专利名称：新型辐射区盘管布置的裂解炉及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种裂解炉及用其用途，尤其涉及用于石油高温裂解反应的新型辐射区盘管布置的裂解炉及其用途。
正如本领域技术人员所公知，辐射盘管的布置和受热均匀性是影响裂解反应好坏的一个重要因素。传统的立管式裂解炉辐射区盘管为了保证辐射区盘管受热均匀，大多采用单排管，也有部分公司为了在较低投资下获得较大的单炉生产能力采用双排管，以及为了综合两者的特点而采用混排管的形式。以上内容可以参见陈滨主编的《乙烯工学》(化学工业出版社，1997年第1版，第4章，引入本发明作为参考)、邹仁鋆编著的《石油化工裂解原理与技术》(化学工业出版社，1981年第1版，第6章，引入本发明作为参考)、王松汉等主编的《乙烯装置技术》(中国石化出版社，1994年第1版，第2章，引入本发明作为参考)。
采用单排管排布的盘管在辐射区中受到双面辐射，受热均匀传热效果最好，但它的缺点是在同样的区域内所布置辐射盘管根数最少，单位长度生产能力低。在这种单排管排布的情况下要适应裂解炉大型化的要求，就只有延长每根辐射盘管的长度，其后果必然使得辐射区大大增高，对辐射区烧嘴的均匀供热能力就要提出了更苛刻的要求。同时，盘管太长使工程问题复杂。所以，采用单排管排布结构使裂解炉的生产能力受到严重限制。
采用双排布置盘管的方式虽然可以使生产能力增大一倍，但双排管正面互相遮挡，也严重影响炉壁对其辐射传热的效果，使得辐射传热效果最差。同时，辐射盘管受热不均匀会对裂解选择性、操作周期和辐射盘管寿命带来不利的影响。
采用混排法虽然可以部分提高生产能力和受热均匀性，但为了保证辐射传热的均匀性，相邻辐射盘管的间距不得低于1.8倍的辐射盘管外径，所节省的区域空间有限。此外，混排法为了避免相邻各小组辐射盘管弯头和集合管在炉膛下部相互交叉，必须使各相邻小组弯头和集合管在炉膛下部时处于不同的高度或不同的平面，这就造成两种副作用一是对处于不同高度的相邻各组辐射盘管，其各组辐射盘管总长度并不相同，物料在各组中停留时间和裂解深度也不相同，因而使优化操作受到一定的限制；二是弯头和集合管处于不同平面会对整个辐射盘管的应力影响很大，从而易于引起辐射盘管的变形。而且使得辐射盘管弯头及连接管设计复杂，型号规格多、彼此互换性差、安装难度加高、设备投资增大。
另外，现有技术的裂解炉总体高度很高，增加了设计和施工难度，并造成基建投资居高不下。为了降低设计和施工难度，减少基建投资，有必要降低裂解炉的总体高度。
另外，裂解反应的高温条件是通过裂解炉辐射区的烧嘴供热给辐射盘管来实现的。而根据在辐射区内的安装位置不同，烧嘴可以分为底部烧嘴、侧壁烧嘴和顶部烧嘴。其中底部和顶部烧嘴既可以用来烧气体燃料，也可以烧液体燃料，还可以采用气、液联合烧嘴。而侧壁烧嘴一般只能用于烧气体。目前，辐射盘管的排布方式有单排、双排和混排三种。以上内容可以参见陈滨主编的《乙烯工学》(化学工业出版社，1997年第1版，第4章，引入本发明作为参考)、邹仁鋆编著的《石油化工裂解原理与技术》(化学工业出版社，1981年第1版，第6章，引入本发明作为参考)以及王松汉等主编的《乙烯装置技术》(中国石化出版社，1994年第1版，第2章，引入本发明作为参考)等公开文献。
全部采用侧壁烧嘴供热方式的裂解炉具有炉膛温度均匀，炉膛宽度小等特点。但整个裂解炉中烧嘴个数太多，燃料气配管复杂，投资大，在实际生产中操作和维修复杂，同时全侧壁烧嘴只能采用气体燃料，操作弹性较小。
日本三井公司在CN1045806中公开了两层顶部烧嘴供热的全顶烧方式。该供热方式投资少，操作维修简单。但采用这种方式辐射区结构不规则，炉膛内烟气流动方式复杂，而且辐射区炉墙有倾斜，在高温操作条件下炉墙内衬保温材料在操作中易损坏，维修量大。另外由于烟气出口在辐射区底部，需要配置大功率引风机来满足辐射区烟气逆向流动，这样炉子造价增高，能耗增大。
S&W公司在CN1068587中描述了一种全部由底部烧嘴供热的裂解炉。全部采用底部烧嘴的供热方式，优点是投资少，操作维修简单。但由于受底烧火焰高度较低的限制，辐射区炉膛高度较高时，炉膛温度的均匀性难以得到满足。为了达到均匀的炉膛温度，可以用两种方法一种方法是采用新型的、大能力底部烧嘴，这种烧嘴可以提供较高的火焰长度，但此种烧嘴造价昂贵，而且单个烧嘴能力过大，燃烧中产生的氮氧化物浓度较大，无法满足环保对烟气排放的要求；另一种方法是采用两层或多层底部平台，如日立公司在US5181990专利所提到的双层底部烧嘴，但采用这种方法虽然可以使炉膛均匀性得到提高，但辐射区结构不规则，炉膛内烟气流动方式复杂，而且辐射区炉墙有倾斜，在高温操作条件下炉墙内衬保温材料在操作中易损坏，维修量大。
底、侧联合供热方式虽然可以部分弥补全底烧火焰长度短和全侧烧配管复杂、燃料弹性小的缺点，但这种供热方式仍然需要合适的侧底烧比例来满足炉膛温度均匀性，一般侧底烧比例在1∶9～5∶5之间。而且此种供热方式仍需采用只能用于烧气体的侧壁烧嘴，燃料气配管复杂、投资较大、操作复杂、弹性小、不易维修的问题依然存在。
综上所述，现有技术的裂解炉都有自己的优点，但都存在这样或那样的问题，因此寻求一种能够克服上述缺点、具有优异的综合性能的新型裂解炉实为必要。
为了达到上述目的，本发明人进行了大量深入细致的研究，发现采用前人没有用过的新型辐射区盘管布置的结构有效地解决了上述问题。
本发明的新型辐射区盘管布置的裂解炉包括辐射区；排布在辐射区内的炉底燃烧器；辐射区内垂直排布的多组1-1构型的二程不等径无分枝辐射盘管或2-1、4-1构型的二程不等径分枝辐射盘管；偏离辐射区的对流区；水平配置在对流区的多组对流盘管；辐射区和对流区之间的水平配置的烟道区；为了解决辐射盘管的布置和受热均匀性问题，所述的辐射盘管可以采用1-1构型的二程不等径无分枝管或2-1构型的二程不等径分枝管，其中特别优选2-1构型的二程不等径分枝管。
上述的所有辐射盘管的第一程管和所有的第二程管分别处于两个平行的平面中，并且辐射盘管的第二程管投影位于第一程管相邻的两根投影的中心位置。
其中所述的同一平面中相邻两根辐射盘管间距为该平面中辐射盘管外径的1.8-6.0倍，优选1.8-4.2倍，更优选2.0-2.8倍；每组辐射盘管内第一程管和第二程管所处平面的间距为100-600mm，优选200-500mm，最优选300-400mm。
本发明的另一个目的在于提供一种使用上述的裂解炉进行烃原料热裂解的用途，包括烟道气由辐射区经位于辐射区一侧的中上部的烟道区进入对流区；在对流区利用从辐射区出来的烟道气预热对流盘管中的烃原料；在辐射区利用炉顶燃烧器和炉底燃烧器提供的热能热裂解辐射盘管中的经过预热后的烃原料。
图1是本发明新型裂解炉结构示意图。
图2是本发明裂解炉的辐射区盘管以2-1型为例的盘管俯视图。
图3是本发明裂解炉的辐射区盘管以2-1型为例的盘管正视图。
图4是本发明裂解炉的辐射区盘管以2-1型为例的盘管的侧视图。
如图1所示，本发明的新型裂解炉结构包括辐射区3；排布在辐射区3内的炉底燃烧器9；辐射区3内垂直排布的多组1-1构型的二程不等径无分枝辐射盘管7或2-1、4-1构型的二程不等径分枝辐射盘管7；这里所说的不等径指的是二程中的第一程管和第二程管不等径，而2-1、4-1构型中第一程管的两根或4根管应当是等径的。
偏离辐射区3的对流区2；水平配置在对流区2的多组对流盘管1；辐射区3和对流区2之间的水平配置的烟道区6；裂解物料从对流盘管1经对流盘管1的横跨管5进入辐射盘管7，之后依次经过辐射盘管7的第一程管(1根、2根或者4根)、第二程管(1根)，最后从辐射盘管7的第二程管出口送至废热锅炉4。图3、图4中的PASS1、PASS2为“第一程管”、“第二程管”之意。
为了解决辐射盘管的布置和受热均匀性问题，所述的辐射盘管可以采用1-1构型的二程不等径无分枝管或2-1构型的二程不等径分枝管，其中特别优选2-1构型的二程不等径分枝管。
上述的所有辐射盘管的第一程管和所有的第二程管应当分别处于两个平行的平面中，并且辐射盘管的第二程管投影位于第一程管相邻的两根投影的中心位置。
其中所述的同一平面中相邻两根辐射盘管间距为该平面中辐射盘管外径的1.8-6.0倍，优选1.8-4.2倍，更优选2.0-2.8倍；每组辐射盘管内第一程管和第二程管所处平面的间距为100-600mm，优选200-500mm，最优选300-400mm。
由于本发明采用了上述的新型盘管排布结构，使同一平面中相邻两根辐射盘管间距充分满足辐射传热的要求。每组辐射段盘管所处平面间距恰倒好处，各组辐射段盘管的弯头和集合管互相平行，无交叉现象存在，不会影响各组辐射盘管的辐射传热。同时各组辐射盘管的弯头和集合管形状和重量完全一样，元件的通用性强，机械制造和维修方便；并且各组辐射段盘管总长度完全相同，物料停留时间和压力降完全相同，易于优化操作和控制；各组辐射段盘管重量也完全相同，平衡吊挂系统易于配置和调节。由于这种配置可以减小裂解炉长度，适合于配置各种传统的或新型的废热锅炉。
本发明的另一个目的在于提供一种使用上述的裂解炉进行烃原料热裂解的用途，包括烟道气由辐射区经位于辐射区一侧的中上部的烟道区进入对流区；在对流区利用从辐射区出来的烟道气预热对流盘管中的烃原料；在辐射区利用炉顶燃烧器和炉底燃烧器提供的热能热裂解辐射盘管中的经过预热后的烃原料。
实施本发明的裂解炉，还可以在辐射区内增加炉顶燃烧器。烟道区6位置可以由不同裂解炉的顶底烧供热比例值R决定。从辐射区一侧的顶部向下计、并且以烟道区的上沿算R在1∶9～7∶3范围内变化时，所述的烟道区6位于辐射区一侧总高度的10％-50％位置；优选R在2∶8～6∶4范围内变化，所述的烟道区6位于辐射区一侧的10％-40％位置；更优选R在2.5∶7.5～5∶5范围内变化，所述的烟道区6位于辐射区一侧的15％-40％位置；特别优选R在3∶7～4∶6范围内变化所述的烟道区6位于辐射区一侧的20％-40％位置。
根据本发明的一种变化形式，保持所述的底部燃烧器供热能力固定不变，可以对所述的顶部燃烧器供热能力进行小范围内的调整，来满足裂解不同油品所需的不同的出口温度。
根据本发明一个优选实施方案的裂解炉，可以用所述的炉顶燃烧器和炉底燃烧器提供用于热裂解的全部热源。炉顶燃烧器和炉底燃烧器可以优选采用油气联合烧嘴。
根据本发明一个优选实施方案的裂解炉，裂解炉可以采用相同数量的炉顶燃烧器和炉底燃烧器。顶部或底部燃烧器以顶部或底部中心线对称排布，顶/底部燃烧器数目比等于1，分别在顶底部一一对应。并且可以通过控制顶/底部燃烧器的燃料供料比来控制顶/底部燃烧器的供热比R。
根据本发明一个优选实施方案的裂解炉，其中炉顶燃烧器和炉底燃烧器可以采用本领域技术人员所公知的各种烧嘴。为了降低成本，优选采用常规烧嘴。
由于顶烧所用的烧嘴既可以用来烧液体燃料，也可以烧气体燃料或油气通用烧嘴，与侧烧供热或底烧、侧烧联合供热的方式相比，本发明可以减少烧嘴的数量，从而减少投资、简化裂解炉结构；同时，本发明顶、底部烧嘴完全可以采用常规的烧嘴，国内可生产，价格便宜，操作简单、维修方便。另外，采用顶部和底部联合供热，辐射区炉膛温度分布比较均匀，同时顶底部供热比例可以在设计阶段根据设计要求进行调节，设计灵活性大大提高；另外采用本发明所采用的顶、底烧联合供热的方式，相应的将传统技术中位于顶部的辐射区烟气出口位置下移至辐射区中上部，不但不会对本发明裂解炉的裂解效果带来负面影响，而且会使对流区2高度下移，从而使整个裂解炉高度降低(平均高度可以降低3-6米，具体高度由设计阶段的顶、底烧供热比例要求来控制)，降低了炉子重心，使基建费用减少。另外在实际操作中针对不同的裂解油品炉管出口温度的不同，可以采用固定底部烧嘴供热能力不变，仅对顶部烧嘴供热能力进行小范围内的调整来满足条件，使得实际操作中灵活性大大提高。
辐射盘管采用原有的混排排布方式，只能布置48组2-1型辐射盘管，各相邻小组弯头和集合管在炉膛底部时既处于不同的高度又处于不同的平面，管间距采用1.8倍辐射盘管外径，炉膛内墙长度约20米，在改扩建方案设计中采用本发明排布方式布置辐射盘管，所有第一程管处于一个平面，所有第二程管处于另一个平面中，两个平面间距在320mm，一程管管间距采用2.4倍一程管外径时，二程管管间距采用3.5倍二程管外径时，在同样的炉膛内可以布置64组2-1型辐射盘管，生产能力提高33％；采用本发明排布方式布置盘管，同时一程管管间距采用2.8倍一程管外径时，二程管管间距采用4.1倍二程管外径时，在同样的炉膛内可以布置54组2-1型辐射盘管，生产能力提高12.5％，由于此时相邻辐射盘管间距加大，辐射传热更加均匀。这种情况对于老炉子的改造优势非常明显，可以在基建投资最小的条件下显著提高生产能力。
使用该装置进行热裂解时，控制顶底烧供热比例为顶∶底＝3∶7，烃原料和稀释蒸汽混合物流经水平伸展于对流区2内的多路对流盘管1，在对流区回收了烟气热量，并预热至横跨温度，烃原料经对流盘管1流至对流盘管1的横跨管5处，经分配器分配合适的流量后进入辐射区3内垂直排布的辐射盘管7处，裂解产物在急冷交换器中换热。裂解炉完全是靠底烧燃烧器8和顶烧燃烧器9提供热量，同时由顶、底烧燃烧器产生的烟气经过水平布置的烟道区为对流区2提供对流热。
辐射盘管原采用单排排布方式，整个炉膛内墙长度约15米，采用1-1构型的二程不等径无分枝管，为了防止弯头和结合管在炉膛底部互相妨碍，第一程管间距为第一程管外径的2.8倍，第二程管间距为第二程管外径的2.3倍，加上系单排排布，只能布置48组辐射盘管。在改扩建方案设计中采用本专利排布方式布置辐射盘管，所有一程管处于一个平面，所有二程管处于另一个平面中，两个平面间距为350mm，一程管管间距仍采用第一程管管外径的2.8倍时，二程管管间距仍采用第二程管管外径的2.3倍时，采用本发明排布方式布置辐射盘管，可以布置108组1-1构型的二程不等径无分支管，生产能力可以提高到约220％，同时各辐射盘管的辐射传热均匀。另外各组辐射盘管的弯头和集合管形状和重量完全一样，元件的通用性强，并且所有弯头和结合管在炉膛下部平行排列，不互相妨碍，机械制造、维修和安装都很方便。
使用该装置进行热裂解时，控制顶底烧供热比例为顶∶底＝4∶6，烃原料和稀释蒸汽混合物流经水平伸展于对流区2内的多路对流盘管1，在对流区回收了烟气热量，并预热至横跨温度，烃原料经对流盘管1流至对流盘管1的横跨管5处，经分配器分配合适的流量后进入辐射区3内垂直排布的辐射盘管7处，裂解炉完全是靠底烧燃烧器8和顶烧燃烧器9提供热量，同时由顶、底烧燃烧器产生的烟气经过水平布置的烟道区为对流区2提供对流热。
权利要求
1.一种新型辐射区盘管布置的裂解炉，该裂解炉包括a)辐射区[3]；排布在辐射区[3]内的炉底燃烧器[8]；辐射区[3]内垂直排布的多组1-1构型的二程不等径无分枝辐射盘管[7]或2-1、4-1构型的二程不等径分枝辐射盘管[7]；b)偏离辐射区[3]的对流区[2]；水平配置在对流区[2]的多组对流盘管[1]；c)辐射区[3]和对流区[2]之间的水平配置的烟道区[6]；其特征在于所述的辐射盘管[7]为1-1构型的二程不等径无分枝管或2-1构型的二程不等径分枝管；所述的辐射盘管[7]第一程管和第二程管分别处于两个平行的平面中，辐射盘管[7]的第二程管投影位于第一程管相邻的两根投影的中心位置。
2.如权利要求1的裂解炉，其特征在于，其中所述的辐射盘管[7]为2-1构型的二程不等径分枝管。
3.如权利要求1的裂解炉，其特征在于，其中同一平面中相邻两根辐射盘管[7]间距为该平面中辐射盘管外径的1.8-6.0倍。
4.如权利要求1的裂解炉，其特征在于，其中同一平面中相邻两根辐射盘管[7]间距为该平面中辐射盘管外径的1.8-4.2倍。
5.如权利要求1的裂解炉，其特征在于，其中同一平面中相邻两根辐射盘管[7]间距为该平面中辐射盘管外径的2.0-2.8倍。
6.如权利要求1的裂解炉，其特征在于，其中每组所述的辐射盘管[7]内第一程管和第二程管所处平面的间距为100-600mm。
7.如权利要求1的裂解炉，其特征在于，其中每组所述的辐射盘管[7]内第一程管和第二程管所处平面的间距为200～500mm。
8.如权利要求1的裂解炉，其特征在于，其中每组所述的辐射盘管[7]内第一程管和第二程管所处平面的间距为300～400mm。
9.如权利要求1～8所述的裂解炉，其特征在于所述的裂解炉还包括排布在辐射区[3]内的炉顶燃烧器[9]；烟道区[6]位于辐射区[3]一侧的中上部。
10.如权利要求9所述的裂解炉，其特征在于，烟道区[6]位置由裂解炉的顶、底燃烧器[9]、[8]供热比例值R决定，R在1∶9～7∶3范围内变化时，从辐射区[3]一侧的顶部向下计、并且以烟道区的上沿算，所述的烟道区[6]位于辐射区[3]一侧总高度的10％-50％位置。
11.如权利要求9所述的裂解炉，其特征在于R在2∶8～6∶4范围内变化时，从辐射区[3]一侧的顶部向下计、并且以烟道区的上沿算，所述的烟道区[6]位于辐射区[3]一侧总高度的10％-40％位置。
12.如权利要求3所述的裂解炉，其特征在于R在2.5∶7.5～5∶5范围内变化时，从辐射区[3]一侧的顶部向下计、并且以烟道区的上沿算，所述的烟道区[6]位于辐射区[3]一侧总高度的15％-40％位置。
13.如权利要求4所述的裂解炉，其特征在于R在3∶7～4∶6范围内变化时，从辐射区[3]一侧的顶部向下计、并且以烟道区的上沿算，所述的烟道区[6]位于辐射区[3]一侧总高度的20％-40％位置。
14.如权利要求1所述的裂解炉，其特征在于所述的炉底燃烧器[8]的数目与炉顶燃烧器[9]的数目相等，底部或顶部燃烧器分别以底部或顶部中心线对称排布，并且分别在顶底部一一对应。
15.一种使用权利要求1-14之一的裂解炉用于烃原料的热裂解，其特征在于，对流区[2]利用从辐射区[3]出来的烟道气预热对流盘管[1]中的烃原料；在辐射区[3]利用炉顶燃烧器[9]和炉底燃烧器[8]提供的热能热裂解辐射盘管[7]中的经过预热后的烃原料。
全文摘要
本发明为新型辐射区盘管布置的裂解炉及其用途。本发明裂解炉辐射盘管的第一程管和第二程管分别处于两个平行的平面中，每组辐射盘管的二程管投影位于相邻两根一程管投影的中心位置。本发明裂解炉用炉顶燃烧器和炉底燃烧器；烟道口位于辐射区一侧的中上部。本发明传热均匀、效率高，操作控制灵活、简便，设备投资小，可用于石油烃的裂解反应。
文档编号B01J19/00GK1405273SQ0114177
公开日2003年3月26日 申请日期2001年9月19日 优先权日2001年9月19日
发明者曾清泉, 王国清, 许士兴, 张兆斌 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院