乙烯裂解爐及其管道設(shè)計(jì)

高 巍

（惠生工程（中國(guó)）有限公司， 北京 100102）

乙烯是最基本的化工原料之一，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的支撐作用[1]。自1988年至1993年間，世界乙烯年產(chǎn)量由5 450萬(wàn)t增加到7 100萬(wàn)t，2001年乙烯生產(chǎn)能力為10 059.9萬(wàn)t，2008年乙烯生產(chǎn)能已達(dá)到12 670萬(wàn)t。截止2010年，我國(guó)的乙烯生產(chǎn)企業(yè)已有24家，生產(chǎn)裝置27套，合計(jì)產(chǎn)能為1 496萬(wàn)t/a[2]。預(yù)計(jì)到2015年，我國(guó)的乙烯產(chǎn)能將達(dá)到2 700萬(wàn)t/a。目前，世界上乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)規(guī)模為90～100萬(wàn)t/a，最大規(guī)模為約130萬(wàn)t/a，乙烯裝置正向著大型化、規(guī)模化的方向發(fā)展。筆者結(jié)合以往工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)要介紹了幾種乙烯裂解爐的型式與特點(diǎn)，并就乙烯裝置裂解爐區(qū)管道及其管架設(shè)計(jì)談了自己的思路方法，對(duì)裂解爐區(qū)重要管系的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和說(shuō)明。

1 乙烯裂解爐的型式與特點(diǎn)

國(guó)際上著名的乙烯專利技術(shù)公司包括：Lummus公司、S&W公司、TPL/KTI公司、Lind公司、KBR公司等，其生產(chǎn)技術(shù)都是成熟可靠的，但在技術(shù)細(xì)節(jié)上是有差別的[3]。

1.1 SRT型裂解爐

SRT型爐由魯姆斯公司開(kāi)發(fā)，該公司的烯烴裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)已有50多年的歷史[4]。如今SRT型爐已發(fā)展到SRT-Ⅵ型。爐管構(gòu)型由SRT-Ⅰ、SRT-Ⅱ、SRT-Ⅲ、SRT-Ⅳ型的多程管發(fā)展為SRT-Ⅴ、SRT-Ⅵ的二程爐管。SRT型裂解爐通常為一個(gè)對(duì)流段配置一個(gè)輻射段。對(duì)流段布置在輻射段上部的一側(cè)，對(duì)流段頂部設(shè)置引風(fēng)機(jī)和煙囪。輻射段頂部設(shè)置急冷鍋爐。通常采用一級(jí)急冷。

若裂解輕質(zhì)原料，采用一次注汽，稀釋蒸汽不經(jīng)過(guò)過(guò)熱；若裂解重質(zhì)原料，采用二次注汽，第二次注汽所用稀釋蒸汽需經(jīng)過(guò)過(guò)熱。

1.2 USC型裂解爐

USC型爐由斯特-韋伯斯特公司開(kāi)發(fā)。爐管構(gòu)型有M型、W型和U型。通常液體進(jìn)料采用U型，氣體進(jìn)料采用M型。

對(duì)于年產(chǎn)量為30～60 kt的USC型裂解爐，通常由一個(gè)輻射段和一個(gè)對(duì)流段構(gòu)成。對(duì)流段布置在輻射段上部的一側(cè)。對(duì)于年產(chǎn)量為60～100 kt的USC型裂解爐，通常采用兩個(gè)輻射段共用一個(gè)對(duì)流段的布置方案。輻射段頂部設(shè)置USX型急冷鍋爐，裂解氣匯總后進(jìn)入一臺(tái)二級(jí)急冷鍋爐。近期，已采用雙程套管式急冷鍋爐（SLE），將兩級(jí)急冷鍋爐合并為一級(jí)U型SLE急冷鍋爐或線性SLE急冷鍋爐。若裂解輕質(zhì)原料，則采用一次注汽，稀釋蒸汽需經(jīng)過(guò)過(guò)熱；若裂解重質(zhì)原料，采用二次注汽，且兩次注汽所用稀釋蒸汽都需經(jīng)過(guò)過(guò)熱。

1.3 Pyrocrack型裂解爐

此型爐由林德公司開(kāi)發(fā)，爐管構(gòu)型有pyrocrack 4-2、pyrocrack 2-2及 pyrocrack 1-1。通常，Pyrocrack型爐由一個(gè)對(duì)流段和兩個(gè)輻射段組成，根據(jù)不同的爐管構(gòu)型采用一級(jí)或二級(jí)急冷方式。

若為氣體進(jìn)料，常采用 pyrocrack 4-2型或pyrocrack 2-2型爐管。若為液體進(jìn)料，常采用pyrocrack 1-1型爐管，并采用一級(jí)急冷或二級(jí)急冷方式；若裂解重質(zhì)原料且采用二次注汽，則兩次注汽所用的稀釋蒸汽都需經(jīng)過(guò)過(guò)熱。

1.4 SC型裂解爐

SC型爐由凱洛格、埃克森、布朗路特公司共同開(kāi)發(fā)。SC型裂解爐通常由一個(gè)輻射段和一個(gè)對(duì)流段組成。爐管構(gòu)型有SC-1、SC-2、SC-4型。SC-1爐管為單程小口徑直管，原料由裂解爐底部進(jìn)入輻射段爐管。對(duì)于SC-2型和SC-4型爐管，原料由裂解爐頂部進(jìn)入輻射段爐管。

若為氣體進(jìn)料，采用三級(jí)急冷方式。第三級(jí)急冷鍋爐用于預(yù)熱裂解原料；若為輕質(zhì)液體進(jìn)料，則采用二級(jí)急冷方式；若裂解重質(zhì)原料，常采用一級(jí)急冷方式。近期對(duì)裂解各種原料，均采用線性急冷鍋爐。

1.5 CBL爐

CBL爐由中國(guó)石化工程建設(shè)公司、北京化工研究院和蘭州化工機(jī)械研究院共同開(kāi)發(fā)。通常由一個(gè)輻射段和一個(gè)對(duì)流段組成。爐型由CBL-Ⅰ已發(fā)展到CBL-Ⅴ型[5]，原料可適用于乙烷、石腦油、輕質(zhì)柴油以及加氫尾油等[6]。其早期采用二級(jí)急冷、二級(jí)注汽技術(shù)。

急冷鍋爐通常布置在輻射段的頂部，也可布置在輻射段上方側(cè)面。根據(jù)裂解原料輕重的程度，選用一級(jí)急冷或二級(jí)急冷的方式，注汽采用一次注汽或二次注汽的方式。

2 乙烯裂解爐的外形

乙烯裂解爐從結(jié)構(gòu)上可分為單輻射室、雙輻射室結(jié)構(gòu)，其外形如圖1、2所示。

3 乙烯裂解爐的管道設(shè)計(jì)

3.1 管道布置的原則

（1）乙烯裂解爐的管道布置應(yīng)符合SH3012等相關(guān)規(guī)定。

（2）對(duì)進(jìn)出物料的管道應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，做到安全可靠、整齊美觀。

圖1 單輻射室結(jié)構(gòu)Fig.1 Single radiat section

圖2 雙輻射室結(jié)構(gòu)Fig.2 Double radiat section

（3）對(duì)于貴金屬管道，在保證管道柔性及管道對(duì)乙烯裂解爐管口、急冷鍋爐管口的作用力和力矩不超出許用值的情況下，應(yīng)盡量減少管道長(zhǎng)度。

（4）管道布置不應(yīng)妨礙急冷鍋爐的安裝和檢修。全可靠、整齊美觀。

（5）對(duì)乙烯裂解爐框架上的管道布置，應(yīng)考慮管道的支承和柔性，宜利用管道的自然形狀達(dá)到自行補(bǔ)償。

3.2 管道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

裂解爐區(qū)的管道以高溫、高壓管道為主，這部分管道是裂解爐區(qū)乃至整個(gè)乙烯裝置的重要管系。在工程設(shè)計(jì)中，該管系的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到裂解爐區(qū)相關(guān)設(shè)備及其他管道布置的優(yōu)化，更直接影響著乙烯裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期地運(yùn)行。

裂解爐區(qū)重要的高溫高壓管系包括橫跨管、上升及下降管、裂解氣管道及燒焦氣管道、超高壓蒸汽管道等。裂解爐的橫跨管是指裂解爐中連接對(duì)流段爐管與輻射段爐管之間的高溫管線，通常設(shè)計(jì)溫度約700 ℃[7]。上升管是指急冷鍋爐與汽包之間輸送汽水混合物的管道，下降管是指汽包與急冷鍋爐之間輸送鍋爐給水的管道，其設(shè)計(jì)溫度約350 ℃，設(shè)計(jì)壓力約13 MPa。超高壓蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度約540 ℃，設(shè)計(jì)壓力約13 MPa。因此，裂解爐是乙烯裝置中高溫及高壓管道比較集中的單元，管道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)就是溫度高、壓力高，從而對(duì)應(yīng)力分析及其管架設(shè)計(jì)也有著較高的要求。

3.3 裂解氣管道的設(shè)計(jì)

3.3.1 裂解氣管道概述及其布置

裂解氣是原料在裂解爐輻射段爐管內(nèi)高溫條件下，大量吸熱，發(fā)生碳鏈斷裂或脫氫反應(yīng)生成的，是富含乙烯、丙烯等烴類的裂解產(chǎn)物[8]。裂解氣管道是指裂解爐急冷鍋爐出口至汽油分餾塔之間的管系，其設(shè)計(jì)溫度因所裂解的原料類型和設(shè)備運(yùn)行周期的不同而有所差異。一般情況下，裂解爐成排布置在主通道旁，爐前區(qū)管廊與裂解爐平行布置。裂解氣總管通常分為兩支對(duì)稱布置在爐前區(qū)管廊平臺(tái)上，而每臺(tái)裂解爐支管順流向方向斜插入集合管內(nèi)。這樣布置，既減小了裂解氣集合管端頭的壓降，也便于每臺(tái)爐支管的布置及裂解氣大閥的安裝操作。由于裂解氣管道內(nèi)的介質(zhì)帶有粘性物質(zhì)及焦粒，為了保證物料流動(dòng)穩(wěn)定，防止裂解氣發(fā)生逆流和焦粒沉積在管道上，裂解氣管道從急冷器出口至汽油分餾塔之間，應(yīng)順流向在水平段設(shè)有0.005～0.02的垂直向下的坡度。

根據(jù)工藝流程的不同，裂解氣總管的急冷型式可分為前急冷和后急冷兩種類型。前急冷是指急冷器設(shè)置在急冷鍋爐出口，通常采用立式結(jié)構(gòu)，由于急冷器布置在單臺(tái)裂解爐上，急冷器后的管道設(shè)計(jì)溫度較低，雖然管道熱位移較小，但因?yàn)楣軆?nèi)介質(zhì)物流狀態(tài)不穩(wěn)定（為兩相流），所以需要解決管道振動(dòng)方面的問(wèn)題。后急冷是指每根裂解氣總管上各有一個(gè)急冷器，且集中布置在汽油分餾塔前，這樣就使得整個(gè)裂解氣管道的設(shè)計(jì)溫度較高，需要考慮應(yīng)力方面的問(wèn)題。

3.3.2 裂解氣管道的管架設(shè)計(jì)

裂解氣管道的工藝比較復(fù)雜，在應(yīng)力計(jì)算時(shí)通常分為裂解氣管系和清焦管系，并最終將兩管系進(jìn)行整體核算。因?yàn)榱呀鉅t運(yùn)行后期的操作溫度較高，所以在裂解氣系統(tǒng)管道進(jìn)行柔性分析時(shí)，應(yīng)以運(yùn)行后期的操作溫度作為計(jì)算溫度，根據(jù)裂解氣管道規(guī)格書的要求分工況進(jìn)行柔性分析。為了保證裂解氣大閥及清焦閥在多種工況下法蘭端面處所受力和力矩符合制造廠的要求，宜在靠近閥門處設(shè)置管架，并在管道設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中盡量做到閥門法蘭處的冷態(tài)下無(wú)應(yīng)力配管。

由于整個(gè)管系單位重量大，為了減小相關(guān)設(shè)備管口受力和因摩擦而產(chǎn)生的作用力，在管架設(shè)計(jì)時(shí)宜采用吊架和低摩擦支架（摩擦系數(shù)為0.1）。一般情況下，為了避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)，在裂解氣管道上常采用鞍座型低摩擦架，這樣不僅有利于管壁處的應(yīng)力分布均勻，還能防止管道旋轉(zhuǎn)，減少可能產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和力矩。

3.3.3 需要注意的問(wèn)題

在裂解氣管道設(shè)計(jì)中，對(duì)于采用非線性急冷鍋爐且管口為頂出時(shí)，應(yīng)在管道上安裝一對(duì)拆卸法蘭。若采用噴嘴式急冷器，急冷器后的直管段長(zhǎng)度和材料分界應(yīng)符合工藝要求；若采用溢流式急冷器，則宜在急冷器與管道連接處做材料分界；急冷器與測(cè)溫點(diǎn)間的距離應(yīng)符合工藝的要求。

裂解氣管道上的取樣宜從水平管道頂部引出，其根部閥宜靠近裂解氣管道設(shè)置。清焦管道從裂解氣管道上的引出方式應(yīng)符合工藝要求，宜從底部切線方向引出。而且，清焦閥宜靠近裂解氣管道的引出點(diǎn)設(shè)置，引出點(diǎn)與裂解氣閥門間應(yīng)為最小間距。

除此之外，裂解氣大閥和清焦閥都是宜結(jié)焦的地方，而且由于在長(zhǎng)期的生產(chǎn)操作過(guò)程中裂解氣大閥會(huì)存在不同程度的內(nèi)漏現(xiàn)象，為了保證閥門的穩(wěn)定運(yùn)行以及整個(gè)裝置的安全，防止裂解氣在停爐時(shí)發(fā)生倒竄引起爆鳴，所以需要在任何時(shí)候都必須通防焦蒸汽。閥體上用于注入防焦蒸汽的限流孔板、止回閥和切斷閥宜布置在閥體的上方。對(duì)于裂解氣大閥，防焦蒸汽應(yīng)設(shè)置在流向的下游側(cè)；對(duì)于清焦閥，防焦蒸汽應(yīng)設(shè)置在流向的上游側(cè)。而且，蒸汽可以防止粘性物質(zhì)及顆粒物滲入閥件內(nèi)，破壞密封和劃傷閥板，還能夠在開(kāi)啟閥門時(shí)提高閥板活動(dòng)座環(huán)的密封推力。

4 結(jié) 論

由此可見(jiàn)，高溫及高壓管系是乙烯裝置裂解爐區(qū)的關(guān)鍵管系，該管系的設(shè)計(jì)是裂解爐區(qū)管道設(shè)計(jì)的重要工作。隨著我國(guó)石化行業(yè)的發(fā)展，以及新型、高效乙烯裂解爐地廣泛應(yīng)用，做好管道設(shè)計(jì)工作、合理布置方案，對(duì)于乙烯裝置提高生產(chǎn)技術(shù)水平、達(dá)到更高技術(shù)指標(biāo)具有重要的意義。

［1］黃存. 石化發(fā)展看乙烯，乙烯看資源[N]. 中國(guó)化工報(bào)，2006-04-0 3(5).

［2］高春雨. 2010年中國(guó)烯烴供需回顧及2011年展望[J]. 當(dāng)代石油石化，2011(2): 6-8.

［3］籃春樹(shù)，魯衛(wèi)國(guó). 典型乙烯技術(shù)特點(diǎn)分析[J]. 乙烯工業(yè)，2008,20(1):47-52.

［4］王可，張洪林.當(dāng)代乙烯技術(shù)進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2006,35(2):117-119.

［5］宋芙蓉，戴偉，楊一元. 世界乙烯工業(yè)發(fā)展述評(píng)[J]. 石油化工，20 04,33(12): 1117-1123.

［6］袁晴棠. 中國(guó)乙烯工業(yè)的發(fā)展概況與展望[J]. 石油化工，2008，37(增):17-21.

［7］陳閩. 裂解爐高溫及高壓管線的設(shè)計(jì)[J]. 石油化工設(shè)計(jì)，2003，20(3): 32-34.

［8］張立寧. 裂解爐裂解氣輸送的管線設(shè)計(jì)[J]. 石化技術(shù)，2002，9(3):133-137.