对流段盘管外气化，防止对流段盘管结焦，保证裂解炉运行周期。得到更好的传热和裂解效果;④采用高效的超低NOx底部烧嘴（NOx<90mg/Nm3），燃烧充分，且符合环保排放要求;⑤液体炉设计有独立炉膛清焦功能，每个炉膛需要时可单独清焦，提高了炉子的整体使用率;⑥装置自产的高低热值的甲烷/氢全部用做裂解炉燃料，燃烧效率高，损失少。采用先进的控制系统，根据炉管出口温度，燃料气热值等参数控制燃料气消耗量，并达到减少燃料消耗的目的。通过空气预热器用急冷水将进入炉膛的空气预热，可以减少燃料气消耗，经过空气预热器后的急冷水温度降低，可以节省循环冷却水用量;⑦采用SLE线性极冷换热器，使高温裂解产物快速冷却，减少二次反应，延长清焦周期。并可以回收利用裂解气的高位热能，最大限度产生有价值的超高压蒸气;SLE入口采用独特的涡流结构设计，减小了SLE压差，减轻了焦粒的冲刷，避免结焦，换热效果更好，操作周期更长;⑧清焦气设计为可以返回裂解炉炉膛烧焦，不仅可以有效减少含焦粉颗粒的空气的排放，还可以利用高温烧焦空气，提高燃料气在炉膛的燃烧效率，同时也减少了因降温需要喷入烧焦空气的新鲜水量，较少污水排放量，节省能量;⑨通过设计空气预热器充分利用急冷水热量，间接降低循环冷却水的使用量。通过使用空气预热器可以节省燃料气量为1.8t/h，降低装置能耗在0.012tce/t乙烯产品。

5 裂解炉发展趋势展望

裂解反应的条件要求较高，根据裂解反应的特点，笔者认为裂解炉的性能指标要向以下方向发展：①要在较短时间内给反应物料供给大量的热，炉管传热性能要更好、炉体更节能;②要使系统处于高温、短停留时间下，炉管流体特性要更好，这样更有利于生成烯烃的一次反应进行;③高温裂解气要在很短时间内将迅速降温，急冷系统效果要更好，这样才能快速终止二次反应;④由于低分压更有利于生成烯烃，所以在原料烃中配入水蒸汽或其他气体作为稀释剂，炉管管径趋向于不同径设计以调整管内压强使反应向有利于产物发展。防结焦剂额添加也是一种趋势。

如果能在以上几点做足创新创造，相信我国的乙烯裂解炉装备技术水平定会走在国际领先行列。

参考文献：

[1] SH/T3511-2007.石油化工乙烯裂解炉和制氢转化炉施工技术规程[S].中华人民共和国国家发展和改革委员会，2007.

作者简介：

魏智广，男，硕士学历，河北沧州人，上海卓然工程技术股份有限公司。