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中国石化CBL气体裂解炉开发及工业应用!

发表时间: 2022-02-06 18:31:03

作者: 炼化及石化下游产业网

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主要内容:介绍了中国石化CBL(北方炉)气体原料裂解技术的开发背景、各阶段所实施的技术开发、各型裂解炉的技术特点、所达到的技术水平以及推广应用情况。介绍了CBL气体裂解炉在大型化、系列化和标准化上的总体考虑。

关键词:CBL裂解炉  气体裂解炉  循环裂解炉  标准化 系列化  大型化

烃类通过蒸汽裂解所得产品分布中除了乙烯和丙烯外还有乙烷和丙烷,因此为减少原料的消耗,以往乙烯装置通常设有1台循环乙烷和丙烷的气体裂解炉。近年来,随着天然气生产的副产品和炼厂干气、轻桂的回收利用、以及页岩气的开采,乙烷、丙烷、丁烷及LPG等气体原料日益增多。

文献介绍了国外乙烯专利商气体原料裂解炉大多采用大容量的多程炉管构型,包括以下几种:分支变径管(4-2-1-1-1-1,2-2-2-2-1-1,2-2-1-1)、不分支变径管(1-1-1-1-1-1,1-1-1-1)和等径不分枝炉管(1-1-1-1-1-1-1-1,1-1-1-1-1-1)。

鉴于乙烯技术的重要性以及裂解原料的多样化,中国石化在液体原料裂解炉开发成功并实现工业应用后,即把开发气体原料裂解炉技术提上日程,结合齐鲁石化公司第二轮720kt/a乙烯改扩建项目,于2002年将齐鲁石化公司CBL-I型液体原料裂解炉改造为循环乙烷裂解炉,采用2-1-1-1型炉管,线性急冷,于2004年10月投产,一次开车成功。

自2004年10月后,由中国石化工程建设有限公司(SEI)、中国石化北京化工研究院和天华化学工程有限公司组成的CBL开发组,在中国石化总部领导和相关部门及企业大力支持下,为满足乙烯装置大型化、乙烯装置改扩建和满足原料灵活性的需要,不断进行持续开发,实现了CBL气体裂解技术的系列化,并出口到马来西亚和泰国。

1.CBL气体裂解技术开发

文献介绍了国际上气体原料裂解炉的炉管构型及停留时间,见表1。

当裂解原料为纯乙烷时,裂解炉管一般采用长停留时间的炉管构型,典型的裂解炉型如燕化SRT-I型炉、茂名USC-4M乙烷裂解炉、燕化新建KTI-GK型乙烷裂解炉等。

由SEI牵头的CBL开发组在仔细分析国外气体原料裂解炉辐射炉管构型的工艺及机械设计的优缺点后,结合中石化已经开发成功的液体原料裂解炉辐射炉管2-1构型基础上提出了几种候选辐射炉管结构。几种气体裂解炉管构型比较见表2。

通过比较并结合已成功开发和推广应用的2-1型炉管与急冷换热器配置的经验,确定选用基于2-1型炉管的2-1-1-1型四程辐射炉管作为第一台CBL-R型气体原料裂解炉的辐射炉管,此辐射炉管可与线性急冷锅炉相匹配,同时也可与传统型急冷换热器相匹配。采用的(2-1-1-1)四程炉管停留时间适中,其停留时间可根据实际情况在0.4〜0.6s$设计的主要出发点为1组2一1-1-1型炉管与1台线性急冷锅炉相连接,急冷方式为线性或0型急冷锅炉、二级、三级急冷。第一代2-1-1-1型气体裂解炉的辐射炉管各程之间采用弯头连接,出口管直接与线性急冷换热器连接,见图1〜图3。

采用第一代CBL-R1气体裂解炉技术对原CBL-I裂解炉进行了改造,采用16组2-1-1-1型炉管,裂解乙烷时其产量为90〜100kt/a,运行周期达到86〜102d$之后采用此技术在天津中沙、镇海炼化、中韩石化、扬子石化、天津石化及马来西亚等建设多台气体裂解炉。图4为第一台CBL-R1气体裂解炉实际照片。图5为出口马来西亚的气体原料裂解炉$2008+2010年针对扬子石化1号乙烯SRT-#型炉〔5*、中原BA-101〔6*和茂名H-118〔7*裂解炉改造时对急冷换热器进行利旧的具体情况,分别采用2-1-1-1-1-1和其改进型的八程炉管。此外,采用2-1-1-1型辐射炉管对齐鲁GK-$型炉改造后,裂解乙烷和LPG原料时运行周期也超过200d$主要性能指标见表3。

第一代气体裂解炉辐射段炉管在机械设计上存在不足,主要是底部弯,尤其是当多组辐射炉管后与1台传统急冷换连接时,其在机械设计上存在严重缺陷。为此对第一代分支变径多程2-1-1-1型及2-1-1-1-1-1型炉管等采用底部大弯管连接,同时发明了底部大弯管连接的不分支变径的多程1-1-1-1型等辐射炉管(见图6、图7),第二代CBL-R2气体裂解炉申请了中国、美国、新加坡、伊朗、俄罗斯、哈萨克斯坦、韩国,印尼等国家的发明专利〔⑴。采用第二代CBL-R2气体裂解炉对燕化BA-108)12*、福建BA-102和中沙BA-111液体裂解炉进行改造,在提升性能的同时进行扩能。主要性能指标见表4。

2.大型化、系列化及标准化设计

2.1大型化

结合镇海1000kt/a乙烯扩能到1100kt/三和炼厂气利用,“200kt/a气体裂解炉开发及工业化应用”项目列入中国石化2013年科研开发课题。该裂解炉采用双炉膛结构,辐射炉管采用1-1-1-1型底部大弯管结构且入口管与出口管分别集中布置,底部与侧壁联合供热,裂解气采用线性急冷,原料为乙烷、LPG及C5,可分炉膛裂解和分炉膛烧焦,于2016年6月21日投产,见图8$开发年产乙烯200kt乙烷裂解炉的同时在国内首次实现了SCR脱销技术在裂解炉上的应用。结合中韩石化乙烯1100kt/a乙烯脱瓶颈项目,2016年在镇海200kt乙烷炉的基础上,将辐射段炉膛高度降低并采用不同的辐射炉管结构和急冷换热器。该裂解炉采用双炉膛结构,2-1-1-1型底部大弯管结构且入口管与出口管分别集中布置,全底部供热,裂解气采用传统急冷,原料为乙烷、LPG及NAP,可分炉膛裂解和分炉膛烧焦,于2018年5月投产,见图9投产后的主要性能指标见表5。

结合中科炼化800kt/a乙烯项目,300kt乙烷炉的开发列入中石化2017年科技开发项目,该裂解炉采用双炉膛结构,2-1-1-1型底部大弯管结构且入口管与出口管分别集中布置,全底部供热,裂解气采用传统急冷,原料为乙烷%LPG及NAP,裂解气体侧采用二级急冷,可分炉膛裂解和分炉膛烧焦,已经建成(见图10),即将投产。

2.2系列化

在气体原料裂解炉系列化方面,主要有:

1)技术上按技术单元实现系列化:辐射段、对流段、急冷锅炉、供热、工程、裂解炉改造、强化传热技术、节及减排等。

2)炉型上按辐射炉管结构实现系列化:主要体现在炉管构型系列化。CBL气体裂解炉辐射炉管构型见表6。

3)炉膛结构系列化:单炉膛、双炉膛。

4)能力系列化:40kt、60kt、90〜100kt%120〜150ktA200kt%300kt。

5)关键设备系列化:急冷锅炉有一级、二级和三级3种急冷方式;急冷换热器有线性、U型和管壳式,可根据新建还是改造来选择;供热方式有全底部供热和底侧联合供热;有系列化低NO燃烧器及不同结构的燃烧器。

2.3标准化

根据裂解炉的构成、采用单元技术标准化、炉型标准化、设备规格如管径标准化的思路开展裂解炉的标准化设计。在管径标准化方面兼顾液体原料裂解炉,如对流段炉管、辐射段炉管、急冷换热器的换热管规格等。在炉膛结构方面,正常情况下200kt及以下的采用单炉膛结构,大于200kt级的采用双炉膛结构。在工艺及工程设计方面,则实施设计方案标准化、单元设计标准化、同一大小的辐射段炉膛可以布置不同结构的辐射炉管,急冷换热器可根据情况选择不同方式或结构,对同一规模的气体裂解炉,即使辐射段炉管构型不同,对流段也按相同设计考虑。

3.结语

综上所述,自2002年开发至今,CBL气体裂解炉能力从最初的90〜100kt/a发展到目前的300kt/a,实现了大型化、系列化和标准化,主要技术指标在运行周期、热效率方面达到国际领先水平。采用CBL气体技术建设的各型新建及改造(辐射炉管)气体裂解炉总共达46台,总能力达5375kt/a乙烯(见表7)。

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