本發(fā)明涉及一種裂解爐，尤其是一種管式裂解爐。管式裂解爐用于加熱天然氣、煉廠氣、原油及石腦油等各類裂解原料，促使裂解原料發(fā)生碳鏈斷裂化學(xué)反應(yīng)，生成烴乙烯、丙烯和/或丁二烯等低碳烯及各種副產(chǎn)物。

背景技術(shù)：

乙烯、丙烯和丁二烯等低碳烯烴是石油化學(xué)工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料。目前，生產(chǎn)低碳烯烴的方法以管式爐石油烴蒸汽裂解工藝為主。據(jù)統(tǒng)計，世界上大約99％的乙烯、50％以上的丙烯和90％以上的丁二烯通過該工藝生產(chǎn)。

管式爐石油烴蒸汽裂解工藝的核心設(shè)備是管式裂解爐(以下簡稱“裂解爐”)，裂解原料如乙烷、丙烷、石腦油以及加氫尾油在裂解爐中被加熱到高溫時，會發(fā)生碳鏈斷裂化學(xué)反應(yīng)，生成低碳烯烴如乙烯、丙烯和丁二烯等。但是，熱裂解反應(yīng)過程十分復(fù)雜，除了目的產(chǎn)物低碳烯烴外，同時還會發(fā)生脫氫、異構(gòu)化、環(huán)化、疊合和縮合等副反應(yīng)，生成其他副產(chǎn)物。因此，如何控制反應(yīng)條件，使反應(yīng)產(chǎn)物中目的產(chǎn)物低碳烯烴最多是該領(lǐng)域一直研究的課題。

國內(nèi)外的長期研究結(jié)果表明，原料烴類在高溫、短停留時間、低烴分壓的條件下對生成烯烴是有利的。在反應(yīng)的初期，從壓降方面看，由于反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率較低，管內(nèi)流體體積增大不多，管內(nèi)流體的線速度也增大不多，較小的管徑不會引起壓降增加太多，不會嚴(yán)重影響平均烴分壓增加；從熱強(qiáng)度方面看，由于原料急劇升溫，吸收大量熱量，所以要求熱強(qiáng)度大，較小的管徑可使比表面積增加，從而滿足要求；從結(jié)焦趨勢看，由于轉(zhuǎn)化率較低，二次反應(yīng)尚不能發(fā)生，結(jié)焦速率較低，較小的管徑也是允許的。在反應(yīng)的后期，從壓力降方面看，由于此時轉(zhuǎn)化率較高，管內(nèi)流體體積增大較多，同時，流體的線速度也急劇上升，較大管徑比較適合；從熱強(qiáng)度方面看，由于轉(zhuǎn)化率已經(jīng)較高，熱強(qiáng)度開始減小，較大的管徑不會顯著影響傳熱效果；從結(jié)焦趨勢方面看，由于轉(zhuǎn)化率較高，二次反應(yīng)較多，結(jié)焦速率增加，較大的爐管管徑能夠保證爐管通暢且 不至于造成太大的壓降。綜上所述，一般而言，我們會在設(shè)計裂解爐管時在裂解爐管的入口(即反應(yīng)初期)采用較小的管徑，在裂解爐管的出口采用較大的管徑。

為了實現(xiàn)“高溫、短停留時間和低烴分壓”的目標(biāo)，幾乎所有構(gòu)型的新爐管均采用了縮短管長的方法，如lummus公司將管長由八程73m縮短到兩程25m左右；石偉公司將管長由四程45m改為兩程21m；KTI公司將管長由四程46m縮短到兩程23m，停留時間也隨之由0.5s以上降低至0.15～0.25s。

世界上開發(fā)乙烯管式裂解爐技術(shù)的專利商有ABB Lummus Global、Technip、Stone&Webster、Linde、KBR和Sinopec公司等，并且已經(jīng)占據(jù)乙烯裂解技術(shù)的主導(dǎo)地位。目前，這些技術(shù)專利商都十分注重乙烯裂解爐新型技術(shù)的研究與開發(fā)，輻射段爐管的設(shè)計研究就是重要研究方向之一，輻射段盤管的設(shè)計是決定裂解選擇性和提高裂解產(chǎn)品收率的關(guān)鍵步驟，改變輻射盤管的結(jié)構(gòu)和排布，例如不分支變徑、分支變徑、單程等徑等不同結(jié)構(gòu)的輻射爐管已經(jīng)成為爐管優(yōu)化的重要方向。

從裂解爐爐管的角度看，在反應(yīng)的初期，由于原料急劇升溫，吸收大量熱量，所以要求熱強(qiáng)度大，較多較小的管徑可使比表面積增加，從而滿足要求；在反應(yīng)的后期，由于轉(zhuǎn)化率已經(jīng)較高，熱強(qiáng)度開始減小，較少較大的管徑不會顯著影響傳熱效果。綜上所述，一般而言，在設(shè)計裂解爐管時在裂解爐管的入口(即反應(yīng)初期)采用較多較小的管徑，在裂解爐管的出口采用較少較大(即反應(yīng)末期)的管徑。

從裂解爐爐膛的角度看，裂解爐爐管反應(yīng)需要的熱量全部由爐膛提供，在裂解爐的爐膛內(nèi)，燃料氣(主要是甲烷和氫)燃燒提供熱量，這些熱量通過輻射傳熱和對流傳熱進(jìn)入爐管，其中輻射傳熱是主要的傳熱方式，占總傳熱量的85％以上。而裂解爐爐膛輻射傳熱受到多種復(fù)雜因素的影響，如爐膛的結(jié)構(gòu)和尺寸、燃料的種類及供熱方式、燃燒器的種類等等。目前傳統(tǒng)的裂解爐采用陶瓷纖維或者耐火磚作為裂解爐的爐墻，利用燃料氣燃燒的高溫?zé)煔夂蜖t墻的輻射傳熱對裂解爐輻射爐管內(nèi)的反應(yīng)物料進(jìn)行加熱，裂解爐的爐墻全部采用平整的爐墻結(jié)構(gòu)，從輻射傳熱的角度而言，裂解爐爐墻的輻射對爐管的入口部分和出口部分都是一樣的。

目前的裂解爐爐膛傳熱過程存在如下兩個問題，一是裂解爐爐膛傳熱面積 不足，裂解爐爐膛傳熱過程主要是輻射傳熱，輻射傳熱量主要取決于輻射面的傳熱面積。對于爐管而言，其外表面積在裂解爐能力確定時也基本確定，而且增加爐管外表面積由于爐管價格貴而導(dǎo)致成本很高。對于爐墻而言，其表面積與爐膛大小和爐墻的形狀有關(guān)系。二是裂解爐爐墻輻射傳熱對于爐管管排而言無任何差別，即裂解爐的爐墻無論對于入口管排還是出口管排其傳熱面積均一致，對于熱通量大的區(qū)域和熱通量小的區(qū)域也同樣，這會導(dǎo)致裂解爐局部受熱不均，從而造成爐管局部溫度過高，減少裂解爐的運(yùn)行周期。

本發(fā)明一方面增加了爐膛內(nèi)爐墻的輻射傳熱面積，大大降低了裂解爐的燃料用量，另一方面從爐膛輻射傳熱和爐管設(shè)計兩個方面考慮，發(fā)明一種提超高選擇性的裂解爐，使得裂解爐爐管的吸熱需求與裂解爐爐膛輻射傳熱供熱相一致，從而得到一個具有適當(dāng)運(yùn)行周期、選擇性高、熱效率高、能耗低的新型裂解爐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種能夠顯著增加裂解反應(yīng)的速率的管式裂解爐。

本發(fā)明提供了一種管式裂解爐，其包括：用于限定輻射腔的輻射腔爐襯；設(shè)置在所述輻射腔內(nèi)的爐管組件。其中，在所述輻射腔爐襯的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有用于把所述輻射腔內(nèi)的熱輻射反射到爐管組件上的至少一個反射構(gòu)件。

在一個實施例中，所述反射構(gòu)件具有朝向斜下方的反射面，并且所述反射面的法線斜著穿過所述爐管組件。

在一個實施例中，各所述反射面的面積之和與所述反射構(gòu)件在所述輻射腔爐襯的內(nèi)側(cè)壁上的占用面積的比值為1.5～4。

在一個實施例中，反射構(gòu)件在所述輻射腔爐襯的內(nèi)側(cè)壁上的占用面積為所述輻射腔爐襯的內(nèi)側(cè)壁的總面積的10％～80％。

在一個實施例中，所述爐管組件為多程爐管。

在一個實施例中，所述反射構(gòu)件為凸起或凹槽。

在一個實施例中，所述反射構(gòu)件的橫截面為三角形，并且由所述反射面和與之相連并決定反射面相對所述輻射腔爐襯的內(nèi)側(cè)壁的斜率的支撐面組成。

在一個實施例中，所述支撐面與所述輻射腔爐襯的內(nèi)側(cè)壁相垂直。

在一個實施例中，上述管式裂解爐還包括急冷鍋爐，而所述爐管組件包括一根與所述輻射腔爐襯的頂部相連并連通所述急冷鍋爐的豎向高位粗管，以及通過混合器集中連接在所述粗管的底部的至少一根豎向低位細(xì)管。

在一個實施例中，在所述爐襯的側(cè)壁和/或底壁上設(shè)有用于向所述輻射腔內(nèi)提供熱輻射的多個燃燒器。

在一個實施例中，所述反射構(gòu)件的材料為耐火材料。

根據(jù)本發(fā)明的管式裂解爐通過反射構(gòu)件可以把接收的熱輻射反射到爐管組件，促使輻射腔內(nèi)的熱輻射集中到爐管組件上，使得爐管組件內(nèi)的溫度上升速率得以大幅度的提高，由此顯著增加爐管組件內(nèi)裂解反應(yīng)的速率。與此同時，根據(jù)本發(fā)明的管式裂解爐可以在不增加爐管組件的外表面的同時顯著增加爐管組件內(nèi)裂解反應(yīng)的速率，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有更高的裂解反應(yīng)的速率。

根據(jù)本發(fā)明的管式裂解爐的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)容易，使用安全高效，便于實施推廣應(yīng)用。

附圖說明

在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的管式裂解爐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的管式裂解爐的輻射腔、輻射腔爐襯、爐管組件、反射構(gòu)件和燃燒器；以及

圖3為圖2中D處的局部放大圖。

在附圖中相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實際的比例繪制。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的管式裂解爐10的結(jié)構(gòu)示意圖。該管式裂解爐10主要用于加熱天然氣、煉廠氣、原油及石腦油等各類裂解原料，促使裂解原料發(fā)生碳鏈斷裂化學(xué)反應(yīng)，生成烴乙烯、丙烯和/或丁二烯等低碳烯及各種副產(chǎn)物。

如圖1所示，管式裂解爐10包括輻射腔2、與輻射腔2相連的且錯開式高于輻射腔2的對流腔3和設(shè)置在輻射腔2內(nèi)的爐管組件4、位于輻射腔2的頂部上方且與爐管組件4連通的急冷鍋爐6(屬于本領(lǐng)域的常規(guī)產(chǎn)品)、能夠為輻射腔 2提供熱量的燃燒器8。在裂解過程中，裂解原料首先經(jīng)過對流腔3進(jìn)行汽化和預(yù)熱處理，然后經(jīng)過輻射腔2中轉(zhuǎn)而進(jìn)入到爐管組件4內(nèi)進(jìn)行裂解反應(yīng)，裂解之后進(jìn)入到急冷鍋爐6內(nèi)進(jìn)行冷卻處理。

輻射腔2由輻射腔爐襯21限定而成形。容易理解的是，對流腔3也可由對流腔爐襯31限定而成形，輻射腔爐襯21與對流腔爐襯31相連通。其中，在輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有用于把輻射腔2內(nèi)的熱輻射反射到爐管組件4上的至少一個反射構(gòu)件7。通過這種方式，反射構(gòu)件7可以把接收的熱輻射反射到爐管組件4，促使輻射腔2內(nèi)的熱輻射集中到爐管組件4上，使得爐管組件4內(nèi)的溫度上升速率得以大幅度的提高，由此可以顯著增加爐管組件4內(nèi)裂解反應(yīng)的速率。容易理解，管式裂解爐10可以在不增加爐管組件4的外表面的同時顯著增加爐管組件4內(nèi)裂解反應(yīng)的速率，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有更高的裂解反應(yīng)的速率。

反射構(gòu)件7具有朝向斜下方的反射面71，并且反射面71的法線L斜著穿過爐管組件4，詳見圖2。由于大量熱輻射來源于輻射腔2的底部，因此朝向斜下方的反射面71能夠把大量熱輻射反射到爐管組件4，進(jìn)一步地提高爐管組件4內(nèi)的溫度上升速率，從而再次增加爐管組件4內(nèi)裂縫反應(yīng)的速率。其中，反射面71可為平面、錐形面或其他形狀曲面。但是反射面71優(yōu)選為平面或錐形面，由此便于降低制造的難度，節(jié)約反射構(gòu)件7的生產(chǎn)成本。

反射構(gòu)件7的材料和輻射腔爐襯21的材料均可選為耐火材料。在一個優(yōu)選的實施例中，反射構(gòu)件7的耐火材料的反射率比輻射腔爐襯21的耐火材料的反射率強(qiáng)，由此可提高爐管組件4內(nèi)的溫度上升速率，增加爐管組件4內(nèi)裂縫反應(yīng)的速率。

反射構(gòu)件7選為凸起或凹槽。在一個實施例中，多個反射構(gòu)件7統(tǒng)一選為凸起或凹槽。在另一個實施例中，多個反射構(gòu)件7中一部分反射構(gòu)件7選為凸起，而另一部分反射構(gòu)件7選為凹槽。簡單地說，反射構(gòu)件7無論選為凸起還是選為凹槽，只要反射構(gòu)件7具有上述反射面71就可以把輻射腔2內(nèi)的熱輻射反射到爐管組件4上即可。

實驗驗證，當(dāng)各反射面71的面積之和與反射構(gòu)件7在輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁上的占用面積的比值為1.5～4時，反射構(gòu)件7對爐管組件4內(nèi)裂縫反應(yīng)具有較佳的促進(jìn)作用，即增加了裂縫反應(yīng)的速率，大幅度降低副產(chǎn)物的含量。

反射構(gòu)件7在輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁上的占用面積為輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè) 壁的總面積的10％～80％。當(dāng)反射構(gòu)件7在輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁上的占用面積為輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁的總面積的10％～80％時，不僅能夠有效提高爐管組件4內(nèi)的溫度上升速率，從而再次增加爐管組件4內(nèi)裂縫反應(yīng)的速率，而且也不會因占用面積過大而影響輻射腔爐襯21的強(qiáng)度。

反射構(gòu)件7無論選為凸起還是選為凹槽，反射構(gòu)件7的橫截面可均選為三角形、梯形或多邊形等能夠設(shè)置出上述反射面71的形狀。在一個優(yōu)選的實施例中，反射構(gòu)件7為三角形，使得反射構(gòu)件7由反射面71和與反射面71相接合支撐面72所限定，詳見圖3。支撐面72用于決定反射面71相對輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁的斜率。換句話說，改變支撐面72的角度和尺寸，能夠把反射面71相對輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁的斜率設(shè)置成最佳值，以使反射面71的功效最大化。

在一個優(yōu)選的實施例，支撐面72與輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁大致垂直。由于支撐面72與輻射腔爐襯21的內(nèi)側(cè)壁大致垂直，使得支撐面72很難對裂解反應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響。爐管組件4的頂部區(qū)域內(nèi)的煙氣濃度過高，若對頂部區(qū)域內(nèi)的煙氣進(jìn)行加熱，容易造成最終產(chǎn)品的副產(chǎn)物增加，但是由于支撐面72不能夠把熱輻射反射集中到爐管組件4的頂部區(qū)域，因此可以避免最終產(chǎn)品的副產(chǎn)物的增加。

在一個優(yōu)選的實施例中，爐管組件4包括一根與輻射腔爐襯21的頂部相連并連通急冷鍋爐6的豎向高位粗管41，以及通過混合器43集中連接在豎向高位粗管41的底部的至少一根豎向低位細(xì)管42。其中，所謂的豎向高位粗管41是指沿著豎向方向布置的、位置比豎向低位細(xì)管42高的且直徑比豎向低位細(xì)管42粗的管，而豎向低位細(xì)管42是指指沿著豎向方向布置的、位置比豎向高位粗管41低的且直徑比豎向低位細(xì)管42細(xì)的管。其中，混合器43屬于本領(lǐng)技術(shù)人員熟知的，在此不作詳細(xì)描述。

所述的爐管組件4可以是1-1型輻射爐管，即豎向低位細(xì)管(一程爐管)42的數(shù)量為一根；或者是2-1型輻射爐管，即豎向低位細(xì)管(一程爐管)42的數(shù)量為兩根且對稱布置；或者是4-1型輻射爐管，即豎向低位細(xì)管(一程爐管)42的數(shù)量為四根且均勻布置，等等。

當(dāng)裂解原料的流體進(jìn)入到各個豎向低位細(xì)管42時，由于多根豎向低位細(xì)管42的外表面所形成的吸熱表面較大，并且豎向低位細(xì)管42內(nèi)所引起的壓降增加量較小，由此能夠迅速提升各豎向低位細(xì)管42內(nèi)的溫度，增加豎向低位細(xì)管42內(nèi)裂解反應(yīng)的速率。當(dāng)裂解原料的流體進(jìn)入到豎向高位粗管41內(nèi)時，豎向高位 粗管41能夠降低對烴類裂解反應(yīng)后期的結(jié)焦敏感性。

在一個優(yōu)選的實施例中，在輻射腔爐襯21的周壁中部和/或周壁底部上設(shè)有用于向輻射腔2內(nèi)提供熱輻射的多個燃燒器8。由此，可以提高輻射腔2內(nèi)的熱量。

綜上可知，本發(fā)明的管式裂解爐10通過反射構(gòu)件7可以把接收的熱輻射反射到爐管組件4，促使輻射腔2內(nèi)的熱輻射集中到爐管組件4上，使得爐管組件4內(nèi)的溫度上升速率得以大幅度的提高，由此可以顯著增加爐管組件4內(nèi)裂解反應(yīng)的速率。與此同時，管式裂解爐10可以在不增加爐管組件4的外表面的同時顯著增加爐管組件4內(nèi)裂解反應(yīng)的速率，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有更高的裂解反應(yīng)的速率。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個實施例中所提到的各項技術(shù)特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。