一种电加热乙烯裂解炉
阅读说明：本技术 一种电加热乙烯裂解炉 (Electric heating ethylene cracking furnace ) 是由 李保有 张磊 薄建民 詹爽 郭英锋 冯恩明 张晋华 袁睿 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种电加热乙烯裂解炉,属于石油化工行业中乙烯生产设备技术领域,所述电加热乙烯裂解炉包括：炉本体、设于炉本体的辐射盘管和多个电热元件、以及衬于炉本体内的耐火材料,所述电热元件布置在耐火材料内部、和/或布置在耐火材料的反射面、和/或布置在耐火材料反射面和辐射管之间,根据实际工艺需要进行以上三种方式的选择,或单独使用或组合使用。本发明的乙烯裂解炉,通过调节电热元件与耐火材料的间距、耐火材料反射面角度以及电热元件布置密度、电热元件功率得到不同的辐射范围和辐射强度,可根据工艺要求有针对性地设计,使辐射盘管受热均匀,从而提高烃类裂解反应的选择性,并提高裂解炉的运行周期。(The invention provides an electric heating ethylene cracking furnace, which belongs to the technical field of ethylene production equipment in the petrochemical industry, and comprises: the furnace comprises a furnace body, a radiation coil and a plurality of electric heating elements which are arranged on the furnace body, and refractory materials which are lined in the furnace body, wherein the electric heating elements are arranged inside the refractory materials and/or on a reflecting surface of the refractory materials and/or between the reflecting surface of the refractory materials and the radiation coil, and the three modes are selected according to actual process requirements, or are used singly or in combination. The ethylene cracking furnace can obtain different radiation ranges and radiation intensities by adjusting the distance between the electric heating element and the refractory material, the angle of the reflecting surface of the refractory material, the arrangement density of the electric heating element and the power of the electric heating element, and can be designed in a targeted manner according to process requirements, so that the radiation coil is heated uniformly, the selectivity of hydrocarbon cracking reaction is improved, and the operation period of the cracking furnace is prolonged.)
技术领域
本发明涉及石油化工行业中乙烯生产设备技术领域，特别是涉及一种电加热乙烯裂解炉。
背景技术
裂解炉是乙烯生产装置的核心设备。传统乙烯裂解炉主要以燃烧燃料气或燃料油提供热量，燃烧过程中释放大量的温室气体和有害污染物。燃料燃烧器布置方式受局限，辐射形式单一，辐射强度难以精准调控。运行过程中往往存在辐射盘管局部过热、火焰舔管、管内结焦的现象，致使裂解炉不能长时间运行。
为响应国家推动非化石能源占一次能源消费比重、降低二氧化碳排放量的目标，做好乙烯裂解工艺的产业技术升级势在必行。
专利CN 1315489A公开了一种电加热裂解炉。裂解炉炉体由固定炉体和活动炉体组成，并通过在垂直方向上设置多块炉瓦以及设置间隔条等手段灵活方便的控制和调节炉内温度；并且可以在对裂解炉内部进行维修时迅速准确地检测出裂解炉的故障部位，从而进行维修。该裂解炉适用于以实验为目的的小型生产，其活动炉体及间隔条等结构无法放大进行工业化应用。电阻丝固定在炉瓦上热辐射难以聚焦。
专利CN 112414134 A公开一种恒温裂解炉。包括炉体以及用于封闭炉体开口的炉门。炉体内设置有炉膛，由碳化硅制作。炉膛上下两侧有棒状加热器，还包括安装在炉膛内部用于支撑石英管的基座；测温装置从炉体外侧延伸进炉膛内部。适用于小型生产且对管内流体受热均匀性要求不高的情况。
专利CN 213102097 U公开了一种乙烯基环体高沸物裂解炉。该裂解炉体由外到内依次为壳体、耐高温防护内胆、加热内胆、导热砖。壳体内部的中间位置处安装有裂解炉，裂解炉的两侧均安装有加热导热砖，加热导热砖的外部安装有加热板，加热板的内部安装有电热丝。裂解炉壳体一侧的上方设置有抽真空口。是一种单筒进出物料裂解炉。
专利CN 212432757 U公开了一种改进型电热解炉。包括壳体、加热管、防护层、电加热丝。加热管呈n字形设计，加热管上位于裂解气室的位置采用渐变粗管径，且内壁上均设置有用于产生紊流状态的凹点，加热管上位于裂解气室的后出气端部采用相同壁厚条件下的渐变细管径区域。应用于小流量气体采样检测。
现有公开技术在乙烯裂解炉中采用电加热供热方式的案例仅在实验室中应用，不适用于工业化应用。其他行业电加热裂解炉技术由于其工艺原理及结构等原因，不适用于乙烯裂解炉。针对乙烯裂解炉工业化运行的特点，如何采用灵活的电加热方式，使辐射强度分区可调可控，使物料受热均匀，成为电加热乙烯裂解炉技术发展中的关键问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电加热乙烯裂解炉，通过控制供热强度，解决辐射盘管加热不均的问题，实现二氧化碳的零排放。
本申请，属于石油化工行业中乙烯生产设备技术领域。裂解炉以电加热的方式，把原料和蒸汽的混合物加工成富含乙烯/丙烯等目的产物的裂解气。通过给电热元件供电，电热元件发热，并通过热辐射方式给辐射盘管提供管内裂解反应所需要的热量。电热元件把电能转化为热能，通过耐火材料的反射把热量辐射到辐射盘管。根据辐射盘管不同位置辐射强度要求的不同，电热元件的布置密度可相应调整，以准确控制辐射盘管不同位置的供热量。耐火材料的反射面可以做成异形结构，以获得不同的辐射范围和强度。在裂解炉工况改变时，可通过调节电热元件的功率，来改变裂解炉整体或局部的热负荷。
本发明提供一种电加热乙烯裂解炉，所述电加热乙烯裂解炉至少包括：炉本体、设于炉本体的辐射盘管和多个电热元件、以及衬于炉本体内的耐火材料，
所述电热元件包括第一电热元件、和/或第二电热元件、和/或第三电热元件；
所述第一电热元件布置在耐火材料的内部，所述第二电热元件布置在耐火材料的反射面，所述第三电热元件布置在耐火材料的反射面和所述辐射盘管之间。
在本发明一些实施方式中，所述炉本体设保护性气体入口和被置换气体出口，所述保护性气体入口用于通入保护性气体；所述被置换气体出口用于排出所述炉本体内的被置换气体；
优选的，所述保护性气体为氮气或惰性气体。
在本发明一些实施方式中，所述炉本体设有供所述辐射盘管安装的入口端和出口端；且靠近所述入口端处的电热元件的布置密度小于或等于靠近所述出口端处电热元件的布置密度。
所述辐射盘管在所述炉本体内的排布分为密集排列区和稀疏排列区；且所述密集排列区的电热元件的布置密度大于或等于所述稀疏排列区的电热元件的布置密度。
在本发明一些实施方式中，靠近所述入口端处，电热元件均匀布置，且各所述电热元件之间的距离为A；
靠近所述出口端处，电热元件均匀布置，且各所述电热元件之间的距离为B；其中A小于等于B，优选A小于B。
在本发明一些实施方式中，所述耐火材料的反射面为平面和/或异形结构；
所述异形结构选自U形凹面、弧形凹面或V形凹面，所述V形凹面反射角为0°-180°。
在本发明一些实施方式中，所述辐射盘管(3)安装的入口端处的炉本体内的耐火材料(13)的反射面为U形凹面和/或反射角为0°-90°的V形凹面；
所述辐射盘管(3)安装的出口端处的炉本体内的耐火材料(13)的反射面为U形凹面和/或反射角为90°-180°的V形凹面；
所述辐射盘管(3)密集排列区处的炉本体内的耐火材料(13)的反射面为U形凹面和/或反射角为0°-90°的V形凹面；
所述辐射盘管(3)稀疏排列区的炉本体内的耐火材料(13)的反射面为U形凹面和/或反射角为90°-180°的V形凹面。
在本发明一些实施方式中，所述耐火材料和电热元件固定设于电加热乙烯裂解炉内。
在本发明一些实施方式中，所述电加热乙烯裂解炉还包括电热模块；
所述电热模块包括所述电热元件和所述耐火材料，且所述电热模块可拆卸设于所述炉本体内。
在本发明一些实施方式中，所述电热模块还包括承载件和连接件；所述耐火材料设于所述承载件中，且所述耐火材料的反射面朝向所述辐射盘管；
所述连接件设于所述承载件上，用于与所述炉本体可拆卸连接。
在本发明一些实施方式中，承载件为模块套筒，连接件为法兰盖，所述耐火材料设于模块套筒中，且耐火材料的反射面朝向辐射盘管，另外裂解炉的炉本体内设置用于固定模块套筒的连接模块套筒以及与法兰盖配合的法兰。
在本发明一些实施方式中，所述炉本体为方箱式封闭炉膛；所述辐射盘管(3)吊装于所述方箱式封闭炉膛内。
在本发明一些实施方式中，所述电热元件布置在所述方箱式封闭炉膛的六个墙体的一面或多面。
在本发明一些实施方式中，所述电热元件选自铁铬铝合金、镍铬合金、碳化硅或二硅化钼中的一种或多种。
如上所述，本发明的一种电加热乙烯裂解炉具有以下有益效果：
本发明的乙烯裂解炉，炉本体结构简单，采用固定炉墙，可达到工业化规模。另外，通过调节电热元件的布置密度、电热元件与耐火材料的间距、结合耐火材料反射面的异形结构，得到不同的辐射范围和辐射强度。可根据工艺要求有针对性地设计，使辐射盘管受热均匀，从而提高烃类裂解反应的选择性，并提高裂解炉的运行周期。在裂解炉工况改变时，可通过调节电热元件的功率，来改变裂解炉整体或局部的热负荷。与此同时，裂解炉内充满保护气体，使设备更加成熟可靠。
本发明通过电热元件的热辐射加热裂解炉辐射盘管。其中电热元件可采用水电、风电、光伏发电等清洁能源供电，实现温室气体及有害气体污染物零排放，减少热量损失。区别于传统火焰加热方式，辐射盘管不受火，工作环境得到改善，盘管的使用寿命得以延长。
附图说明
图1a为本发明裂解炉的电热元件布置示意图；
图1b为图1a中A-A向投影视图及电热元件布置示意图；
图2为本发明第一电热元件、第二电热元件和第三电热元件分别与耐火材料的相对位置示意图；
图3a为本发明的耐火材料的反射面为平面；
图3b为本发明的耐火材料的反射面为U形凹面；
图3c为本发明的耐火材料的反射面为弧形凹面；
图3d为本发明的耐火材料的反射面为V形凹面；
图3e为本发明的图3a、图3b、图3c、图3d的B向投影视图；
图4a为本发明实施例1所述裂解炉的炉内电热元件布置示意图(仅示例1大组U型盘管，共8大组)；
图4b为本发明实施例1所述裂解炉的炉底布置示意图；
图4c为本发明实施例1所述裂解炉的第一程炉管对应电热元件位置及耐火材料反射面形状示意图；
图4d为本发明实施例1所述裂解炉的第二程炉管对应电热元件位置及耐火材料反射面形状示意图；
图5a为本发明实施例2所述裂解炉的侧视图及电热元件布置示意图；
图5b为本发明实施例2所述裂解炉正视图及电热元件布置示意图；
图5c为本发明实施例2所述裂解炉的下三排电热元件处电热模块的组装示意图；
图5d为本发明实施例2所述裂解炉的上两排电热元件处电热模块的组装示意图。
元件标号说明如下：
1、炉本体；
11、保护性气体入口；12、被置换气体出口；13、耐火材料；14、模块套筒；15、连接模块套筒和法兰；16法兰盖；
2a、第一电热元件；2b、第二电热元件；2c、第三电热元件；
3、辐射盘管。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
下面结合图1、图2、图3详细地描述本申请的电加热裂解炉。
如图1所示，一种电加乙烯热裂解炉，裂解炉为方箱式封闭炉膛，炉墙内衬耐火材料。炉本体设置了保护性气体入口、置换气体出口。炉膛内悬吊辐射盘管，裂解炉内连接电热元件。
其中，炉本体优选为方箱式封闭炉膛，辐射盘管吊装于方箱式封闭炉膛内。
保护性气体入口和置换气体出口设置在炉本体，优选为保护性气体入口设置在炉本体的下侧，置换气体出口设置在炉本体的上侧，且保护性气体入口和被置换气体出口的数量根据实际需求可设置一个或多个，实际使用中可在保护气体入口通入保护气体(可选择氮气或惰性气体)。被置换气由被置换气体出口排出，使炉本体内处于非氧化气氛，从而阻止裂解气在炉膛内泄漏时着火，保护加热元件不受氧化，同时延长辐射盘管使用寿命。
电热元件材质根据工作环境以及工艺需求来进行选择，至少可选用铁铬铝合金、镍铬合金、碳化硅或二硅化钼中的一种或多种，并且根据工艺需要电热元件布置在方箱式封闭炉膛的六个墙体的一面或多面。
如图2所示，电热元件可选择布置在耐火材料内部、和/或布置在耐火材料的反射面、和/或布置在耐火材料反射面和辐射管之间。三种方式可单独使用或混合使用。
具体的，如图1a和图1b所示，辐射盘管和电热元件布置均为示意性表示：其中电热元件的布置方式可选择如下方式：
第一，在布置电热元件的时候，需要考虑物料裂解反应温度及升温速度。比如，物料开始流经辐射盘管时需要快速升温，裂解反应需要吸收大量的热，电热元件的布置相对密集，对应辐射盘管入口端管路与之对应的耐火材料反射面角度相对较小；经过N(N大于等于1)程加热后，到达出口端，此时一次反应基本完成，并且管内物料已经达到较高的温度，若管内温度过高会发生二次反应使乙烯收率下降，因此辐射盘管只需要维持温度即可，还考虑到辐射盘管的强度极限，对应辐射盘管出口端管路，电热元件的布置相对稀疏，与之对应的耐火材料反射面角度相对较大。这样布置可同时降低出口端管路的辐射强度，有利于提高裂解炉的运行周期。
第二，辐射盘管结构复杂，布置的空间密度也不尽相同。为使辐射盘管受热均匀，在辐射盘管排列密集区，布置相对密集的电热元件，与之对应的耐火材料反射面形状角度相对较小；在辐射盘管排列稀疏区，布置相对稀疏的电热元件，与之对应的耐火材料反射面形状角度相对较大。
第三，受工艺要求和工程条件等制约，裂解炉炉膛空间尺寸不同，尤其是辐射盘管和耐火材料反射面距离不同，电热元件与耐火材料的相对位置有三种关系：布置在耐火材料内部、布置在耐火材料反射面、布置在耐火材料反射面与辐射盘管之间。
另外，结合上述的布置方式，电热元件还可以连续布置或间断布置，还可以均匀布置或不均匀布置。
可选的，靠近所述入口端处，电热元件均匀布置，且各电热元件之间的距离为A；靠近出口端处，电热元件均匀布置，且各所述电热元件之间的距离为B；其中A小于等于B，优选A小于B。
各电热元件之间的距离A和B的具体选择是根据裂解炉炉膛的空间尺寸以及电热元件的尺寸进行综合设计。
电热元件发出的热能通过耐火材料反射面的反射把热量辐射到辐射盘管。如图3a、3b、3c、3d所示，配合上述电热元件的布置方式，耐火材料反射面可选用平面或异形结构，以获得不同的辐射范围和强度。对于不同形状的反射面，反射面的反射角度越小辐射能量越集中，辐射强度越大，升温迅速。相较而言，反射面的反射角度越大辐射能量越分散，辐射强度越小，辐射范围越大。具体的，图3a为平面、图3b为U型凹面、图3c为弧形凹面、图3d为V形凹面。
耐火材料选用包括但不限于氧化铝镜面瓷。
在可选的实施方式中，为了方便检修或更换，电热模块和耐火材料可做成电热模块并可拆卸连接于炉本体内，电热模块设置用来盛放耐火材料的承载件和用来可拆卸连接于炉本体内的连接件。
一种可行的实施方式，承载件为模块套筒、连接件为法兰盖，模块套筒内填塞耐火材料，耐火材料的反射面通过模块套筒的一端朝向辐射盘管，模块套筒另一端连接法兰盖，通过法兰盖与炉本体固定。电热元件的导线依次穿过隔热材料、法兰盖连接炉本体外电源。
进一步说明，设置电热元件位置处，耐火材料和电热元件整合为可拆卸、可组装的电热模块，炉本体内其他位置耐火材料为衬于炉本体内。
另外，在裂解炉工况改变时，还可以通过调节电热元件的功率来改变裂解炉整体或局部的热负荷。电热元件的功率根据实际情况设计。
在实际工业应用中，根据裂解原料、投料量、热负荷等工艺条件来设计电加热乙烯裂解炉的尺寸、辐射盘管的类型及排列方式，以及相应的电热元件布置方法，以及耐火材料的选择。
下面给出本申请的电加热乙烯裂解炉的示例实施例。
实施例1
裂解原料为石脑油和稀释蒸汽的混合物，投料量为64t/h。
裂解炉热负荷36MW，裂解炉外形尺寸4m×30m×14m(H)。辐射盘管3为8大组U型盘管(1-1型)，每大组包括2小组并采用镜像布置，每小组U型盘管由6根炉管组成。
电热元件材质选择铁铬铝合金，布置在裂解炉的侧墙和炉底。整台裂解炉设720个电热元件，单个电热元件设计功率50kW，放热功率调节范围40～60kW。
如图4a为裂解炉的炉内电热元件布置示意图，仅示例1大组U型盘管，一共8大组U型盘管；
侧墙电热元件布置：单面侧墙布置336个电热元件，分为7排(裂解炉的竖直方向)，排间距1.8m。单排水平方向布置48个电热元件，对应第一程炉管电热元件水平间距0.5m(竖向放置)，对应第二程炉管电热元件水平间距0.9m(横向放置)。电热元件布置在辐射盘管和侧墙反射面之间，距离炉管中心线0.7m。
图4b为裂解炉的炉底布置示意图；炉底电热元件布置：炉底均匀布置48个电热元件，布置在耐火材料13内部。电热元件布置在耐火材料内，电热元件外表面与耐火材料反射面距离50mm。
为强化传热，如图4c所示，将对应第一程炉管电热元件的耐火材料反射面做成V形凹面，反射角α＝86℃。如图4d所示，将对应第二程炉管电热元件的耐火材料反射面做成V形凹面，反射角α＝120℃。其他位置的耐火材料反射面为平面。
裂解炉每面端墙底部设置1个保护气体入口(ID 70mm)，共2个保护气体入口11；裂解炉每面端墙顶部设置1个被置换气体出口12(ID 70mm)，共2个被置换气体出口12。保护气体选择氩气。运行前，氩气由保护气体入口11进入，炉内空气由被置换气体出口12排出，待炉内充满氩气时停止气体置换，用盲板密封保护气体入口11和被置换气体出口12，使炉内环境处于非氧化气氛。
电热元件的功率可调，可根据裂解炉工况的变化来改变裂解炉整体或局部的热负荷。
实施例2
裂解原料为丙烷和稀释蒸汽的混合物，投料量为10t/h。
裂解炉热负荷7.5MW，裂解炉外形尺寸2.8m×8m×13m(H)。辐射盘管3为下进上出单程管，延炉中心线排布，外径60.3mm，共计48根。
电热元件材质为硅钼棒，布置在裂解炉的侧墙、炉顶面、炉底面。电热元件设计功率50kW，放热功率调节范围40～60kW。
如图5a为裂解炉侧视及电热元件布置示意图，图5b为裂解炉正视及电热元件布置示意图；
侧墙电热元件布置：两面侧墙共布置132个电热元件。每面侧墙布置5排，排间距2.35m。下三排电热元件水平间距0.45m，上面两排电热元件水平间距0.75m。电热元件布置在辐射盘管3和侧墙的耐火材料13的反射面之间，距离炉管中心线0.75m。
炉顶电热元件布置：电热元件设计功率75kW，放热功率调节范围60～90kW。炉顶均布4个电热元件。电热元件布置附在侧墙的耐火材料13的反射面上。
炉底电热元件布置：电热元件设计功率75kW，放热功率调节范围60～90kW。炉底均布8个电热元件。电热元件布置附在侧墙的耐火材料13的反射面上。
为强化传热，侧墙上与电热元件对应的耐火材料13的反射面选择异型面：对应下三排电热元件的反射面选择U型凹面，对应上两排电热元件的反射面选择弧形凹面。
裂解炉每面端墙底部设置2个保护气体入口(ID 70mm)，共4个保护气体入口11；裂解炉顶部设置1个被置换气体出口12(ID 300mm)。运行前，氮气由保护气体入口11进入，炉内空气由被置换气体出口12排出，待炉内氮气含量大于95％停止气体置换，用盲板密封保护气体入口11和被置换气体出口12，使炉内环境处于非氧化气氛。
另外，为方便维修，上述实施例中的电热元件和与之对应的耐火材料做成可拆卸的电热模块。
图5c为下三排电热元件处电热模块的组装示意图，图5d为上两排电热元件处电热模块的组装示意图；
具体的，电热模块包括电热元件2c、耐火材料13、模块套筒(14)和法兰盖(16)，模块套筒(14)内填塞耐火材料，耐火材料13的反射面通过模块套筒(14)的一端朝向辐射盘管3，模块套筒(14)另一端连接法兰盖(16)。模块套筒(14)和法兰盖(16)与设置于炉本体1内的连接模块套筒和法兰(15)固定。电热元件的导线依次穿过耐火材料13、法兰盖(16)连接炉本体1外电源。
模块化设计，具备互换性，可根据设备运行情况进行替换和维修。
据本发明所述的电加热乙烯裂解炉，在运行时，接通电热元件的电源，电热元件产生的热量通过耐火材料的反射面反射到辐射盘管。在裂解炉工况改变时，可通过调节电热元件的功率，来改变裂解炉整体或局部的热负荷。裂解炉设有保护气体入口和置换气体出口，保护气体优选为氩气，使裂解炉运行过程中炉膛处于非氧化气氛，以阻止裂解气在炉膛内泄漏时着火，保护电热元件不受氧化，同时延长辐射盘管使用寿命。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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