本發(fā)明涉及一種裂解爐，尤其是一種采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐。

背景技術(shù)：

乙烯、丙烯和丁二烯等低碳烯烴是石油化學(xué)工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料。目前，生產(chǎn)低碳烯烴的方法以管式爐石油烴蒸汽裂解工藝為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上大約99％的乙烯、50％以上的丙烯和90％以上的丁二烯通過(guò)該工藝生產(chǎn)。

管式爐石油烴蒸汽裂解工藝的核心設(shè)備是管式裂解爐(以下簡(jiǎn)稱“裂解爐”)，裂解原料如乙烷、丙烷、石腦油以及加氫尾油在裂解爐中被加熱到高溫時(shí)，會(huì)發(fā)生碳鏈斷裂化學(xué)反應(yīng)，生成低碳烯烴如乙烯、丙烯和丁二烯等。但是，熱裂解反應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜，除了目的產(chǎn)物低碳烯烴外，同時(shí)還會(huì)發(fā)生脫氫、異構(gòu)化、環(huán)化、疊合和縮合等副反應(yīng)，生成其他副產(chǎn)物。因此，如何控制反應(yīng)條件，使反應(yīng)產(chǎn)物中目的產(chǎn)物低碳烯烴最多是該領(lǐng)域一直研究的課題。

國(guó)內(nèi)外的長(zhǎng)期研究結(jié)果表明，原料烴類在高溫、短停留時(shí)間、低烴分壓的條件下對(duì)生成烯烴是有利的。在反應(yīng)的初期，從壓降方面看，由于反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率較低，管內(nèi)流體體積增大不多，管內(nèi)流體的線速度也增大不多，較小的管徑不會(huì)引起壓降增加太多，不會(huì)嚴(yán)重影響平均烴分壓增加；從熱強(qiáng)度方面看，由于原料急劇升溫，吸收大量熱量，所以要求熱強(qiáng)度大，較小的管徑可使比表面積增加，從而滿足要求；從結(jié)焦趨勢(shì)看，由于轉(zhuǎn)化率較低，二次反應(yīng)尚不能發(fā)生，結(jié)焦速率較低，較小的管徑也是允許的。在反應(yīng)的后期，從壓力降方面看，由于此時(shí)轉(zhuǎn)化率較高，管內(nèi)流體體積增大較多，同時(shí)，流體的線速度也急劇上升，較大管徑比較適合；從熱強(qiáng)度方面看，由于轉(zhuǎn)化率已經(jīng)較高，熱強(qiáng)度開始減小，較大的管徑不會(huì)顯著影響傳熱效果；從結(jié)焦趨勢(shì)方面看，由于轉(zhuǎn)化率較高，二次反應(yīng)較多，結(jié)焦速率增加，較大的爐管管徑能夠保證爐管通暢且不至于造成太大的壓降。綜上所述，一般而言，我們會(huì)在設(shè)計(jì)裂解爐管時(shí)在裂解爐管的入口(即反應(yīng)初期) 采用較小的管徑，在裂解爐管的出口采用較大的管徑。

為了實(shí)現(xiàn)“高溫、短停留時(shí)間和低烴分壓”的目標(biāo)，幾乎所有構(gòu)型的新爐管均采用了縮短管長(zhǎng)的方法，如lummus公司將管長(zhǎng)由八程73m縮短到兩程25m左右；石偉公司將管長(zhǎng)由四程45m改為兩程21m；KTI公司將管長(zhǎng)由四程46m縮短到兩程23m，停留時(shí)間也隨之由0.5s以上降低至0.15～0.25s。

世界上開發(fā)乙烯管式裂解爐技術(shù)的專利商有ABB Lummus Global、Technip、Stone&Webster、Linde、KBR和Sinopec公司等，并且已經(jīng)占據(jù)乙烯裂解技術(shù)的主導(dǎo)地位。目前，這些技術(shù)專利商都十分注重乙烯裂解爐新型技術(shù)的研究與開發(fā)，輻射段爐管的設(shè)計(jì)研究就是重要研究方向之一，輻射段盤管的設(shè)計(jì)是決定裂解選擇性和提高裂解產(chǎn)品收率的關(guān)鍵步驟，改變輻射盤管的結(jié)構(gòu)和排布，例如不分支變徑、分支變徑、單程等徑等不同結(jié)構(gòu)的輻射爐管已經(jīng)成為爐管優(yōu)化的重要方向。

從裂解爐爐管的角度看，在反應(yīng)的初期，由于原料急劇升溫，吸收大量熱量，所以要求熱強(qiáng)度大，較多較小的管徑可使比表面積增加，從而滿足要求；在反應(yīng)的后期，由于轉(zhuǎn)化率已經(jīng)較高，熱強(qiáng)度開始減小，較少較大的管徑不會(huì)顯著影響傳熱效果。綜上所述，一般而言，在設(shè)計(jì)裂解爐管時(shí)在裂解爐管的入口(即反應(yīng)初期)采用較多較小的管徑，在裂解爐管的出口采用較少較大(即反應(yīng)末期)的管徑。

從裂解爐的傳熱角度看，在裂解爐的爐膛內(nèi)，燃料氣(主要是甲烷和氫)燃燒提供熱量，這些熱量通過(guò)輻射傳熱和對(duì)流傳熱進(jìn)入爐管。通常裂解爐都采用燃料氣與空氣的混合燃燒來(lái)提供裂解反應(yīng)所需的熱量。一般而言，燃燒反應(yīng)是燃料中的可燃分子與氧分子之間發(fā)生高能碰撞而引起的，所以氧的供給狀況決定了燃燒過(guò)程。

傳統(tǒng)的裂解爐一般采用空氣作為助燃?xì)怏w，由于空氣中氧氣含量?jī)H有21％，大部分為氮?dú)?，因此在燃燒過(guò)程中，燃料氣的燃燒速度較慢，燃燒火焰較長(zhǎng)，在裂解爐膛的高度方向，爐膛溫度呈曲線分布，在爐膛底部供熱量少，爐膛中部則供熱量最多，爐膛上部供熱量開始降低。對(duì)于多程爐管的裂解爐，由于其停留時(shí)間較長(zhǎng)，爐膛供熱與爐管吸熱之間的矛盾尚不突出，對(duì)于單程爐管，這一矛盾便凸顯出來(lái)，在爐管的入口端，物料繼續(xù)快速升溫，繼續(xù)大量的熱量，然而傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的底部供熱量較少；而在爐管出口端，物料的結(jié)焦速率急劇增加，需要控 制二次反應(yīng)的發(fā)生，然而傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的中上部供熱量開始達(dá)到最大。也就是說(shuō)，在燃燒系統(tǒng)和單程爐管之間存在一個(gè)匹配的問(wèn)題。

如果采用比空氣含氧濃度高的富氧空氣進(jìn)行燃燒，相比于空氣燃燒而言，具有較多優(yōu)點(diǎn)：一是由于輻射換熱是裂解爐傳熱的主要方式，按照氣體輻射的特點(diǎn)，只有三原子氣體和多原子氣體具有輻射能力，雙原子氣體幾乎沒(méi)有輻射能力，常規(guī)空氣助燃的情況下，無(wú)輻射能力的氮?dú)馑急壤芨撸瑹煔獾暮诙群艿?，影響了煙氣?duì)爐管管排的輻射傳熱過(guò)程。采用富氧空氣助燃，因氮?dú)夂可?，空氣量和煙氣量均顯著減少，故火焰溫度和黑度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高，進(jìn)而提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱；二是采用富氧空氣助燃，燃燒的火焰變短，燃燒強(qiáng)度提高，燃燒速度加快，這樣將有助于燃燒反應(yīng)完全，提高燃料的使用效率，進(jìn)而提高裂解爐的熱效率；三是采用富氧空氣助燃，可以適當(dāng)降低過(guò)?？諝庀禂?shù)，減少排煙體積，減少燃燒后的煙氣量，進(jìn)而降低排煙損失，促進(jìn)裂解爐的節(jié)能。

本發(fā)明就是從爐膛燃燒和爐管設(shè)計(jì)兩個(gè)方面考慮，發(fā)明一種超高選擇性的裂解爐，其爐膛燃燒的特性與爐管設(shè)計(jì)特性相匹配，進(jìn)而發(fā)揮出各自的最大優(yōu)勢(shì)，得到一個(gè)具有適當(dāng)運(yùn)行周期、選擇性高、熱效率高、能耗低的新型裂解爐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高燃燒氣的燃燒速度，提高裂解爐的熱效率，降低排煙損失并使裂解爐更加節(jié)能的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，包括：

用于限定輻射腔的輻射腔爐襯；

設(shè)置在所述輻射腔內(nèi)的爐管組件；以及

用于向輻射腔內(nèi)提供熱輻射的多個(gè)燃燒器；

其中：所述燃燒器采用富氧空氣助燃，并且所述爐管組件采用多程爐管。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，所述多程爐管為兩程爐管，且所述兩程爐管包括相連通的豎向進(jìn)口管和豎向出口管，所述豎向進(jìn)口管比所述豎向出口管更加靠近所述燃燒器。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，所述燃燒器位于輻射腔的底部和/或側(cè)壁上。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，所述富氧空氣濃度的體積百分比為25～40％。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，所述富氧空氣濃度的體積百分比為27～33％。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，所述豎向進(jìn)口管與豎向出口管平行布置。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，還包括急冷鍋爐，所述豎向出口管設(shè)于輻射腔的中央位置并連通所述急冷鍋爐。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，設(shè)在所述輻射腔底部的燃燒器的數(shù)量為2～8個(gè)。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，所述燃燒器對(duì)稱排列。

所述的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐，其中，所述富氧空氣采用變壓吸附或者膜滲透法獲得。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明從爐管設(shè)計(jì)及采用富氧燃燒兩個(gè)方面考慮，使豎向進(jìn)口管(一程爐管)比豎向出口管(二程爐管)更為靠近燃燒器，不僅能夠保證熱量會(huì)優(yōu)先傳遞給急需熱量的豎向進(jìn)口管，同時(shí)，并排布置的豎向進(jìn)口管和豎向出口管還能有效節(jié)約空間，此外由于富氧空氣助燃，可以提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱，使相對(duì)遠(yuǎn)離燃燒器的豎向出口管也能獲得足夠的熱量繼續(xù)反應(yīng)，因此本發(fā)明能夠提高裂解爐的熱效率，降低排煙損失，促進(jìn)裂解爐的節(jié)能。

附圖說(shuō)明

在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐的結(jié)構(gòu)示意圖。

在附圖中相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實(shí)際的比例繪制。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的采用富氧燃燒的多程爐管的裂解爐10的結(jié)構(gòu)示意圖。該裂解爐10主要用于加熱天然氣、煉廠氣、原油及石腦油等各類裂解原料，促使裂解原料發(fā)生碳鏈斷裂化學(xué)反應(yīng)，生成烴乙烯、丙烯和/或丁二烯等低碳烯及各種副產(chǎn)物。

如圖1所示，所述裂解爐10包括：輻射腔2、與輻射腔2相連的且錯(cuò)開式高于輻射腔2的對(duì)流腔3和設(shè)置在輻射腔2內(nèi)的爐管組件4、位于輻射腔2的頂部上方且與爐管組件4連通的急冷鍋爐6(屬于本領(lǐng)域的常規(guī)產(chǎn)品)以及能夠?yàn)檩椛淝?提供熱量的燃燒器8。

所述輻射腔2由輻射腔爐襯21限定而成形。容易理解的是，對(duì)流腔3也可由對(duì)流腔爐襯31限定而成形，輻射腔爐襯21與對(duì)流腔爐襯31相連通。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，爐管組件4是2～4程爐管，優(yōu)選為2程爐管，其包括至少一根豎向進(jìn)口管(一程爐管)41以及與所述豎向進(jìn)口管41平行布置并與所述豎向進(jìn)口管41的底部連通的一根豎向出口管(二程爐管)42，其中所述的豎向進(jìn)口管(一程爐管)41比豎向出口管(二程爐管)42更加靠近燃燒器8，而所述豎向出口管(二程爐管)42可設(shè)于輻射腔2的中央位置并連通所述急冷鍋爐6。

所述的爐管組件4可以是1-1型輻射爐管，即豎向進(jìn)口管(一程爐管)41的數(shù)量為一根；或者是2-1型輻射爐管，即豎向進(jìn)口管(一程爐管)41的數(shù)量為兩根且對(duì)稱布置；或者是4-1型輻射爐管，即豎向進(jìn)口管(一程爐管)41的數(shù)量為四根且均勻布置，等等。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在輻射腔爐襯21的底部和/或側(cè)壁上設(shè)有用于向輻射腔2內(nèi)提供熱輻射的多個(gè)燃燒器8。由此，可以提高輻射腔2內(nèi)的熱量。優(yōu)選的是，設(shè)在輻射腔2底部上的燃燒器8位于豎向進(jìn)口管41與輻射腔爐襯21之間，這樣，熱量會(huì)優(yōu)先傳遞給急需熱量的豎向進(jìn)口管(一程爐管)41，同時(shí)，由于富氧空氣助燃，可以提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱，使相對(duì)遠(yuǎn)離燃燒器的豎向出口管(二程爐管)42也能獲得足夠的熱量繼續(xù)反應(yīng)。

所述的爐管組件4的豎向出口管42的內(nèi)徑與所述豎向進(jìn)口管41的內(nèi)徑之比的范圍是：1～2.1。

所述的爐管組件4的豎向進(jìn)口管41內(nèi)徑的范圍是：25mm至60mm。優(yōu)選入口管內(nèi)徑的范圍是：35mm至55mm。

所述的爐管組件4的豎向出口管42內(nèi)徑的范圍是：45mm至120mm。優(yōu)選出口端管口內(nèi)徑的范圍是：60mm至95mm。

所述的燃燒系統(tǒng)中，底部燃燒器8的供熱比例為60～90％，優(yōu)選為70～85％。

所述的燃燒系統(tǒng)中，每組輻射段爐管對(duì)應(yīng)的底部燃燒器8的數(shù)量為2～8個(gè)，底部燃燒器8位于爐管組件4的兩側(cè)，呈對(duì)稱排列。

所述燃燒器8采用燃燒氣與富氧空氣的混合來(lái)提供裂解反應(yīng)所需的熱量。所述富氧空氣采用變壓吸附或者膜滲透法獲得，所述富氧空氣濃度為25～40％(體積百分比，v％)，優(yōu)選為27-33％(體積百分比，v％)。

采用比空氣含氧濃度高的富氧空氣進(jìn)行燃燒，相比于空氣燃燒而言，具有較多優(yōu)點(diǎn)：一是由于輻射換熱是裂解爐傳熱的主要方式，按照氣體輻射的特點(diǎn)，只有三原子氣體和多原子氣體具有輻射能力，雙原子氣體幾乎沒(méi)有輻射能力，常規(guī)空氣助燃的情況下，無(wú)輻射能力的氮?dú)馑急壤芨?，煙氣的黑度很低，影響了煙氣?duì)爐管管排的輻射傳熱過(guò)程。采用富氧空氣助燃，因氮?dú)夂可?，空氣量和煙氣量均顯著減少，故火焰溫度和黑度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高，進(jìn)而提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱；二是采用富氧空氣助燃，燃燒的火焰變短，燃燒強(qiáng)度提高，燃燒速度加快，這樣將有助于燃燒反應(yīng)完全，提高燃料的使用效率，進(jìn)而提高裂解爐的熱效率；三是采用富氧空氣助燃，可以適當(dāng)降低過(guò)剩空氣系數(shù)，減少排煙體積，減少燃燒后的煙氣量，進(jìn)而降低排煙損失，促進(jìn)裂解爐的節(jié)能。

本發(fā)明的工作原理是：在裂解過(guò)程中，裂解原料首先經(jīng)過(guò)對(duì)流腔3進(jìn)行汽化和預(yù)熱處理，然后經(jīng)過(guò)輻射腔2中轉(zhuǎn)而進(jìn)入到爐管組件4內(nèi)進(jìn)行裂解反應(yīng)，當(dāng)裂解原料的流體進(jìn)入到各個(gè)豎向進(jìn)口管41時(shí)，由于豎向進(jìn)口管41更為靠近燃燒器8，因此熱量會(huì)優(yōu)選傳遞給急需熱量的豎向進(jìn)口管41，能夠迅速提升各豎向進(jìn)口管41內(nèi)的溫度，提高豎向進(jìn)口管41內(nèi)裂解反應(yīng)的速率。當(dāng)裂解原料的流體進(jìn)入到豎向出口管42時(shí)，由于富氧空氣助燃，可以提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱，使相對(duì)遠(yuǎn)離燃燒器的豎向出口管42也能獲得足夠的熱量繼續(xù)反應(yīng)，豎向出口管42能夠降低對(duì)烴類裂解反應(yīng)后期的結(jié)焦敏感性。裂解之后進(jìn)入到急冷鍋爐6內(nèi)進(jìn)行冷卻處理。

綜上所述，本發(fā)明從爐管設(shè)計(jì)及采用富氧燃燒兩個(gè)方面考慮，使豎向進(jìn)口管 (一程爐管)41比豎向出口管(二程爐管)42更為靠近燃燒器8，不僅能夠保證熱量會(huì)優(yōu)先傳遞給急需熱量的豎向進(jìn)口管(一程爐管)41，同時(shí)，并排布置的豎向進(jìn)口管(一程爐管)41和豎向出口管(二程爐管)42還能有效節(jié)約空間，此外由于富氧空氣助燃，可以提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱，使相對(duì)遠(yuǎn)離燃燒器的豎向出口管(二程爐管)42也能獲得足夠的熱量繼續(xù)反應(yīng)，因此本發(fā)明能夠提高裂解爐的熱效率，降低排煙損失，促進(jìn)裂解爐的節(jié)能。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個(gè)實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特征均可以任意方式組合起來(lái)。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。