一种裂解原油的裂解炉及其原油制备低碳烯烃的系统及方法
阅读说明：本技术 一种裂解原油的裂解炉及其原油制备低碳烯烃的系统及方法 (Cracking furnace for cracking crude oil and system and method for preparing low-carbon olefin from crude oil ) 是由 张利军 王国清 彭晖 张兆斌 周丛 石莹 刘同举 蒋冰 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种裂解原油的裂解炉及其原油制备低碳烯烃的系统及方法。所述方法包括在裂解原油的裂解炉对流段的下原料预热段设置有至少两组对原油的备用加热炉管,将原油物流在至少两组备用加热炉管之间进行切换,对切出的备用加热炉管进行烧焦处理；以及将经过裂解炉对流段下原料预热段预热的原油引出裂解炉进行精馏,然后将得到的轻质油品再循环回裂解炉对流段。本发明解决了结焦影响裂解炉正常在线运行的问题,保证裂解炉的在线时间,增加了裂解炉的处理能力。(The invention discloses a cracking furnace for cracking crude oil, and a system and a method for preparing low-carbon olefin from crude oil. The method comprises the steps that at least two groups of standby heating furnace tubes for crude oil are arranged at a lower raw material preheating section of a convection section of a cracking furnace for cracking crude oil, crude oil material flow is switched between the at least two groups of standby heating furnace tubes, and the cut standby heating furnace tubes are subjected to scorching treatment; and leading the crude oil preheated by the raw material preheating section below the convection section of the cracking furnace out of the cracking furnace for rectification, and then recycling the obtained light oil to the convection section of the cracking furnace. The invention solves the problem that coking affects the normal on-line operation of the cracking furnace, ensures the on-line time of the cracking furnace and increases the processing capacity of the cracking furnace.)
技术领域
本发明涉及低碳烯烃制备领域，具体地说，是涉及一种裂解原油的裂解炉及其原油制备低碳烯烃的系统及方法。
背景技术
低碳烯烃通常指碳四及碳四以下的不饱和碳氢化合物的总称，主要包括乙烯、丙烯、异丁烯、丁二烯等具有高经济价值的有机化工原料。随着我国经济的发展，这些有机化工原料的需求量逐年增大，尽管低碳烯烃的生产规模也在逐年增长，但还无法满足日益增长的需求量。
长期以来，我国一直以石脑油制备低碳烯烃产品。但近年来，随着中东油田伴生气以及美国页岩气的大量开采，这些廉价的油气资源作为乙烯原料大量使用，造成乙烯相关产品价格的急剧下降。为了应对市场竞争的冲击，拓展乙烯裂解装置的原料来源，降低原料成本，成为传统乙烯企业降本增效的有效手段。所以，将特殊的重质烃类，特别是未经加工处理原油，作为裂解炉原料，来生产低碳烯烃，有利于降低烯烃生产装置原料成本和能源消耗，快速适应市场裂解原料的供需变化。
为了充分利用原油资源，提高低碳烯烃的收率，通常利用裂解炉采用蒸汽裂解将各种烃类原料裂解成烯烃，常用的裂解炉包括对流段和辐射段。原油一般分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质四个组分，其中饱和分和沥青质分别代表原油中最稳定和最不稳定的组分。原油中包含沸点超过590℃的高分子量非挥发性组分，这些非挥发性组分在常规的裂解炉的对流段进行预热时，有小部分未被气化，未被气化的非挥发性组分会在对流段管壁结焦沉积，造成对流段炉管压降增加，甚至堵塞对流段炉管，影响裂解炉的正常运行。
CN104593039A公开了减少裂解炉对流段结焦的工艺方法，裂解炉产生的裂解气经急冷、油洗后进入水洗塔，水洗塔釜工艺水进入工艺水汽提塔，工艺水汽提塔塔釜的水进入工艺水萃取塔，与萃取剂接触，工艺水萃取塔釜水进入稀释蒸汽发生器产生稀释蒸汽。该方法主要是解决现有技术中无法脱除稀释蒸汽夹带高聚物的问题。
CN1247887A公开了一种抑制乙烯裂解装置结焦的方法，主要是采用注入结焦抑制剂以减少炉管结焦和急冷锅炉结焦；CN1546609A公开了一种抑制和减缓乙烯裂解炉结焦的方法，主要是对炉管进行气氛处理和合金化处理，形成氧化层以抑制和减缓结焦；CN101724827A公开了一种减少乙烯裂解炉管结焦的方法，是在炉管内形成一种陶瓷涂层的方法以减少炉管内壁的焦炭沉积。
上述专利采用多种方法抑制裂解炉的结焦，但不幸的是，上述种种方法虽然都有一定的效果，但都无法完全避免裂解炉的结焦，尤其是原油作为裂解原料后，对流段的结焦情况将会愈发严重，因此如何在对流段结焦的情况下仍然能够保证裂解炉的正常运行将是一个严峻的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的原油等重质原料在裂解炉对流段加热过程中容易结焦影响裂解炉正常运行的问题。
本发明通过巧妙的设计，能够在对流段结焦后进行在线快速清焦，从而不影响裂解炉的运行，保证裂解炉的正常生产。
本发明目的之一为提供一种裂解原油的裂解炉，包括对流段和辐射段，在所述对流段的原油预热部分，在下原料预热段设置有至少两组对原油的备用加热炉管。所述备用加热炉管设置在下原料预热段的末端。
所述备用加热炉管优选为异形管，所述异形管包括但不限于椭圆管、小直径管、分支变径管、梅花管、内螺旋梅花管、内肋条或外钉头强化传热管、翅片管等中的至少一种。
所述对流段原油预热部分的上原料预热段设置的炉管优选为光管。
所述备用加热炉管不仅可以用于在线清除对流段结焦，另外所述备用加热炉管在备用期间可以作为蒸汽预热管排。
所述下原料预热段设置的备用加热炉管入口设置有切换装置，在原油进料、烧焦气进料和预热蒸汽间切换；其出口设置有切换装置，在原油出料、烧焦气出料和预热蒸汽间切换。其中所述切换装置可选择本领域中通常的切换装置，优选三通阀。
本发明目的之二为提供一种原油制备低碳烯烃的系统，包括以上所述裂解炉。优选地，所述系统还包括常压精馏塔，其中常压精馏塔，其配置成接收所述经过对流段下原料预热段预热的原油、以及排放轻质油品与重质油品。
本发明系统中，所述常压精馏塔配置有将所述预热的原油从所述裂解炉对流段下原料预热段引入其中的管道；配置有将所述排放出的轻质油品循环至所述裂解炉对流段的管道。
本发明系统中，还可包括旋风分离器，其配置成接收、分离以及排放所述烧焦尾气。
所述裂解炉对流段下原料预热段备用加热炉管的出口管线在旋风分离器和常压精馏塔之间切换连接。
本发明目的之三为提供所述系统的原油制备低碳烯烃的方法，包括在裂解原油的裂解炉对流段的下原料预热段设置有至少两组对原油的备用加热炉管；将原油物流在至少两组备用加热炉管之间进行切换，对切出的备用加热炉管进行烧焦处理。
另外所述备用加热炉管在备用期间还可以作为蒸汽预热管排。
本发明方法中，优选控制原油预热至280～300℃时进入所述对流段下原料预热段的备用加热炉管。
本发明方法中，优选控制所述经过裂解炉对流段下原料预热段预热后的原油的温度为350～365℃。
本发明方法中，所述烧焦处理包括将切出的备用加热炉管，通入烧焦气体进行烧焦，烧焦尾气经过旋风分离器后回收。
对以上所述烧焦处理没有特殊的限定，可采用本领域通常的烧焦处理方法。
本发明所述的原油制备低碳烯烃的方法，还可包括将经过裂解炉对流段下原料预热段预热的原油引出裂解炉进行精馏，然后将得到的轻质油品再循环回裂解炉对流段的步骤。
精馏后得到的重质油品流出，具体可以去加氢处理等再返回裂解炉。
对以上精馏以及加氢处理等方法没有特殊的限定，可采用本领域通常的处理方法。
通常而言，裂解炉中，裂解对流段设计多个换热段回收辐射段烟气的热量，典型的对流段包括上原料预热段(UFPH)、锅炉给水预热段(BWPH)、下原料预热段(LFPH)、上混合原料预热段(UMPH)、上超高压蒸汽加热段(USSH)、下超高压蒸汽加热段(LSSH)、稀释蒸汽过热段(DSSH)和下混合原料预热段(LMPH)(图1)。当原油等重质原料作为裂解原料进入裂解炉对流段时，重质裂解原料通常会在下原料预热段、上混合原料预热段以及下混合原料预热段产生结焦现象。对流段的结焦将会带来裂解炉的停炉清焦过程，降低裂解炉的在线时间，增加了劳动强度。
本发明技术方案一方面提供了在线清除对流段结焦的方法。该方法包括：在原油等重质原料容易结焦的部分设立备用加热炉管，通常重质原料在预热过程中，随着原料物流温度越来越高，原料物流在炉管内的结焦趋势加重，结焦速率急速上升，此时，设立备用加热炉管，使得重质原料物流在备用加热炉管内结焦。间隔一定时间后，将重质原料物流从一组备用加热炉管切换至另一组备用加热炉管。切出的备用加热炉管通入烧焦气体进行烧焦，烧焦尾气经过旋风分离器后回收。这样当裂解炉对流段正常运行时，只需通过简单的切换即可进行对流段的清焦工作，不会影响裂解炉的在线时间，从而提高原油等重质原料裂解时裂解炉的在线时间，提高裂解炉的生产效率。
通常原油进入裂解炉对流段上原料预热段的温度为110～130℃，经过上、下原料预热段预热至350～365℃进常压精馏塔，从原油进入上原料预热段开始预热，为了减缓原油在预热过程中的结焦，通过控制原油在炉管中的升温控制，也就是说，控制原油预热过程中近管壁层的油膜温度不至于过高，保证原油预热过程中炉管良好的传热性能，一般该部分炉管采用光管。
原油预热至280～300℃时，进入所设立的备用加热炉管，该部分炉管一般采用异形管如翅片管等，以便在此大幅提高原油在炉管中的升温速度，通过迅速升温至350～365℃后进入常压精馏塔进行后续操作。同时，也使原油在对流段的结焦大部分集中在该部分炉管，待压降增加到一定程度或者原油出口温度降至一定程度后切换，切换后非在线的炉管进行在线清焦，清焦完成后备用。
为了避免对流段结焦引起裂解炉停炉清焦，本发明技术方案另一方面提供了减缓对流段结焦的方法。该方法包括：将原油等重质原料在上原料预热段和下原料预热段加热后，引出裂解炉对流段进入在裂解炉外设计的常压精馏塔，经过常压精馏塔将重质原料分为轻质油品和重质油品，轻质油品与稀释蒸汽混合进入对流段上混合原料预热段，重质油品引出裂解炉进入加氢装置或其他装置进行处理后再返回裂解炉(图2)。
通过上述技术方案，本发明中采用将原油中的重质部分进行切割的方式保证裂解炉其他部分结焦速率低，同时原油经过对流段原料预热段预热时，在备用加热炉管部分实现快速升温，大部分焦均在此沉积，这样通过切换方式进行清焦，从而解决了结焦影响裂解炉正常在线运行的问题，保证裂解炉的在线时间，增加了裂解炉的处理能力。
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
图1是通常裂解原料的裂解炉对流段的流程示意图。
图2是本发明原油制备低碳烯烃的系统的流程示意图。
图1和图2中，UFPH：上原料预热段；BWPH：锅炉给水预热段；LFPH：下原料预热段；UMPH：上混合原料预热段；USSH：上超高压蒸汽加热段；LSSH：下超高压蒸汽加热段；DSSH：稀释蒸汽过热段；LMPH：下混合原料预热段。
图2中，将裂解原料原油送入裂解炉中，经过对流段上原料预热段和下原料预热段，接着进入常压精馏塔，经过精馏后，得到的轻质油品返回裂解炉，轻质油品与稀释蒸汽混合进入对流段上混合原料预热段，然后经过下混合原料预热段后去辐射段；得到的重质油品流出。
图3是本发明下原料预热段中备用加热炉管的结构示意图。
图3中，1-备用加热炉管；2-旋风分离器；3-一级焦气；4-三通阀。
下原料预热段中，当进行烧焦处理时，通过三通阀4将原油物流从一组备用加热炉管切换至另一组备用加热炉管，切出的备用加热炉管通入一级焦气进行烧焦处理，烧焦尾气经过旋风分离器2分离后回收。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
本发明对比例所述裂解炉为CBL-III型裂解炉(购自中国石化工集团公司)。
以下实施例和对比例中所用的原油的组成如表1所示，该组成根据ASTM D5307方法测得。
表1
分析项目
ASTM D5307
IP，℃
69
10％，℃
192
20％，℃
272
30％，℃
337
40％，℃
393
50％，℃
446
60％，℃
508
70％，℃
595
75％，℃
653
80％，℃
-
90％，℃
-
EP，℃
-
实施例1
采用图2所示流程进行。
将裂解原料原油送入裂解炉中，经过对流段上原料预热段(炉管采用光管)和下原料预热段，其中控制原油预热至280℃时，进入下原料预热段的备用加热炉管(加热炉管采用翅片管)，经过预热后流出的原油温度为350℃，接着进入常压精馏塔，经过精馏后，得到的轻质油品返回裂解炉，轻质油品与稀释蒸汽混合进入对流段上混合原料预热段，然后经过下混合原料预热段后去辐射段进行裂解；得到的重质油品引出裂解炉进入加氢装置进行处理后再返回裂解炉。
其中，当裂解炉运行38天后，通过三通阀将原油物流从一组备用加热炉管切换至另一组备用加热炉管，切出的备用加热炉管通入烧焦气体进行烧焦，烧焦尾气经过旋风分离器后回收。
原油经裂解分离获得低碳烯烃，其中乙烯收率为25.41wt％，丙烯的收率为14.52wt％，1,3-丁二烯的收率为4.38wt％，三烯收率为44.31wt％。运行周期为72天。
实施例2
采用图2所示流程进行。
将裂解原料原油送入裂解炉中，经过对流段上原料预热段(炉管采用光管)和下原料预热段，其中控制原油预热至290℃时，进入下原料预热段的备用加热炉管(加热炉管采用梅花管)，经过预热后流出的原油温度为360℃，接着进入常压精馏塔，经过精馏后，得到的轻质油品返回裂解炉，轻质油品与稀释蒸汽混合进入对流段上混合原料预热段，然后经过下混合原料预热段后去辐射段进行裂解；得到的重质油品引出裂解炉进入加氢装置进行处理后再返回裂解炉。
其中，当裂解炉运行39天后，通过三通阀将原油物流从一组备用加热炉管切换至另一组备用加热炉管，切出的备用加热炉管通入烧焦气体进行烧焦，烧焦尾气经过旋风分离器后回收。
原油经裂解分离获得低碳烯烃，其中乙烯收率为25.43wt％，丙烯的收率为14.56wt％，1,3-丁二烯的收率为4.62wt％，三烯收率为44.61wt％。运行周期为75天。
对比例1
该对比例采用常规的裂解炉进行裂解。
原油直接送入裂解炉中，经过对流段后，直接进入辐射段，进行裂解。裂解气采用LUMMUS的顺序分离流程。对蒸汽裂解反应产物进行分析得知，乙烯的收率为21.49wt％，丙烯的收率为13.29wt％，1,3-丁二烯的收率为4.03wt％，三烯收率为38.81wt％。运行周期为5天。
从实施例和对比例的结果可以看出，采用对原油中的重质部分进行切割和备用加热炉管实现快速升温结焦并切换清焦的方法，产品中的烯烃收率增加，同时延长了运转周期。说明该方法解决了结焦影响裂解炉正常在线运行的问题，保证裂解炉的在线时间，增加了裂解炉的处理能力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。