CN106635123B - 采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉 - Google Patents

采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，包括：用于限定辐射腔的辐射腔炉衬；设置在所述辐射腔内的炉管组件；以及用于向辐射腔内提供热辐射的多个燃烧器；其中所述燃烧器采用富氧空气助燃，并且所述炉管组件采用多程炉管。本发明从炉管设计及采用富氧燃烧两个方面考虑，使竖向进口管比竖向出口管更靠近燃烧器，不仅能够保证热量会优先传递给急需热量的竖向进口管，同时，并排布置的竖向进口管和竖向出口管能节约空间，此外由于富氧空气助燃，使相对远离燃烧器的竖向出口管也能获得足够的热量继续反应，因此本发明能够提高裂解炉的热效率，降低排烟损失，促进裂解炉的节能。

Description

采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉
技术领域
本发明涉及一种裂解炉，尤其是一种采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉。
背景技术
乙烯、丙烯和丁二烯等低碳烯烃是石油化学工业的重要基础原料。目前，生产低碳烯烃的方法以管式炉石油烃蒸汽裂解工艺为主。据统计，世界上大约99％的乙烯、50％以上的丙烯和90％以上的丁二烯通过该工艺生产。
管式炉石油烃蒸汽裂解工艺的核心设备是管式裂解炉(以下简称“裂解炉”)，裂解原料如乙烷、丙烷、石脑油以及加氢尾油在裂解炉中被加热到高温时，会发生碳链断裂化学反应，生成低碳烯烃如乙烯、丙烯和丁二烯等。但是，热裂解反应过程十分复杂，除了目的产物低碳烯烃外，同时还会发生脱氢、异构化、环化、叠合和缩合等副反应，生成其他副产物。因此，如何控制反应条件，使反应产物中目的产物低碳烯烃最多是该领域一直研究的课题。
国内外的长期研究结果表明，原料烃类在高温、短停留时间、低烃分压的条件下对生成烯烃是有利的。在反应的初期，从压降方面看，由于反应的转化率较低，管内流体体积增大不多，管内流体的线速度也增大不多，较小的管径不会引起压降增加太多，不会严重影响平均烃分压增加；从热强度方面看，由于原料急剧升温，吸收大量热量，所以要求热强度大，较小的管径可使比表面积增加，从而满足要求；从结焦趋势看，由于转化率较低，二次反应尚不能发生，结焦速率较低，较小的管径也是允许的。在反应的后期，从压力降方面看，由于此时转化率较高，管内流体体积增大较多，同时，流体的线速度也急剧上升，较大管径比较适合；从热强度方面看，由于转化率已经较高，热强度开始减小，较大的管径不会显著影响传热效果；从结焦趋势方面看，由于转化率较高，二次反应较多，结焦速率增加，较大的炉管管径能够保证炉管通畅且不至于造成太大的压降。综上所述，一般而言，我们会在设计裂解炉管时在裂解炉管的入口(即反应初期)采用较小的管径，在裂解炉管的出口采用较大的管径。
为了实现“高温、短停留时间和低烃分压”的目标，几乎所有构型的新炉管均采用了缩短管长的方法，如lummus公司将管长由八程73m缩短到两程25m左右；石伟公司将管长由四程45m改为两程21m；KTI公司将管长由四程46m缩短到两程23m，停留时间也随之由0.5s以上降低至0.15～0.25s。
世界上开发乙烯管式裂解炉技术的专利商有ABB Lummus Global、Technip、Stone&Webster、Linde、KBR和Sinopec公司等，并且已经占据乙烯裂解技术的主导地位。目前，这些技术专利商都十分注重乙烯裂解炉新型技术的研究与开发，辐射段炉管的设计研究就是重要研究方向之一，辐射段盘管的设计是决定裂解选择性和提高裂解产品收率的关键步骤，改变辐射盘管的结构和排布，例如不分支变径、分支变径、单程等径等不同结构的辐射炉管已经成为炉管优化的重要方向。
从裂解炉炉管的角度看，在反应的初期，由于原料急剧升温，吸收大量热量，所以要求热强度大，较多较小的管径可使比表面积增加，从而满足要求；在反应的后期，由于转化率已经较高，热强度开始减小，较少较大的管径不会显著影响传热效果。综上所述，一般而言，在设计裂解炉管时在裂解炉管的入口(即反应初期)采用较多较小的管径，在裂解炉管的出口采用较少较大(即反应末期)的管径。
从裂解炉的传热角度看，在裂解炉的炉膛内，燃料气(主要是甲烷和氢)燃烧提供热量，这些热量通过辐射传热和对流传热进入炉管。通常裂解炉都采用燃料气与空气的混合燃烧来提供裂解反应所需的热量。一般而言，燃烧反应是燃料中的可燃分子与氧分子之间发生高能碰撞而引起的，所以氧的供给状况决定了燃烧过程。
传统的裂解炉一般采用空气作为助燃气体，由于空气中氧气含量仅有21％，大部分为氮气，因此在燃烧过程中，燃料气的燃烧速度较慢，燃烧火焰较长，在裂解炉膛的高度方向，炉膛温度呈曲线分布，在炉膛底部供热量少，炉膛中部则供热量最多，炉膛上部供热量开始降低。对于多程炉管的裂解炉，由于其停留时间较长，炉膛供热与炉管吸热之间的矛盾尚不突出，对于单程炉管，这一矛盾便凸显出来，在炉管的入口端，物料继续快速升温，继续大量的热量，然而传统燃烧***的底部供热量较少；而在炉管出口端，物料的结焦速率急剧增加，需要控制二次反应的发生，然而传统燃烧***的中上部供热量开始达到最大。也就是说，在燃烧***和单程炉管之间存在一个匹配的问题。
如果采用比空气含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，相比于空气燃烧而言，具有较多优点：一是由于辐射换热是裂解炉传热的主要方式，按照气体辐射的特点，只有三原子气体和多原子气体具有辐射能力，双原子气体几乎没有辐射能力，常规空气助燃的情况下，无辐射能力的氮气所占比例很高，烟气的黑度很低，影响了烟气对炉管管排的辐射传热过程。采用富氧空气助燃，因氮气含量少，空气量和烟气量均显著减少，故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，进而提高火焰辐射强度和强化辐射传热；二是采用富氧空气助燃，燃烧的火焰变短，燃烧强度提高，燃烧速度加快，这样将有助于燃烧反应完全，提高燃料的使用效率，进而提高裂解炉的热效率；三是采用富氧空气助燃，可以适当降低过剩空气系数，减少排烟体积，减少燃烧后的烟气量，进而降低排烟损失，促进裂解炉的节能。
本发明就是从炉膛燃烧和炉管设计两个方面考虑，发明一种超高选择性的裂解炉，其炉膛燃烧的特性与炉管设计特性相匹配，进而发挥出各自的最大优势，得到一个具有适当运行周期、选择性高、热效率高、能耗低的新型裂解炉。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高燃烧气的燃烧速度，提高裂解炉的热效率，降低排烟损失并使裂解炉更加节能的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉。
为达上述目的，本发明提供一种采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，包括：
用于限定辐射腔的辐射腔炉衬；
设置在所述辐射腔内的炉管组件；以及
用于向辐射腔内提供热辐射的多个燃烧器；
其中：所述燃烧器采用富氧空气助燃，并且所述炉管组件采用多程炉管。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，所述多程炉管为两程炉管，且所述两程炉管包括相连通的竖向进口管和竖向出口管，所述竖向进口管比所述竖向出口管更加靠近所述燃烧器。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，所述燃烧器位于辐射腔的底部和/或侧壁上。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，所述富氧空气浓度的体积百分比为25～40％。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，所述富氧空气浓度的体积百分比为27～33％。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，所述竖向进口管与竖向出口管平行布置。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，还包括急冷锅炉，所述竖向出口管设于辐射腔的中央位置并连通所述急冷锅炉。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，设在所述辐射腔底部的燃烧器的数量为2～8个。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，所述燃烧器对称排列。
所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其中，所述富氧空气采用变压吸附或者膜渗透法获得。
本发明的有益效果是：本发明从炉管设计及采用富氧燃烧两个方面考虑，使竖向进口管(一程炉管)比竖向出口管(二程炉管)更为靠近燃烧器，不仅能够保证热量会优先传递给急需热量的竖向进口管，同时，并排布置的竖向进口管和竖向出口管还能有效节约空间，此外由于富氧空气助燃，可以提高火焰辐射强度和强化辐射传热，使相对远离燃烧器的竖向出口管也能获得足够的热量继续反应，因此本发明能够提高裂解炉的热效率，降低排烟损失，促进裂解炉的节能。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为根据本发明的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉的结构示意图。
在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1为根据本发明的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉10的结构示意图。该裂解炉10主要用于加热天然气、炼厂气、原油及石脑油等各类裂解原料，促使裂解原料发生碳链断裂化学反应，生成烃乙烯、丙烯和/或丁二烯等低碳烯及各种副产物。
如图1所示，所述裂解炉10包括：辐射腔2、与辐射腔2相连的且错开式高于辐射腔2的对流腔3和设置在辐射腔2内的炉管组件4、位于辐射腔2的顶部上方且与炉管组件4连通的急冷锅炉6(属于本领域的常规产品)以及能够为辐射腔2提供热量的燃烧器8。
所述辐射腔2由辐射腔炉衬21限定而成形。容易理解的是，对流腔3也可由对流腔炉衬31限定而成形，辐射腔炉衬21与对流腔炉衬31相连通。
在一个优选的实施例中，炉管组件4是2～4程炉管，优选为2程炉管，其包括至少一根竖向进口管(一程炉管)41以及与所述竖向进口管41平行布置并与所述竖向进口管41的底部连通的一根竖向出口管(二程炉管)42，其中所述的竖向进口管(一程炉管)41比竖向出口管(二程炉管)42更加靠近燃烧器8，而所述竖向出口管(二程炉管)42可设于辐射腔2的中央位置并连通所述急冷锅炉6。
所述的炉管组件4可以是1-1型辐射炉管，即竖向进口管(一程炉管)41的数量为一根；或者是2-1型辐射炉管，即竖向进口管(一程炉管)41的数量为两根且对称布置；或者是4-1型辐射炉管，即竖向进口管(一程炉管)41的数量为四根且均匀布置，等等。
在一个优选的实施例中，在辐射腔炉衬21的底部和/或侧壁上设有用于向辐射腔2内提供热辐射的多个燃烧器8。由此，可以提高辐射腔2内的热量。优选的是，设在辐射腔2底部上的燃烧器8位于竖向进口管41与辐射腔炉衬21之间，这样，热量会优先传递给急需热量的竖向进口管(一程炉管)41，同时，由于富氧空气助燃，可以提高火焰辐射强度和强化辐射传热，使相对远离燃烧器的竖向出口管(二程炉管)42也能获得足够的热量继续反应。
所述的炉管组件4的竖向出口管42的内径与所述竖向进口管41的内径之比的范围是：1～2.1。
所述的炉管组件4的竖向进口管41内径的范围是：25mm至60mm。优选入口管内径的范围是：35mm至55mm。
所述的炉管组件4的竖向出口管42内径的范围是：45mm至120mm。优选出口端管口内径的范围是：60mm至95mm。
所述的燃烧***中，底部燃烧器8的供热比例为60～90％，优选为70～85％。
所述的燃烧***中，每组辐射段炉管对应的底部燃烧器8的数量为2～8个，底部燃烧器8位于炉管组件4的两侧，呈对称排列。
所述燃烧器8采用燃烧气与富氧空气的混合来提供裂解反应所需的热量。所述富氧空气采用变压吸附或者膜渗透法获得，所述富氧空气浓度为25～40％(体积百分比，v％)，优选为27-33％(体积百分比，v％)。
采用比空气含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，相比于空气燃烧而言，具有较多优点：一是由于辐射换热是裂解炉传热的主要方式，按照气体辐射的特点，只有三原子气体和多原子气体具有辐射能力，双原子气体几乎没有辐射能力，常规空气助燃的情况下，无辐射能力的氮气所占比例很高，烟气的黑度很低，影响了烟气对炉管管排的辐射传热过程。采用富氧空气助燃，因氮气含量少，空气量和烟气量均显著减少，故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，进而提高火焰辐射强度和强化辐射传热；二是采用富氧空气助燃，燃烧的火焰变短，燃烧强度提高，燃烧速度加快，这样将有助于燃烧反应完全，提高燃料的使用效率，进而提高裂解炉的热效率；三是采用富氧空气助燃，可以适当降低过剩空气系数，减少排烟体积，减少燃烧后的烟气量，进而降低排烟损失，促进裂解炉的节能。
本发明的工作原理是：在裂解过程中，裂解原料首先经过对流腔3进行汽化和预热处理，然后经过辐射腔2中转而进入到炉管组件4内进行裂解反应，当裂解原料的流体进入到各个竖向进口管41时，由于竖向进口管41更为靠近燃烧器8，因此热量会优选传递给急需热量的竖向进口管41，能够迅速提升各竖向进口管41内的温度，提高竖向进口管41内裂解反应的速率。当裂解原料的流体进入到竖向出口管42时，由于富氧空气助燃，可以提高火焰辐射强度和强化辐射传热，使相对远离燃烧器的竖向出口管42也能获得足够的热量继续反应，竖向出口管42能够降低对烃类裂解反应后期的结焦敏感性。裂解之后进入到急冷锅炉6内进行冷却处理。
综上所述，本发明从炉管设计及采用富氧燃烧两个方面考虑，使竖向进口管(一程炉管)41比竖向出口管(二程炉管)42更为靠近燃烧器8，不仅能够保证热量会优先传递给急需热量的竖向进口管(一程炉管)41，同时，并排布置的竖向进口管(一程炉管)41和竖向出口管(二程炉管)42还能有效节约空间，此外由于富氧空气助燃，可以提高火焰辐射强度和强化辐射传热，使相对远离燃烧器的竖向出口管(二程炉管)42也能获得足够的热量继续反应，因此本发明能够提高裂解炉的热效率，降低排烟损失，促进裂解炉的节能。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，包括：
用于限定辐射腔的辐射腔炉衬；
设置在所述辐射腔内的炉管组件；以及
用于向辐射腔内提供热辐射的多个燃烧器；
其特征在于：所述燃烧器采用富氧空气助燃，并且所述炉管组件采用多程炉管；所述多程炉管为两程炉管，且所述两程炉管包括相连通的竖向进口管和竖向出口管，所述竖向进口管比所述竖向出口管更加靠近所述燃烧器；
所述燃烧器位于辐射腔的底部和/或侧壁上；设在辐射腔底部上的燃烧器位于竖向进口管与辐射腔炉衬之间；所述的炉管组件的竖向出口管的内径与所述竖向进口管的内径之比大于1且小于2.1。
2.根据权利要求1所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其特征在于，所述富氧空气浓度的体积百分比为25～40％。
3.根据权利要求1所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其特征在于，所述富氧空气浓度的体积百分比为27～33％。
4.根据权利要求1所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其特征在于，所述竖向进口管与竖向出口管平行布置。
5.根据权利要求1所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其特征在于，还包括急冷锅炉，所述竖向出口管设于辐射腔的中央位置并连通所述急冷锅炉。
6.根据权利要求1所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其特征在于，设在所述辐射腔底部的燃烧器的数量为2～8个。
7.根据权利要求6所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其特征在于，所述燃烧器对称排列。
8.根据权利要求1所述的采用富氧燃烧的多程炉管的裂解炉，其特征在于，所述富氧空气采用变压吸附或者膜渗透法获得。
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