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技術(shù)文章

乙烯裂解爐管傳熱技術(shù)的革新
 
乙烯裂解爐管傳熱技術(shù)的革新
 
 
 
　　從裂解技術(shù)原理上，高溫、短停留時(shí)間和低烴分壓的工藝條件有利于乙烯、丙烯等產(chǎn)品的生成，要獲取這些工藝條件關(guān)鍵是采用合適的爐管構(gòu)型。裂解反應(yīng)是在高溫下進(jìn)步的化學(xué)反應(yīng)，為提高能量傳遞的效率，一般通過(guò)提高管壁溫度或提高傳熱系數(shù)兩種途徑來(lái)解決。

　　針對(duì)這些問(wèn)題，許多公司對(duì)爐管的金屬材料、爐管形狀以及爐管加入內(nèi)插件進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究。首先是提高爐管金屬材料的耐溫等級(jí)，進(jìn)而可以提高爐管承受的*高溫度，但目前常用爐管的*高耐溫約為1125℃，進(jìn)一步提高難度很大，因此絕大部分研究集中在爐管構(gòu)型方面。日本三菱公司開(kāi)發(fā)橢圓管，其原理是對(duì)于相同截面積的爐管而言，橢圓管的表面積要大于圓管，由于長(zhǎng)軸面向熱源，橢圓管可以增加輻射到達(dá)量，提高傳熱效率，缺點(diǎn)是對(duì)管材要求高，且制作復(fù)雜，在使用中容易恢復(fù)成為圓形管；LUMMUS、KELLOGG、EXXON公司均有梅花管技術(shù)的爐管應(yīng)用，其原理是能夠增加有效的傳熱面積，同時(shí)可以改善爐管的物料對(duì)流傳熱，缺點(diǎn)是管壁較厚，爐管造價(jià)提高，制造難度增加；日本久保田公司開(kāi)發(fā)的內(nèi)翅片管技術(shù)，其原理是增加傳熱面積和對(duì)流傳熱系數(shù)，但由于制造困難，目前并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

　　根據(jù)普蘭德邊界層理論，當(dāng)流體沿固體壁面流動(dòng)時(shí)，靠近壁面有一層極薄的流體，附著在爐管壁面且不滑脫，這樣在爐管壁面形成了一個(gè)流動(dòng)邊界層，它雖然很薄，但其傳熱阻力很大，在管內(nèi)中心區(qū)，熱量通過(guò)對(duì)流傳熱的方式傳到湍流中心。因此，爐管傳熱的*大阻力在于爐管內(nèi)壁的邊界層，如果能夠減小邊界層的傳熱阻力，將大大強(qiáng)化爐管的傳熱效率，扭曲片強(qiáng)化傳熱技術(shù)通過(guò)改變爐管內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)，破壞爐管換熱熱阻的*大區(qū)域——靠近壁面流體速度近似為零的低速區(qū)，提高了管內(nèi)傳熱系數(shù)，從而強(qiáng)化了傳熱過(guò)程。

　　裂解爐管加上扭曲片管后，流體通過(guò)與爐管等寬的扭曲片管時(shí)，強(qiáng)迫流體從原來(lái)的活塞流變?yōu)樾D(zhuǎn)流，流體的切向流速大大增加，這將對(duì)管壁形成強(qiáng)烈的沖刷作用，使熱阻大的邊界層厚度大大減薄，增大爐管的總傳熱系數(shù)，從而降低爐管管壁的溫度，這樣爐管管壁上的結(jié)焦層厚度也隨著管壁溫度的下降而變薄，這也將進(jìn)一步提高爐管的總傳熱系數(shù)，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱、延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)轉(zhuǎn)周期的目的。

　　扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)從1995年開(kāi)始在中國(guó)石化集團(tuán)公司的支持下，由北京化工研究院和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所共同開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)兩年的裂解爐模擬裝置小試，試驗(yàn)采用對(duì)比方法進(jìn)行，在可比的試驗(yàn)條件下進(jìn)行烴類(lèi)裂解試驗(yàn)和測(cè)焦試驗(yàn)，獲得良好的試驗(yàn)結(jié)果。1997年開(kāi)始進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，先后在不同能力和不同技術(shù)型號(hào)的遼化CBL-I、揚(yáng)子石化SRT-III和燕山石化SRT-IV（HC）等裂解爐上進(jìn)行試驗(yàn)，均取得了顯著的試驗(yàn)效果。

　　遼化工業(yè)試驗(yàn)的CBL-I型爐為年產(chǎn)乙烯2萬(wàn)噸的裂解爐，全爐分兩大組進(jìn)料，選取其中一大組加入扭曲片管，另一組維持爐管原狀，對(duì)比和觀察改變結(jié)構(gòu)后引起的變化；揚(yáng)子石化烯烴廠的SRT-III型爐為年產(chǎn)乙烯4萬(wàn)噸的裂解爐，為L(zhǎng)UMMUS公司的**技術(shù)，全爐共有6組輻射段爐管，兩組爐管在輻射段出口合并后進(jìn)入一臺(tái)急冷鍋爐，全爐共有三臺(tái)急冷鍋爐，選取爐況較差的兩大組加裝扭曲片管，相當(dāng)于1/3臺(tái)裂解爐。

　　在遼化和揚(yáng)子石化取得的初步成果和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，2004年在燕山SRT-IV（HC）進(jìn)行整臺(tái)裂解爐試驗(yàn)，輻射段爐管的排列方式為8-4-1-1，整爐試驗(yàn)的目的是為了考察加入扭曲片管后對(duì)裂解爐的周期和處理量的影響。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明：加裝扭曲片管后，裂解爐輻射段爐管管壁溫度同比下降20℃以上，可以提高裂解爐處理量7%，可以大幅度延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行周期。工業(yè)試驗(yàn)中，石腦油在正常裂解條件下可以延長(zhǎng)運(yùn)行周期110%，石腦油在提高處理量7%和提高裂解溫度8℃的條件下延長(zhǎng)運(yùn)行周期70%，重柴油在提高處理量7%條件下延長(zhǎng)了運(yùn)行周期27%，并且扭曲片管對(duì)于輕重原料都有很好的適應(yīng)性，加裝扭曲片管對(duì)裂解爐的主要產(chǎn)品收率影響不大，對(duì)裂解爐的操作和運(yùn)行沒(méi)有**的影響。

　　經(jīng)過(guò)十年的試驗(yàn)研究，扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)取得了巨大成功。2006年榮獲中國(guó)石化科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；2007年榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。目前，集團(tuán)公司下屬企業(yè)中現(xiàn)已有9家乙烯企業(yè)的12種爐型采用該技術(shù)，產(chǎn)能約200萬(wàn)噸。

　　在強(qiáng)化傳熱技術(shù)推廣應(yīng)用的近三年里，獲得了乙烯行業(yè)業(yè)主們3的廣泛贊譽(yù)，為乙烯生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。燕山BA1104爐是SRT-IV（高能力）型裂解爐，乙烯年產(chǎn)量為6萬(wàn)噸，平均運(yùn)行周期為45天，使用強(qiáng)化傳熱技術(shù)以后，每年可以減少燒焦次數(shù)3次，延長(zhǎng)裂解爐壽命，提高石腦油處理量，每年多產(chǎn)乙烯約3400噸和丙烯約1900噸；東方化工廠F103爐是GK-V型裂解爐，乙烯年產(chǎn)量為3萬(wàn)噸，平均運(yùn)行周期為45天，使用強(qiáng)化傳熱技術(shù)以后，**個(gè)周期為87天，**個(gè)周期為112天，創(chuàng)下了該裂解爐的運(yùn)行記錄，全年共減少燒焦次數(shù)4次，增加實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間150小時(shí)，節(jié)省燃料氣78.9噸，少耗用稀釋蒸汽800噸左右。

　　強(qiáng)化傳熱技術(shù)在國(guó)內(nèi)乙烯廠成功應(yīng)用的同時(shí)，許多國(guó)外技術(shù)廠商主動(dòng)和北化院合作。前不久與加拿大合生亮和美國(guó)LUMMUS技術(shù)部門(mén)合作，開(kāi)始向國(guó)外乙烯裂解爐推廣扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)，如新加坡PCS公司、馬來(lái)西亞TITAN、韓國(guó)LG對(duì)裂解爐爐管扭曲片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)也表現(xiàn)出濃厚的興趣，和我方技術(shù)人員進(jìn)行多次交流，對(duì)三家公司裂解爐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并結(jié)合各公司裂解爐（TITAN和PCS為S&W，LG為SRT-VI）的特點(diǎn)，向其提供了裂解爐安裝扭曲片管的初步方案。

　　強(qiáng)化傳熱技術(shù)將在中國(guó)石化所有乙烯企業(yè)中應(yīng)用實(shí)施，該項(xiàng)技術(shù)提高了乙烯裂解爐的運(yùn)行周期、減少燒焦成本、提高乙烯產(chǎn)量、節(jié)約燃料和延長(zhǎng)裂解爐壽命，為乙烯企業(yè)的良性發(fā)展提供了捷徑，可謂是乙烯行業(yè)發(fā)展的一次重大技術(shù)突破。

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