乙烯裂解炉技术进展

王勇,沈玉革 ,刘毅庆

摘要：乙烯是石油化工的基本原料，乙烯装置是石油化工生产的核心。裂解炉是乙烯装置最关键的设备，通过乙烯裂解炉可将天然气等各类原材料加工成裂解气，并最终制备成乙烯、丙烯及各种副产品。扭曲片合金管是乙烯裂解炉中的重要部件，通过扭曲片管的强化传热作用，可以增强裂解炉内气体的流速，减少结焦倾向。它一方面可以降低乙烯裂解生产过程中的能耗，另一方面可以提高炉管的使用寿命，降低清焦周期，为企业带来更高的经济效益。

关键词：乙烯；裂解炉技术；节能

关键词:乙烯裂解炉；辐射段炉管；急冷锅炉；燃烧器

引言：

石化工业是推动社会经济稳健发展的基础，在当前国内的石化行业中生产出来的乙烯产品对其他工业企业的生产制造都有重大影响，并且乙烯也是世界上基础的化工原料。在全国内乃至世界有近70%的石化产品都是由乙烯制造成的，因而，一个国家乙烯生产制造水平就会反映出这个国家的化工实力。乙烯裂解设备是乙烯化工业的核心设施，如生产制造中使用的乙烯气体、丙烯气体，都是由该乙烯设备来生产制造。裂解炉也是整个乙烯气体制造装置的核心部件，对裂解炉的持续改进优化，它对整个乙烯设施操作，起着关键经济性影响作用。乙烯裂解炉技术会向着大型化、新材料，采用新型燃烧器等多个方面发展。

一、裂解炉的大型化

伴随着国内石化行业快速发展，市场上对于乙烯产品需求量在日益增加，乙烯生产设施规模持续扩大。在本世纪初，全世界上，已经有了日均产量达到百万吨级的设施，在全球上最大的乙烯生产装置已经在加拿大建成，大型乙烯生产设施能够提高乙烯产量和生产效率。目前，国内以气态烃作原料的单独生产能力，已经达到了20万吨，每天以液态烃对原料的裂解炉生产量可以达到18万吨。仅仅依靠扩大裂解炉设备数量，来扩大该设施设备的装置规模，很难起到必要的规模效应。裂解炉的大型化，可以节约大量投资，减少占地面积，减少操作人员，使得操作更加便捷，维修操作的费用也显著降低，这将有利于设备优化控制，使得生产成本大幅度下降。大型裂解炉设计概念也极大激发了乙烯工程技术发展，有些技术简单放大，不能够适应当前产品生产能力大幅度提高的技术要求，因而有很多的开发商已经投入大量资金组织一些技术人员去研制规模比较小，但是能够适用于不同类型的大型生产设施的设备，如双辐射段共用型的对流连接流设备及对流段辐射段不太等长大型轴，及双排辐射管道的液体炉设备[1]。

二、炉型结构和炉管材料

烃类液体的产品筛选率进一步提升，主要是现有反应炉的设施逐步改进，过去裂解炉使用都是箱式炉体，反应管道多为单面辐射水平来布置，但是会出现的受热不够均匀，而且由于支架金属的耐热程度偏低，限制了裂解炉向着高温、短停留时间和低氢分压的方向发展，石脑油裂解温度低于800度，停留时间会长达一秒，炉管长达100多米，因而，裂解选择性偏低，及产品回收率不超过20%。

在上个世纪60年代，美国石油化工企业研制出来了垂直悬吊立管的双面管状液体炉设施，这会提高炉体内部设备受热的均匀程度，而且也能够使得裂解化学反应的温度进一步提升，气体停留时间被压缩，裂解条件得到了有效的改进。在20世纪60年代，已逐步将立管式的液体炉替代了过去水平式的管箱，裂解炉使得液体技术得到显著的突飞猛进的发展。第1代就是裂解炉管径比表面积等径多长不分的主管构型，尽管该技术水平有了很大的提升，但是石脑油的裂解停留的时间仍然在0.5米左右，液体温度大多为800度都820度不等，这类技术指标相对不够，对材料适应性能相对较差。因而，在70年代，许多公司就逐步向市场推出了4~6成的分支变性合并及部分的炉管构件停留的时间被压缩在0.5秒范围内，液体温度进一步提高到820度。原料的生性能也得到显著的改进，在80年代后，石油化工设备的制造厂商将该设备的裂解温度提高到了850度到900度之间，使气体的停留时间长达0.25秒。裂解温度达到900度的单层小直径，乙烯的裂解选择性大幅度的提升，乙烯回收率达到了近35%。而且原材料消耗幅度大幅度的下滑，炉管内部材料的温度由过去70年代的1070度上升到1200度[2]。

国内的北京化工研究所和中科院金属所共同研制出来了无源赤片管，该反应设备以石脑油和烃基为由作为原料，取得了更好的应用效果。美国和日本公司纷纷研制出来的新型设备，在管道，能够提高设备内部的传热效果，而且进一步能够延长管炉的使用寿命，降低了管炉内部结焦能力，提高回收效率[3]。

美国国家实验室研制出新型的材料，与过去时普通的镍铬不锈钢管炉管材料相比。新开发出来的材料在抑制结焦、防渗、碳性等方面都提高了一个数量等级，而且这种材料炉管在表面上有一层厚度。在3.2毫米的氯化物覆盖层油管的制造期间也是通过挤出铸造，将氯化物掺杂到炉管内部。美国也有相关的石油化工公司研制新型炉管材料，还有研制陶瓷裂解炉的管材，该技术也得到了美国政府的认可，开发类似陶瓷裂解炉技术，还有的德国公司，我国也有相关企业在研究。

三、抑制结焦和炉管涂层技术

乙烯烃类在段炼的炉管设备内产生化学反应也，会在炉管表面结焦，其中结焦的原理有两种类型，第1种就是原料烃在裂解期间会发生结合型的反应，进而生成乙烯气体。这会进一步转变为稠环方向，由液体胶，转变为烃质气体，最终就会脱氢形成碳粒。乙烯自由基形成的片状烃，在高温条件下，也会焦化成为焦炭。有关研究学者提出了结焦机理，催化结焦发生，在干净的炉管表层，在铁和镍的催化剂作用之下，使得烃类脱氢就会形成结焦，逐渐结在钢炉的表面，覆盖在炉管表层。在其表面上，会反应形成焦油，并且会形成无孔型胶，随着时间的推移，焦层就会逐步增厚[4]。

工作人员还要定期给裂解炉清焦，以此去提高裂解炉的使用寿命，也提高了设备运转效率，一些裂解炉的生产制造厂商和研究单位在寻找延长液体炉的运转周期的相关措施，其普遍方法就是在辐射段内的炉管表头上特定的图层来抑制和减弱结焦，能够进一步延长设备运转的时间周期。目前，石油化工设备制造厂商，使用的异质结焦技术，大多数都是基于降低结焦的效率，减少一些结焦前期物质。在原料中，会掺杂二甲基硫或硫化氢气体，使用结焦的抑制剂。在炉管表面上，涂抹上硫铝铬镁等相应的材料，还要在炉管表面及时地进行预处理。

结束语

裂解炉是石油化工产业乙烯生产的核心设备，而主体管道则是裂解炉的主要结构组成，只有保证裂解炉主体管道安装技术的科学性，提升安装质量，才能够保证石油化工企业乙烯生产工作的顺利进行，推动石油化工企业发展。

参考文献

[1]余德江,张磊,王金柱,邹玉军,杨健.乙烯装置SRT-Ⅳ型裂解炉的节能提标技术改造[J].乙烯工业,2019,31(02):47-51+6.

[2]彭志平,乙烯裂解炉炉管智能监测关键技术及应用.广东省,广东石油化工学院,2019-06-10.

[3]阮宗琳,王宽岭,李勇,齐慧敏.乙烯裂解炉烟气SCR脱硝工艺研究与应用[J].安全、健康和环境,2018,18(10):46-50.

[4]张凡.乙烯裂解炉内燃烧、流动、传热及裂解反应特性数值模拟研究[D].中国石油大学（北京）,2017.

[5]许江,马艳捷,黄剑锋,田亮,景媛媛,穆珍珍,宋帮勇,杨利斌.乙烯裂解装置的节能增效技术分析[J].能源化工,2017,38(01):17-21.