阅读说明：本技术 一种乙烯裂解炉换热流程及换热系统 (Heat exchange process and heat exchange system of ethylene cracking furnace ) 是由 何细藕 王子宗 赵永华 袁晴棠 郭凡 李昌力 于 2018-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于石油化工领域,涉及一种乙烯裂解炉换热流程及换热系统。在所述换热流程中,经裂解炉对流段预热的锅炉给水分为两路,一路继续进入对流段进一步预热,然后进入汽包与裂解气在第一急冷换热器组中进行换热,另一路进入第二急冷换热器组与来自第一急冷换热器组的裂解气进行换热使裂解气温度进一步降低,同时使锅炉给水进一步升温,以进一步回收裂解气的热量。本发明的节能流程显著提高了装置能量利用率,实现了生产过程的节能降耗,同时增大了超高压蒸汽产量,提高了乙烯裂解装置的经济效益。此外,该流程技术有助于装置内炉管及急冷换热器的烧焦过程,有利于生产装置的安全、长远、高效运行。(The invention belongs to the field of petrochemical industry, and relates to a heat exchange process and a heat exchange system of an ethylene cracking furnace. In the heat exchange process, boiler feed water preheated by the convection section of the cracking furnace is divided into two paths, one path of the boiler feed water continuously enters the convection section for further preheating, then enters a steam drum for heat exchange with cracking gas in a first quenching heat exchanger group, and the other path of the boiler feed water enters a second quenching heat exchanger group for heat exchange with the cracking gas from the first quenching heat exchanger group, so that the temperature of the cracking gas is further reduced, and meanwhile, the boiler feed water is further heated, so that the heat of the cracking gas is further recovered. The energy-saving process of the invention obviously improves the energy utilization rate of the device, realizes energy conservation and consumption reduction in the production process, increases the yield of ultrahigh pressure steam and improves the economic benefit of the ethylene cracking device. In addition, the process technology is beneficial to the coking process of the furnace tube and the quenching heat exchanger in the device, and is beneficial to the safe, long-term and efficient operation of the production device.)

一种乙烯裂解炉换热流程及换热系统

技术领域

本发明属于石油化工领域，更具体地，涉及一种乙烯裂解炉换热流程以及一种乙烯裂解炉换热系统。

背景技术

乙烯裂解炉是将石脑油、柴油、加氢尾油、乙烷、丙烷、LPG等石油化工原料通过蒸汽热裂解生成乙烯并副产超高压蒸汽的工艺装置，同时也是整个乙烯生产装置中能耗最大的部分，其装置能耗占乙烯生产总能耗的50-60％。有效提高裂解装置热效率和蒸汽产量，是实现乙烯生产过程节能降耗、提高经济效益的关键所在。

如附图1所示，一般的乙烯裂解炉主要由裂解炉本体、急冷换热器、高压汽包三部分组成，其中，裂解炉本体又分为对流段与辐射段两部分，对流段中依次分布有原料预热段、锅炉给水预热段、稀释蒸汽过热段、上混合过热段、超高压蒸汽过热段和下混合过热段等多个换热段。正常裂解时，从裂解炉辐射段出口流出的裂解气温度高达800℃以上，为了抑制裂解气二次反应的进行，提高烯烃收率，需将高温裂解气通过急冷的方式进行快速冷却。目前，裂解气的急冷流程主要有三种，分别为一级急冷换热流程、二级急冷换热流程以及三级急冷换热流程。对于一级急冷换热流程，裂解炉辐射段盘管出口的高温裂解气进入第一级急冷换热器，在此裂解气被来自汽包的高压锅炉给水冷却，换热后的锅炉给水回到汽包，副产超高压蒸汽。对于传统的二级急冷换热流程，裂解炉辐射盘管出口的高温裂解气依次经过第一级急冷换热器与第二级急冷换热器，来自汽包的高压锅炉给水与裂解气换热后返回汽包，副产超高压蒸汽。对于传统的一级急冷换热流程与二级急冷换热流程，由于换热介质为来自汽包的饱和锅炉给水，根据蒸汽的压力等级锅炉给水的饱和温度约324℃，通过换热裂解气温度无法进一步降至更低，为满足下游分离装置的进料要求，裂解气往往需要加设油急冷器装置进行进一步降温。以上流程可以适应液体原料合气体原料的裂解。而三级急冷换热流程即是在二级急冷换热流程的基础上加设一级急冷换热器，使裂解气温度降至260℃以下而无需再加设油急冷器装置的工艺流程。此流程可以用于气体原料的裂解。

本发明的发明人在研究中发现，在目前已有的三级急冷换热技术中，裂解气在第三级急冷换热器中与原料烃进行换热，降温后的裂解气送至分离区预分馏装置，预热后的原料烃作为裂解炉进料原料。该流程在一定程度上提高了热量的利用率，使得蒸汽产量有所增加，但在实际应用中，由于原料烃温度较低，裂解气在进入第三级急冷换热器时极易发生冷凝结焦，严重影响了换热器的换热效率，从而导致三级急冷换热流程对热量的利用并不充分。且随着冷凝结焦的持续发生，裂解气出口管线将进一步堵塞，不仅使得换热效率进一步降低，且大大提高了管线压降，影响正常生产，缩短装置运行周期。

因此，如何优化裂解气的急冷换热流程，既提高装置热量利用率，同时降低结焦反应的发生，使得生产装置安全、长远、高效地运行，是乙烯裂解工艺值得深入探索的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于：解决目前现有裂解炉换热技术中能耗高、能量利用不充分的问题，提供一种乙烯裂解炉换热流程及换热系统，本发明不仅能够提高能量利用率，且能够减少急冷换热器中结焦反应的发生，有利于装置的正常运行。

为了实现上述目标，本发明的第一方面提供了一种裂解气体原料的乙烯裂解炉换热流程：经裂解炉对流段预热的锅炉给水分为两路，一路继续进入对流段进一步预热，然后进入汽包与裂解气在第一急冷换热器组中进行换热，另一路进入第二急冷换热器组与来自第一急冷换热器组的裂解气进行换热使裂解气温度进一步降低，同时使锅炉给水进一步升温，以进一步回收裂解气的热量。

根据本发明，所述第一急冷换热器组可包括一级或两级急冷换热器，每级急冷换热器可包含一台或多台。所述第二急冷换热器组，根据第一急冷换热器组级数的不同，可能为第二级急冷换热器，也可能为第三级急冷换热器，同样可包含一台或多台。

根据本发明一种优选实施方式，如图5所示，所述第一急冷换热器组包括两级串联急冷换热器，分别为第一级急冷换热器、第二级急冷换热器；所述第二急冷换热器组包括第三级急冷换热器；

裂解气经裂解炉辐射段炉管出来后，依次经过第一级急冷换热器、第二级急冷换热器、第三级急冷换热器；其中，裂解气在第一级急冷换热器、第二级急冷换热器中通过热虹吸与来自汽包的锅炉给水进行换热发生蒸汽，在第三级急冷换热器中与经对流段预热后的另一路锅炉给水进行换热。该流程简称为节能流程1。所述节能流程1为本发明的优选实施方式。

根据本发明另一种优选实施方式，如图6所示，所述第一急冷换热器组仅包括第一级急冷换热器；所述第二急冷换热器组包括第二级急冷换热器；

裂解气经裂解炉辐射段炉管出来后，依次经过第一级急冷换热器、第二级急冷换热器；其中，裂解气在第一级急冷换热器中通过热虹吸与来自汽包的锅炉给水进行换热发生蒸汽，在第二级急冷换热器中与经对流段预热后的另一路锅炉给水进行换热。该流程简称为节能流程2。

以上两种技术流程中，第一级急冷换热器的型式为线性急冷换热器或传统式急冷换热器，第二级急冷换热器、第三级急冷换热器的型式为卧式管壳式急冷换热器。

对于第一级急冷换热器，当采用传统式急冷换热器时，其型式可以是传统双套管式或簿管板管壳式。

根据本发明，裂解炉的裂解原料可以为乙烷、丙烷、LPG等各种气体原料。

根据本发明，所述乙烯裂解炉的锅炉给水预热段分为上锅炉给水预热段与下锅炉给水预热段；全部锅炉给水经上锅炉给水预热段预热后，一部分锅炉给水送至第二急冷换热器组，与裂解气进行换热；另一部分锅炉给水进入下锅炉给水预热段继续预热后进入汽包。具体地，

针对节能流程1，如图5所示，全部锅炉给水先经上锅炉给水预热段预热后，一部分锅炉给水送至第三级急冷换热器，与裂解气进行换热；另一部分锅炉给水进入下锅炉给水预热段继续预热然后送至高压汽包；经第三级急冷换热器出来的锅炉给水直接送至高压汽包用于产生超高压蒸汽。

针对节能流程2，如图6所示，全部锅炉给水先经上锅炉给水预热段预热后，一部分锅炉给水送至第二级急冷换热器，与裂解气进行换热；另一部分锅炉给水进入下锅炉给水预热段继续预热然后送至高压汽包；经第二级急冷换热器出来的锅炉给水直接送至高压汽包用于产生超高压蒸汽。

根据本发明，裂解气经第二急冷换热器组换热后，温度降至170-260℃。具体地，

节能流程1中，裂解气经第三级急冷换热器出来后，温度降至170-260℃，可直接送至下游分离装置，无需设置急冷器用急冷油继续降温。

节能流程2中，裂解气经第二级急冷换热器出来后，温度降至260℃以下，优选地为170-260℃，可直接送至下游分离装置，无需设置急冷器用急冷油继续降温。

具体冷却到多少温度，需要根据气体原料的组成来确定，具体来讲，对于乙烷原料，由于裂解产品重组分几乎没有，裂解气经第二急冷换热器组换热后，温度降至170-180℃。对于其他气体原料则需要根据具体情况来确定。

根据本发明，经上锅炉给水预热段出来后的锅炉给水将分为两路，通过调节阀实现流量的分配，所述调节阀设置在去往第二急冷换热器组的锅炉给水管线上，或设置在进入下锅炉给水预热段的锅炉给水管线上；优选地，进入第二急冷换热器组的锅炉给水流量或进入下锅炉给水预热段的锅炉给水流量由温度调节阀进行控制，通过控制锅炉给水的出口温度实现锅炉给水流量的分配。去往第二急冷换热器组的锅炉给水量占锅炉给水总量的0％～70％，相应的去往下锅炉给水预热段的锅炉给水量占锅炉给水总量的30％～100％。当裂解炉炉管或急冷换热器进行烧焦时，减少进入第二急冷换热器组的锅炉给水流量直至为零，同时增大进入下锅炉给水预热段的锅炉给水流量。

具体地，

在节能流程1中，优选地，在第三级急冷换热器的锅炉给水进料管线上设置温度调节阀，通过控制第三级急冷换热器锅炉给水的出口温度实现锅炉给水流量的分配。当裂解炉炉管进行烧焦时，减少进入第三级急冷换热器的锅炉给水量，根据需要，最少可降至为零，使大部分或全部锅炉给水进入下锅炉给水预热段充分换热，从而降低裂解炉排烟温度，提高热效率。当急冷换热器进行烧焦时，通过调节阀增大进入下锅炉给水预热段的锅炉给水量，减少进入第三级急冷换热器的锅炉给水量，根据需要，最少可降至为零，使第三级急冷换热器具有较高壁温，提高清焦效果。

在节能流程2中，优选地，在第二级急冷换热器的锅炉给水进料管线上设置温度调节阀，通过控制第二级急冷换热器锅炉给水的出口温度实现锅炉给水流量的分配。当裂解炉炉管进行烧焦时，减少进入第二级急冷换热器的锅炉给水量，根据需要，最少可降至为零，使大部分锅炉给水或全部进入下锅炉给水预热段充分换热，从而降低裂解炉排烟温度，提高热效率。当急冷换热器进行烧焦时，通过调节阀增大进入下锅炉给水预热段的锅炉给水量，减少进入第二级急冷换热器的锅炉给水量，根据需要，最少可降至为零，使第二级急冷换热器具有较高壁温，提高清焦效果。

本发明的第二方面提供一种乙烯裂解炉换热系统，所述换热系统包括汽包、第一急冷换热器组和第二急冷换热器组；所述乙烯裂解炉的锅炉给水预热段分为上锅炉给水预热段和与其连通的下锅炉给水预热段；所述第一急冷换热器组的壳程均通过上升管与下降管与汽包连通，管程分别与裂解炉辐射段炉管的出口和第二急冷换热器组连通；所述第二急冷换热器组的壳程分别与上锅炉给水预热段出口和汽包连通，管程与第一急冷换热器组连通。

根据本发明，所述第一急冷换热器组可包括一级或多级急冷换热器，所述第二急冷换热器组也可包括一级或多级急冷换热器。

根据本发明一种优选实施方式，所述第一急冷换热器组包括一级或两级急冷换热器；所述第二急冷换热器组包括一级急冷换热器。

根据本发明一种优选实施方式，所述第一急冷换热器组的第一级急冷换热器为立式的线性急冷换热器或传统式急冷换热器；其余急冷换热器(包括第二急冷换热器组的二级急冷换热器)为卧式管壳式急冷换热器。具体地，在上述优选方式中，所述第一级急冷换热器为立式的线性急冷换热器；第二级急冷换热器和第三级急冷换热器为卧式管壳式急冷换热器。

其中，所述线性急冷换热器为套管式急冷换热器，也可为“U”型或倒“U”急冷换热器；所述传统式急冷换热器既可以为双套管式急冷换热器，也可以为薄管板式急冷换热器。

为实现灵活分配锅炉给水流量，优选地，所述第二急冷换热器组与上锅炉给水预热段出口连通的管线上设置有温度调节阀。

本发明技术方案带来的有益效果在于：

(1)节能流程中锅炉给水分为两路，可根据不同的操作工况进行流量的分配，使得装置操作更为灵活。

(2)相比于传统流程，节能流程中裂解气的降温全部由急冷换热器完成，无需设置油急冷器装置，因此裂解气的热量尽可能多地被锅炉给水吸收，用于产生超高压蒸汽，从而大大增加了超高压蒸汽产量，大大降低乙烯裂解装置的能耗。

(3)使用经对流段预热后的锅炉给水与裂解气进行换热，因锅炉给水温度较高，可以提高与裂解气换热的换热管壁温，有效降低裂解气重组分的冷凝，从而减缓了结焦，提高了蒸汽产量，可以进一步降低能耗。

(4)当裂解炉炉管进行烧焦时，节能流程将减少进入第二急冷换热器组的锅炉给水量，使进入下锅炉给水预热段锅炉给水充分换热，从而降低排烟温度，提高裂解炉热效率。

(5)当急冷换热器进行烧焦时，节能流程将通过调节阀增大进入下锅炉给水预热段的锅炉给水量，使得与另一路锅炉给水换热的急冷换热器具有较高壁温，可有效提高急冷换热器烧焦效果。

(6)相比于现有的技术流程，节能流程未使用温度较低的烃作为换热介质，有效地减少了急冷换热器中冷凝结焦的发生，不但提高了装置的换热效率，且有利于延长装置的生产周期，有利于生产装置的安全、长远、高效运行。

本发明的其它特征和优点将在随后

具体实施方式

部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为乙烯裂解装置示意图。

图2为现有技术一级急冷换热流程示意图。

图3为现有技术二级急冷换热流程示意图。

图4为现有技术三级急冷换热流程示意图。

图5为本发明的三级急冷换热节能流程示意图。

图6为本发明的二级急冷换热节能流程示意图。

附图标记说明：

1、裂解炉辐射段；2、裂解炉对流段；a、上原料预热段；b、锅炉给水预热段：(BFW-I：上锅炉给水预热段，BFW-II：下锅炉给水预热段)；c、下原料预热段；d、上混合段、下超高压蒸汽预热段；e、中超高压蒸汽预热段；f、下超高压蒸汽预热段；g、稀释蒸汽过热段；h、下混合段；3、急冷换热器组；4、汽包。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

实施例1

本实施例1(节能流程1)，采用如图5所示的乙烯装置裂解炉。所述换热系统包括汽包4、第一急冷换热器组和第二急冷换热器组；所述第一急冷换热器组包括两级串联急冷换热器，分别为第一级急冷换热器、第二级急冷换热器；所述第二急冷换热器组包括一级急冷换热器，为第三级急冷换热器；所述第一级急冷换热器为立式的线性急冷换热器；第二级急冷换热器和第三级急冷换热器为卧式管壳式急冷换热器。所述乙烯裂解炉的锅炉给水预热段b分为上锅炉给水预热段BFW-I和与其连通的下锅炉给水预热段BFW-II；所述第一级急冷换热器和第二级急冷换热器的壳程均与汽包连通，管程分别与裂解炉辐射段炉管的出口和第三级急冷换热器连通；所述第三级急冷换热器的壳程分别与上锅炉给水预热段BFW-I出口和汽包4连通，管程与第二级急冷换热器连通。所述第三级急冷换热器与上锅炉给水预热段BFW-I出口连通的管线上设置有温度调节阀。

裂解气经裂解炉辐射段炉管出来后，依次经过第一级急冷换热器、第二级急冷换热器与第三级急冷换热器；其中，裂解气在第一、二级急冷换热器中通过热虹吸与来自汽包的锅炉给水进行换热，在第三级急冷换热器中与经对流段预热后的锅炉给水进行换热。

全部锅炉给水先经上锅炉给水预热段BFW-I预热后，一部分锅炉给水送至第三级急冷换热器，与裂解气进行换热；另一部分锅炉给水进入下锅炉给水预热段BFW-II继续预热。

对比例1

采用如图3所示的乙烯装置裂解炉。

裂解气经裂解炉辐射段炉管出来后，依次经过第一级急冷换热器、第二级急冷换热器与油急冷器；其中，裂解气在第一、二级急冷换热器中与汽包锅炉给水进行换热，在油急冷器中通过急冷油的直接混合实现降温。

该流程中，全部锅炉给水经锅炉给水预热段b预热后全部进入汽包4。

对比例2

采用如图4所示的乙烯装置裂解炉。

裂解气经裂解炉辐射段炉管出来后，依次经过第一级急冷换热器、第二级急冷换热器与第三级急冷换热器；其中，裂解气在第一、二级急冷换热器中与汽包锅炉给水进行换热，在第三急冷换热器中与原料烃进行换热。

该流程中，全部锅炉给水经锅炉给水预热段b预热后全部进入汽包4。

实施例2

本实施例2(节能流程2)，采用如图6所示的乙烯装置裂解炉。与实施例1不同之处在于：流程中仅含两级急冷换热器。

裂解气经裂解炉辐射段炉管出来后，依次经过第一级急冷换热器、第二级急冷换热器；其中，裂解气在第一急冷换热器中与来自汽包的锅炉给水进行换热，在第二级急冷换热器中与经对流段预热后的锅炉给水进行换热。

全部锅炉给水先经上锅炉给水预热段BFW-I预热后，一部分锅炉给水送至第二级急冷换热器，与裂解气进行换热；另一部分锅炉给水进入下锅炉给水预热段BFW-II继续预热后进入汽包4。

下表1示出了在进料条件相同的情况下各流程的工艺参数对比：

表1

	对比例1	对比例2	节能流程1	节能流程2
					运行阶段	初期	初期	初期	初期
急冷换热器级数	三级	三级	三级	二级
					烃进料量吨/时	44.50	44.50	44.50	44.50
稀释比	0.3	0.3	0.3	0.3
					超高压蒸汽产量吨/时	55.55	58.6	63.76	63.76
年操作时数小时	8000	8000	8000	8000
					排烟温度℃	104	108	104	104
热效率％	94.5	94.3	94.5	94.5
					单位乙烯能耗kJ/kg(C2H4)	8948	7561	7437	7437

具有三级急冷换热器的节能流程1与具有二级急冷换热器的节能流程2在初期具有相同的热效率及相同的工艺参数。

相比对比例1，通过流程改进，节能流程的蒸汽产量从55.55吨/时增加到63.76吨/时，说明乙烯裂解炉能量利用率得到提高。同时，单位乙烯能耗由8948kJ/kg降低到7437kJ/kg，说明节能流程具有更好的节能效益。

相比对比例2，通过流程改进，节能流程的蒸汽产量从58.6吨/时增加到63.76吨/时，热效率由94.3％提高到94.5％，说明乙烯裂解炉能量利用率得到提高。同时，单位乙烯能耗由7561kJ/kg降低到7437kJ/kg，说明节能流程具有更好的节能效益。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。