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裂化炉系统和用于在其中裂化 烃原料的方法

阅读：618发布：2020-05-08

专利汇可以提供裂化炉系统和用于在其中裂化烃原料的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于将烃原料转化成裂化气体的裂化炉系统，所述裂化炉系统包括对流段、辐射段和冷却段，其中所述对流段包括多个对流管束，所述对流管束被配置为接收和预热烃原料，其中所述辐射段包括燃烧室，所述燃烧室包括至少一个辐射盘管，所述辐射盘管构造为将所述原料加热至允许热解反应的温度，其中，所述冷却段包括至少一个输送管线换热器。，下面是裂化炉系统和用于在其中裂化烃原料的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于将烃原料转化成裂化气体的裂化炉系统，所述裂化炉系统包括对流段、辐射段和冷却段，
其中，所述对流段包括多个对流管束，所述对流管束被构造成接收和预热烃原料，其中，所述辐射段包括燃烧室，所述燃烧室包括至少一个辐射盘管，所述辐射盘管构造为将所述原料加热至允许热解反应的温度，
其中，所述冷却段包括至少一个输送管线换热器，
其中，所述系统构造成使得所述原料在进入所述辐射段之前被所述输送管线换热器预加热。
2.根据权利要求1所述的裂化炉系统，其中，所述对流段包括构造成产生饱和蒸汽的锅炉盘管，其中所述锅炉盘管优选位于所述对流段的底部。
3.根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统，其中，所述对流段还构造用于将所述烃原料与稀释剂，优选稀释蒸汽混合，以提供原料-稀释剂混合物，其中所述输送管线换热器构造成在进入所述辐射段之前预热所述原料-稀释剂混合物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统，进一步包括次级输送管线换热器，其中所述次级输送管线换热器构造以产生饱和高压蒸汽。
5.根据前述权利要求2-4中任一项所述的裂化炉系统，还包括连接到所述锅炉盘管和/或所述次级输送管线换热器的汽鼓。
6.根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统，其中，所述燃烧室构造成使得燃烧室效率高于40％，优选高于45％，更优选高于48％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统，其中，所述对流段包括构造成预热锅炉给水以产生饱和蒸汽的节热器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统，其中，所述对流段包括氧化剂预热器，所述氧化剂预热器优选位于所述对流段的下游，所述氧化剂预热器构造为在将所述燃烧空气引入所述燃烧室之前预热氧化剂，例如燃烧空气和/或氧气。
9.根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统，其中，所述系统构造用于优选在不存在外部烟道气体再循环的情况下，将氧气引入所述辐射段，。
10.根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统，还包括外部烟道气体再循环回路，其构造成回收所述烟道气体的至少一部分并将所述烟道气体再循环到所述辐射段以控制火焰温度。
11.根据权利要求10所述的裂化炉系统，其中，所述外部烟道气体再循环回路包括烟道气体喷射器，所述烟道气体喷射器构造成在进入所述燃烧室之前将氧气引入到再循环烟道气体中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统，还包括热泵回路，所述热泵回路包括位于所述对流段中的蒸发器盘管以及冷凝器，其中，所述热泵回路构造为使得所述蒸发器盘管从所述对流段回收热量，并且所述冷凝器将所述热量传递至锅炉给水。
13.一种用于预热裂化炉系统的锅炉给水的热泵回路，例如根据任何前述权利要求所述的裂化炉系统，所述热泵回路包括布置成从裂化炉系统的对流段中的烟道气体回收热量的蒸发器盘管，和构造成将所述热量传递到锅炉给水的冷凝器。
14.根据权利要求13所述的热泵回路，还包括连接到所述蒸发器盘管的蒸汽-液体分离装置，所述蒸汽-液体分离装置被布置为将蒸汽与来自所述蒸发器盘管的液体-蒸汽混合物分离。
15.根据前述权利要求13-14中任一项所述的热泵电路，还包括进料流出物交换器，所述进料流出物交换器被布置为使在热源中产生的蒸汽过热，并使在所述热泵回路的散热器中产生的液体过冷。
16.根据前述权利要求13-15中任一项所述的热泵电路，还包括压缩机，所述压缩机被布置成升高蒸汽压力，使得所述蒸汽的冷凝温度超过待传送到所述锅炉给水的期望温度。
17.在裂化炉系统中裂化烃原料的方法，例如在根据前述权利要求中任一项所述的裂化炉系统中，所述方法包括第一原料预热步骤和第二原料预热步骤，
其中，所述第一原料预热步骤包括通过裂化炉系统的热烟道气体预热烃原料，其中，所述第二原料预热步骤包括在所述原料进入所述裂化炉系统的辐射段之前，通过所述裂化炉系统的裂化气体的废热进一步预热所述原料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二原料预热步骤使用输送管线换热器进行。
19.根据前述权利要求17-18中任一项所述的方法，其中，将锅炉水从所述裂化炉系统的汽鼓输送到所述裂化炉系统的对流段中的锅炉盘管，其中，所述锅炉水通过热烟道气体加热，优选蒸发，并且其中，水和蒸汽的混合物返回到所述汽鼓。
20.根据前述权利要求17-19中任一项所述的方法，其中，所述烃原料与诸如稀释蒸汽的稀释剂混合，以在所述第二原料预热步骤之前提供原料-稀释剂混合物。
21.根据前述权利要求17-20中任一项所述的方法，其中，高压蒸汽由所述裂化炉系统的裂化气体的废热产生，使用位于所述输送管线换热器下游的次级输送管线换热器。
22.根据前述权利要求17-21中任一项所述的方法，其中，在进入所述裂化炉系统的汽鼓之前，通过热烟道气体预热锅炉给水。
23.根据前述权利要求17-22中任一项所述的方法，其中，通过将氧化剂、优选纯氧直接引入到所述裂化炉系统的辐射段中来提高所述辐射段中的绝热火焰温度。
24.根据前述权利要求17-23中任一项所述的方法，其中，所述辐射段中的绝热火焰温度通过在不存在烟道气体再循环回路的情况下将燃烧空气作为主要氧化剂以及氧气作为次级氧化剂引入到所述裂化炉系统的辐射段中而增加。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述氧化剂，例如燃烧空气和/或氧气，在引入辐射段之前被预热。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述氧化剂通过所述裂化炉系统的烟道气体预热。
27.根据前述权利要求17-26中任一项所述的方法，其中，通过再循环至少部分所述烟道气体来控制所述裂化炉系统的辐射段中的绝热火焰温度。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，在进入炉燃烧室之前将氧气与所述再循环烟道气体混合。
29.根据前述权利要求17-28中任一项所述的方法，其中，在进入所述裂化炉的汽鼓之前，通过热泵回路预热锅炉给水。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，有机液体由来自所述裂化炉系统的热烟道气体加热并返回到所述热泵回路的蒸汽-液体分离装置。
31.根据前述权利要求29-30中任一项所述的方法，其中，通过所述热泵回路的冷凝器将来自高压蒸汽的热量传递到所述锅炉给水。
32.根据前述权利要求29-31中任一项所述的方法，其中，通过进料流出物交换器将来自所述热泵回路的散热器中产生的冷凝液体的热量传递到在所述热泵系统的热源中产生的饱和蒸汽。

说明书全文

裂化炉系统和用于在其中裂化烃原料的方法

[0001] 本发明涉及一种裂化炉系统。

[0002] 例如在文献US 4479869中公开的常规裂化炉系统通常包括对流段，其中烃原料被预热和/或部分蒸发并与稀释蒸汽混合以提供原料-稀释蒸汽混合物。该系统还包括辐射段，该辐射段包括燃烧室中的至少一个辐射盘管，其中来自对流段的原料-稀释蒸汽混合物在高温下通过热解转化为产物和副产物组分。该系统还包括冷却段，该冷却段包括至少一个骤冷换热器，例如输送管线换热器，其构造成快速地骤冷离开辐射段的产物或裂化气体，以停止热解副反应，并保持有利于产物的反应平衡。来自输送管线换热器的热可以高压蒸汽的形式回收。

[0003] 已知系统的缺点是需要供应许多燃料用于热解反应。为了减少这种燃料消耗，可以显著增加燃烧室效率、由辐射盘管吸收的燃烧室中释放的热量的百分比。然而，在具有增加的燃烧室效率的常规裂化炉系统的对流段中的热回收方案仅具有有限的能力来加热烃原料以达到最佳温度以进入辐射段。因此，在常规的裂化炉系统内几乎不可能降低燃料消耗，从而减少CO2排放。

[0004] 本发明的目的是解决或缓解上述问题。特别地，本发明的目的在于提供一种更有效的系统，减少了对能量供应的需要，并且因此减少了CO2的排放。

[0005] 为此目的，根据本发明的第一方面，提供了一种裂化炉系统，其特征在于根据权利要求1所述的特征。特别地，用于将烃原料转化成裂化气体的裂化炉系统包括对流段、辐射段和冷却段。对流段包括构造成接收和预热烃原料的多个常规排。辐射段包括燃烧室，该燃烧室包括至少一个辐射盘管，该辐射盘管被配置为将原料加热到允许热解反应的温度。冷却段包括至少一个作为换热器的输送管线换热器。以创造性的方式，该系统被配置成使得原料在进入辐射段之前被输送管线换热器预加热。

[0006] 输送管线换热器是布置成冷却或骤冷裂化气体的换热器。该骤冷的回收的热或废热接着可被回收并用于裂化炉系统中，例如在现有技术中通常已知的蒸汽生成。根据本发明，使用输送管线换热器中的裂化气体的废热代替在对流段中加热原料，如在现有技术系统中进行的那样，加热冷却段中的原料，可以允许燃烧室效率显著增加，从而使得燃料气体减少高达，或甚至超过，约20％。燃烧室效率是至少一个辐射盘管通过热解，其是吸热反应，将烃原料转化为裂化气体所吸收的热量和燃烧过程在燃烧区中释放的热量之间的比率，其基于25℃的较低热值。此定义符合API标准560(通用炼油厂的燃烧加热器)中定义的燃料效率公式3.25。该效率越高，燃料消耗越低，但在对流段中可用于原料预热的热量越低。冷却段中的原料的预热可以克服该障碍。因此，在根据本发明的裂化炉系统中，存在第一原料预热步骤和第二原料预热步骤。第一原料预热步骤包括通过裂化炉系统的热烟道气体预热烃原料，例如在对流段中的多个对流管束之一中。预热还包括在液态原料的情况下的部分蒸发和在气态原料的情况下的过热。第二原料预热步骤包括在原料进入裂化炉系统的辐射段之前，通过裂化炉系统的裂化气体的废热进一步预热原料。使用冷却段中的输送管线换热器来执行第二原料预热步骤。如本领域技术人员已知的，通过原料的热稳定性确定原料进入辐射段的最佳入口温度。理想地，原料在刚好低于热解反应开始点的温度进入辐射段。如果原料入口温度过低，则需要额外的热量来加热辐射段中的原料，增加在辐射段中供应的热量和相应的燃料消耗。如果原料入口温度太高，则热解可能已经在对流段中开始，这不是期望的，因为反应与在管内表面上形成焦炭相关联，其在除焦期间不能容易地从对流段中去除。本发明的裂化炉系统的另一个优点在于，在根据本发明的输送管线换热器中，重(沥青质)尾部的冷凝形成结垢是几乎不可能的。在气体到沸腾蒸汽热传递的情况下，例如当输送管线换热器被配置为如在现有技术系统中那样产生饱和蒸汽时，沸水具有比气体的热传递系数高的热传递系数。这导致壁温非常接近沸水的温度。裂化炉中的锅炉水的温度通常约为320℃，对于大部分换热器的冷端，在交换器的冷侧处的壁温度仅略微高于该温度，而对于大部分液体原料，裂化气体的露点高于350℃，导致重质尾部组分在管表面上冷凝和设备结垢。为此，需要定期清洁换热器。这在辐射盘管的除焦期间部分地实现，但是在规则的时间间隔，必须将炉取出用于输送管线换热器的机械清洁的操作。这可能需要几天，因为它不仅涉及换热器的液压喷射，而且还控制炉的缓慢冷却和加热以避免损坏。在气体到气体传热的情况下，如在本发明的本系统中那样，两个传热系数具有相等的大小，并且输送管线换热器的壁温度比在气体到沸水热交换的情况下更高，壁温度大致是在壁的每一侧上的两种介质的平均值。在根据本发明的系统中，预期壁温度在最冷部分上约为450℃，且在较热部分中快速增加到约700℃。这意味着整个换热器中的温度始终超过烃露点，因此不会发生冷凝。

[0007] 在优选实施例中，对流段可包括构造成产生饱和蒸汽的锅炉盘管。锅炉盘管可产生蒸汽，使得不用于预热原料的烟道气体的所有余热可通过产生蒸汽来回收。这增加了炉的总效率。事实上，根据该优选实施例的系统可以通过将流出物中的热量部分地转移用于原料的预热来允许系统的热回收的变化，以便在进入辐射段之前达到原料的最佳温度，同时使烟道气体中的热量转移以产生高压蒸汽。与转移以产生饱和高压蒸汽相比，更多的热量可以被转移用于原料的加热，这可以降低高压蒸汽产生，从而有利于提高原料加热。所述锅炉盘管可有利地位于对流段的底部。对流段的底部区域中的温度高于对流段的顶部区域中的温度，该位置可以在锅炉水的加热中提供相对高的效率。同时，锅炉盘管可保护对流段中的高压蒸汽过热器排免于过热。

[0008] 对流段还可优选地构造成用于将所述烃原料与稀释剂混合提供原料-稀释剂混合物，其中所述输送管线换热器配置成在进入辐射段之前预热原料-稀释剂混合物。稀释剂可优选为蒸汽。或者，可将甲烷用作稀释剂而不是蒸汽。混合物也可以在对流段中过热。这是为了确保原料混合物不再含有任何液滴。过热的量必须足以确保具有足够余量地超过露点以防止稀释剂或烃的冷凝。同时，可以防止在对流段中的原料分解和焦炭形成以及在输送管线换热器中由于高温而形成焦炭的较高风险。此外，由于原料-稀释剂混合物和裂化气体两者的比热是非常相似的，因此在换热器(即输送管线换热器)的壁的两侧所得到的热流也与原料-稀释剂混合物和裂化气体的比热相似。这意味着换热器可以在整个交换器中在从冷侧到热侧的几乎相同的温差下运行。这从工艺的观点和机械的观点看都是有利的。

[0009] 该系统还可以包括次级输送管线换热器，其中次级输送管线换热器被配置为产生饱和的高压蒸汽。根据燃烧室效率并因此取决于冷却段中的可用热量，可以在主输送管线换热器之后将次级输送管线换热器串联放置，以进一步冷却来自辐射段的裂化气体。虽然主输送管线换热器被配置为在进入辐射部分之前加热原料，但是次级输送管线换热器可以被配置为部分地蒸发锅炉水。该系统可以包括一个或多个次级换热器，但是主换热器总是被配置为预热原料，而不是产生高压饱和蒸汽。该系统还可包括连接到锅炉盘管和/或次级输送管线换热器的汽鼓。例如锅炉水可以从裂化炉系统的汽鼓流到次级输送管线换热器和/或锅炉盘管。在系统包括次级输送管线换热器和锅炉盘管的情况下，它们可以同时产生饱和的高压蒸汽。在次级输送管线换热器和锅炉盘管中的一个内，蒸汽和水的混合物部分地蒸发之后，蒸汽和水的混合物可以被重新引导到汽鼓，在该汽鼓中，蒸汽可以与剩余的液态水分离。因此，与现有技术中系统相比，产生额外的并联回路，使得可将锅炉水从裂化炉系统的汽鼓输送到裂化炉系统的对流段中的锅炉盘管，其中所述锅炉水被热烟道气体部分地蒸发。然后可将水和蒸汽的混合物返回到所述汽鼓。

[0010] 燃烧室可优选地构造成使得燃烧室效率高于40％，优选高于45％，更优选高于48％。如上面已经解释的，燃烧室效率是至少一个辐射盘管通过热解将烃原料转化为裂化气体所吸收的热量和燃烧过程中释放的热量之间的比率。现有技术裂化炉的正常燃烧室效率约为40％。如果我们高于这一效率，则原料不能再加热到最佳温度，因为烟道气体中的热量不足：将燃烧室效率从大约40％增加到大约48％将使对流段中的可用热量比例从大约
50-55％降低到大约42-47％。与现有技术的系统相比，根据本发明的系统可以应对对流段中的可用热量的这种降低。通过将燃烧室效率从约40％提高大约20％至约48％，可节省约
20％的燃料。可以以不同的方式提高燃烧室效率，例如通过升高燃烧室中的绝热火焰温度和/或通过增加至少一个辐射盘管的传热系数。在不升高绝热火焰温度的情况下提高燃烧室效率具有如下优点：NOx排放不会显著增加，这可能是氧-燃料燃烧或预热空气燃烧的情况，这是提高燃烧室效率的其它方式，这将在下面进一步讨论。例如，燃烧室可以被配置为使得点火被限制到燃烧室的热侧，即在底部燃烧炉的情况下靠近箱体底部的区域，或者在顶部燃烧炉的情况下接近顶部附近的区域。燃烧室优选地具有足够的传热面积，更具体地，至少一个辐射盘管的传热表面积足够高以传输将至少一个辐射盘管内部的原料转化至所需转化水平所需的热量，同时将烟道气体冷却至燃烧室出口处的温度，或对流段入口，其足够低以获得高于40％，优选高于45％，更优选高于48％的燃烧室效率。燃烧室的至少一个辐射盘管优选地包括高效的辐射管，例如如EP1611386、EP2004320或EP2328851中公开的涡流流管或如UK1611573.5中所述的绕组环辐射管。更优选地，所述至少一个辐射盘管具有改进的辐射线圈布局，例如，如US2008142411中所公开的三通道布局。

[0011] 对流段可以有利地包括节热器，其构造成优选在给水进入系统的汽鼓之前预热锅炉给水，用于产生饱和蒸汽。这可以提高系统的整体效率，该效率是至少一个辐射盘管通过热解将烃原料转化为裂化气体所吸收的热量和在对流段中多个对流管束(不包括任何氧化剂预热器和/或燃料预热器)所吸收的热量，与燃烧过程在燃烧区中释放的热量之间的比率，基于25℃的较低热值。

[0012] 在本发明的另一个实施方案中，对流段可以包括氧化剂预热器，优选位于对流段的下游，即烟道气体是最冷的，被配置为在将氧化剂引入燃烧室之前预热氧化剂，例如燃烧空气和/或氧气。在这种情况下，可以通过燃料气体的燃烧和例如燃烧室的燃烧器中的预热空气来提供用于燃烧室中的热解反应的热量。氧化剂的预热可以提高绝热火焰温度，并且可以使燃烧室更高效。

[0013] 系统可进一步经配置以用于将氧气引入到辐射段中。优选地，例如，可以将有限量的氧气直接引入辐射段的燃烧器中，特别是与燃烧空气一起，以提高辐射段中的绝热火焰温度，这可以提高燃烧室效率。这样在不存在烟道气体再循环回路的情况下，如将在后面讨论的完全氧-燃料燃烧的惯例，可以被认为是单独的发明。作为示例，烟道气体通常可以从大约1900℃的绝热火焰温度冷却到大约25℃的参考温度。在绝热火焰温度下，100％的热量将在烟道气体中可用，而在参考温度下，烟道气体中不留下热量。为了简化示例，假设在整个温度范围内具有恒定的比热，需要燃烧室内部从1900℃冷却到1150℃，以达到40％的效率。为了达到50％的效率，同时保持烟道气体温度在1150℃下离开燃烧室，我们需要将绝热火焰温度从1900℃升高到2275℃，这是375℃的增加。这可以通过在燃烧器中连同燃烧空气一起喷射纯氧来完成。氧气与燃烧空气的重量比约为7％的氧气的喷射足以将燃烧室效率提高25％。这可以通过在每个单独的燃烧器供应氧气来实现，优选地远离燃料尖端以最小化NOx形成，或者直接地在燃烧区中例如通过燃烧室的壁进行。主要优点是显著增加的燃烧室效率，这导致减少的燃料气体消耗并且还导致等量地减少排放到大气的温室气体CO2。另一个优点是，如后面所讨论的，与全氧-燃料燃烧相比，所需的纯氧是有限的，氧而不是燃烧空气作为氧化剂燃烧。在燃烧空气中注入7wt％的氧气可以将氧含量从20.7vol％增加到25.2vol％，并且可以将氮含量从77vol％降低到72.6vol％。较高的绝热火焰温度可导致较高的NOx产生。可能需要进行NOx减排措施，例如通过在对流段或在烟囱中安装选择性催化NOx还原床。

[0014] 在优选的实施方案中，系统可另外包括外部烟道气体再循环回路，所述外部烟道气体再循环回路构造成回收至少部分烟道气体并将所述烟道气体再循环到辐射段以控制火焰温度。这允许氧化剂中的氧喷射增加，并且因此对于给定的绝热火焰温度，氧化剂中的氮浓度降低。氧化剂中的氧浓度越高，所需的烟道气体再循环越高，以保持相同的绝热火焰温度。在极端情况下，氧化剂是纯氧，实际上耗尽了氮。这被称为全氧-燃料燃烧。在没有氮的情况下，不能形成NOx。当纯氧燃烧将绝热火焰温度升高到高于最佳值时，可优选地添加足够的外部烟道气体再循环以骤冷火焰并将其维持在期望的温度水平。烟道气体优选地从系统的对流段的下游再循环。以这种方式，可以降低辐射段中的绝热火焰温度。如上所述，引入外部烟道气体再循环以缓和由氧化剂中增加的氧含量引起的绝热火焰温度增加。烟道气体再循环速率越高，再循环烟道气体温度越低，火焰越冷并且NOx形成越少。

[0015] 外部烟道气体再循环回路可有利地包括第一烟道气体喷射器，第一烟道气体喷射器配置成在进入燃烧室之前将氧气引入再循环烟道气体中。在这种情况下，在存在再循环烟道气体的情况下，用于燃烧室中的高吸热热解反应的热量来自燃料气体和氧气的燃烧，优选是高度氮耗尽的氧气，或燃料气体和氧气和燃烧空气的组合。喷射器可以被放置在燃烧室燃烧器的上游，使得再循环的烟道气体和氧气在共同的管线中被供应到燃烧室。有利地，喷射器可在外部烟道气体再循环管道中产生较低的压力，且可降低再循环装置(例如，引风机)的功率要求，该再循环装置可位于裂化炉系统的对流段的下游。

[0016] 该系统的有利实施例可以进一步包括热泵回路，该热泵回路包括位于对流段和冷凝器中的蒸发器盘管，其中热泵回路被配置为使得蒸发器盘管从对流段回收热量，并且冷凝器将所述热量传递到锅炉给水。根据具体的炉原料组成和操作条件，这样的热泵回路可以将烟囱温度降低大约40-50℃。然后，降低烟囱温度可导致系统的整体效率的上升。已知通过从烟道气体回收热量来预热锅炉给水，以提高系统的整体效率。然而，尤其是在炉燃烧室中的氧-燃料燃烧的情况下，烟道气体的废热可能不足以直接预热锅炉给水，因为烟道气体的温度可低于锅炉给水的温度。锅炉给水通常在大约120-130℃的温度下直接由脱气器供应，而离开进料预热排的烟道气体通常低于该温度，使得给水的直接预热是不可能的。热泵回路可以提供间接换热的溶液，可以进一步降低烟囱的温度并进一步提高系统的整体效率。

[0017] 用于预热裂化炉系统的锅炉给水的热泵回路(其自身可被认为是本发明)可间接地进行该预热，并且不需要对流段中的节热器，从而提高系统的整体效率。循环在回路中的有机流体可以包括例如丁烷、戊烷或己烷中的一种或任何其它合适的有机流体。此外，作为另外的优点，热泵回路可以体现为附加模块，使得现有的裂化炉系统可以在安装之后配备这样的热泵回路，而不需要现有系统的主要修改。此外，热泵可以被配置为使得它可以服务于多个裂化炉系统，从而减少所需的设备项并降低相关成本。

[0018] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于在裂化炉系统中裂化烃原料的方法，其提供了上述优点中的一个或多个。

[0019] 将参考示例性实施例的附图进一步阐明本发明。其中，

[0020] 图1示出了根据本发明的裂化炉系统的第一优选实施例的示意图；

[0021] 图2示出了根据本发明的裂化炉系统的第二实施例的示意图；

[0022] 图3示出了根据本发明的裂化炉系统的第三实施例的示意图；

[0023] 图4示出了根据本发明的裂化炉系统的第四实施例的示意图；

[0024] 图5示出了根据本发明的裂化炉系统的第五实施例的示意图

[0025] 图6示出了根据本发明的裂化炉系统的第六实施例的示意图；

[0026] 图7示出了根据本发明的裂化炉系统的第七实施例的示意图；

[0027] 图8示出了相对氧流速与相对空气流速的关系图。

[0028] 注意，附图是通过本发明的实施例的示意性表示给出的。相应的元素被指定为具有相应的参考符号。

[0029] 图1示出了根据本发明优选实施例的裂化炉系统40的示意图。裂化炉系统40包括对流段，对流段包括多个对流管束21。烃原料1可以进入进料预热器22，进料预热器22可以是在裂化炉系统40的对流段20中的多个对流管束21中的一个。该烃原料1可以是任何种类的烃，优选为链烷烃或环烷烃，但是也可以存在少量的芳烃和烯烃。这样的原料的实例是：乙烷、丙烷、丁烷、天然汽油、石脑油、煤油、天然冷凝物、瓦斯油、减压瓦斯油、加氢处理或脱硫或加氢脱硫(真空)瓦斯油或其组合。取决于原料的状态，在与稀释剂(例如稀释蒸汽2)混合之前，在预热器中预热和/或部分或完全蒸发进料。稀释蒸汽2可直接喷射，或者备选地，如在该优选实施例中，稀释蒸汽2可首先在与原料1混合之前在稀释蒸汽过热器24中过热。
可以有单个蒸汽注入点或多个蒸汽注入点，例如用于较重的原料。混合原料/稀释蒸汽混合物可在高温盘管23中进一步加热，并且根据本发明，在主输送管线换热器35中加热以达到用于引入辐射盘管11的最佳温度。辐射盘管可以例如是涡流类型，如EP1611386、EP2004320或EP2328851中公开的，或者是三通道辐射盘管设计(如US2008 142411中所公开的)，或者绕组环管类型(UK 1611573.5)或任何其它保持合理的运行长度的类型，如本领域技术人员已知的。在辐射盘管11中，烃原料被快速加热到热解反应开始的点，使得烃原料被转化为产物和副产物。这些产物包括是氢、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、苯乙烯和/或二甲苯。副产物包括甲烷和燃料油。所得到的稀释剂的混合物(例如稀释蒸汽、未转化的原料和转化的原料，其是被称作“裂化气体”的反应器流出物)在输送管线换热器35中被快速冷却，以冻结在有利于产品中的反应平衡。以本发明的方式，通过在将原料或原料-稀释剂混合物送至辐射盘管11之前加热原料或原料-稀释剂混合物，首先在输送管线换热器35中回收裂化气体8中的废热。根据本发明，可在对流段中产生高压蒸汽，例如通过构造成至少部分地蒸发来自汽鼓33的锅炉水以产生饱和高压蒸汽的锅炉盘管26。锅炉盘管26可位于对流段的底部中并与汽鼓33连接，使得锅炉水9a可从汽鼓33流到锅炉盘管26，并且使得部分蒸发的锅炉水9b可通过自然循环从锅炉盘管26流回汽鼓33。锅炉给水3可直接输送到汽鼓33。在汽鼓33中，锅炉给水3与已经存在于汽鼓中的锅炉水混合。在汽鼓33中，所产生的饱和蒸汽与锅炉水分离，并且可以被送到对流段20以被过热，这可以由至少一个高压蒸汽过热器25(例如通过对流段20中的第一和第二过热器25)来完成。位于对流段的底部的所述锅炉盘管26可从烟道气体中回收过量的热，并可保护下游对流段排，尤其是至少一个高压蒸汽过热器排25，以免过热。所述至少一个过热器25可优选位于稀释蒸汽过热器24的上游，且优选位于锅炉盘管
26的下游。为了控制高压蒸汽温度，可以将另外的锅炉给水3喷射到位于第一和第二过热器
25之间的超级过热器34中。

[0030] 如本领域技术人员已知的，用于高吸热热解反应的反应热可以以许多不同的方式由辐射段10中的燃料(气体)5的燃烧提供，也称为炉燃烧室。燃烧空气6可以例如直接引入到炉燃烧室的燃烧器12中，其中燃烧器12燃料气体5和燃烧空气6被点燃以提供用于热解反应的热量。在炉膛燃烧室中的燃烧区14中，燃料5和燃烧空气6被转化为燃烧产物，例如水和CO2，所谓的烟道气体。使用各种类型的对流管束21在对流段20中回收来自烟道气体7的废热。一部分热量用于工艺侧，即，烃进料和/或原料-稀释剂混合物的预热和/或蒸发和/或过热，其余的热量用于非工艺侧，例如如上所述的高压蒸汽的生成和过热。

[0031] 在一个实施方案中，例如在图2中示出的裂化炉系统的第二实施方案的示意图，裂化气体中的任何过量热可以例如在至少另外的输送管线换热器、次级输送管线换热器36中回收，其配置成产生饱和的高压蒸汽。该蒸汽由来自汽鼓33的锅炉水9a产生，该锅炉水被次级输送管线换热器36部分地汽化。该部分蒸发的锅炉水9b通过自然循环流到汽鼓33。以这种方式，提供了来自汽鼓33和到汽鼓33的附加回路以增加高压蒸汽产生并提高总的炉效率。锅炉给水3可以直接输送到汽鼓33，如在图1中，或者可以首先被预热，例如通过在锅炉盘管26不需要的对流段20中可用的过量热。另外，可将另外的对流管束21(例如节热器28)添加到炉对流段20中。该对流管束28可以被配置为在进入汽鼓33之前预热锅炉给水3，目的是提高总的炉效率并提供更具成本效益的对流段。图2中的实施例进一步示出了引风机30(也称为烟道气体风扇)和位于对流段的下游端处的烟囱31，以从对流段20排出烟道气体。

[0032] 利用新的创造性布置，如图1和2中所示，可以独立于将稀释蒸汽烃混合物预热到最佳温度以进入辐射盘管所需的工艺负荷的量来减少非工艺负荷的量，即，在裂化气体和对流段中回收的用于高压蒸汽产生的负荷。这意味着对于如在图1和2中示出的新方案，燃烧室效率可以从常规方案的40％增加到高达48％，从而将燃料消耗减少大约17％。降低的燃料消耗还将烟道气体流速和相关的对流段负荷降低大约17％。新的方案允许牺牲非工艺的使用优先使用该热量用于工艺用途，导致辐射盘管的优化的工艺入口温度，但是具有较低的高压蒸汽产量。保持优化的辐射盘管入口温度是重要的，因为原料的较低入口温度将提高辐射负荷并降低燃烧室效率且提高燃料消耗，而较高的入口温度可导致在对流段内部的原料的转化以及在对流段管内部表面上的焦炭的相关沉积。在辐射盘管中，由于管温度过低无法在对流段中燃烧焦炭，这种焦炭沉积不能在常规除焦循环期间被去除，最终需要长时间关闭炉子，且费用昂贵，以在对流段中切割受影响的管并机械移除焦炭。

[0033] 炉燃烧室10中的燃烧可通过底部燃烧器12和/或侧壁燃烧器和/或通过顶部燃烧炉中的顶部燃烧器和/或侧壁燃烧器来完成。在如图2所示的炉10的示例性实施例中，通过仅使用底部燃烧器12将点火限制于燃烧室的下部。与常规方案相比，这可以提高燃烧室效率并且可以大幅减少燃料气体消耗高达约20％。例如，仅使用底部燃烧器(如图所示)或在底部燃烧的情况下使用靠近底部放置的多排侧壁燃烧器，或者通过仅使用顶部燃烧器或在顶部燃烧的情况下使用靠近顶部放置的多排侧壁燃烧器，可以实现高燃烧室效率。使燃烧室更高或放置更有效的辐射线圈是达到该目的的其他示例。由于在这种情况下的热分布更集中在辐射线圈的部分上，所以局部热通量增加，从而减小了运行长度。为了抵消这种效应，在辐射盘管中可能需要传热增强的辐射盘管的应用，例如涡流流管类型或绕组环辐射管类型，以便保持合理的运行长度。用于获得更好性能的其它装置(例如，三通道盘管设计)也可单独地或与其它装置配合地使用以增加运行长度。有利地，与传统的炉相比，该实施例基本上不具有NOx排放的问题，由于绝热火焰温度不因氧-燃料燃烧或空气预热而增加。

[0034] 图3示出了裂化炉系统的第三实施例的示意图。在该实施例中，炉燃烧室10中的热解反应的热量由在燃烧器12中燃烧的燃料气体5和预热的燃烧空气50提供。燃烧空气6可以经由强制风机37被引入，并且然后可以在对流段20中被加热，例如通过被实施为位于对流段20的下游侧的空气预热器27的对流管束，优选地在对流段中的所有其它对流段排的下游。燃烧空气的预热可以提高绝热火焰温度，并且使燃烧室比在图2中呈现的系统更高效。与常规方案相比，燃料气体减少超过25％是可行的。然而，取决于燃烧空气预热的程度，较高的绝热火焰温度也可提高NOx排放。取决于环境法规对最大NOx排放的允许，这可能需要采取NOx减排措施，例如通过在对流段20中安装选择性催化NOx还原床。由于燃烧室效率可以高于图2中所示的系统，所以对流段负荷较低，并且当燃烧室效率增加时，用于预热锅炉给水的对流段中的过量热量可能不再可用。最终，节热器可变得冗余，并且锅炉给水可在不在节热器中预热的情况下被送至汽鼓，如图3中所示。

[0035] 图4示出了裂化炉系统的第四实施例的示意图。在该实施例中，炉燃烧室10中的热解反应的热量由在燃烧器12中燃烧的燃料气体5、燃烧空气6和高氮耗尽燃烧氧气51提供。在燃烧区14中引入氧还可以将绝热火焰温度升高，作为图3中呈现的方案的替代方法。同样利用该方案，与常规方案相比，燃料气体减少超过25％是可行的。然而，取决于氧喷射的程度，较高的绝热火焰温度也可提高NOx排放。取决于环境法规对最大NOx排放的允许，这可能需要采取NOx减排措施，例如通过在对流段20中安装选择性催化NOx还原床。

[0036] 图5示出了裂化炉系统的第五实施例的示意图。在该实施例中，炉燃烧室10中的热解反应的热量由在外部再循环烟道气体52的存在下在燃烧器12中燃烧的燃料(气体)5、燃烧空气6和高氮耗尽燃烧氧51提供。可以使用喷射器55将燃烧氧51与燃烧器12上游的再循环烟道气体在通向燃烧器12的共同管线内混合。为了获得再循环烟道气体52，离开对流段20的烟道气体可以通过例如烟道气体分流器54分成生产的烟道气体7和用于外部再循环的烟道气体52。所生产的烟道气体7可使用引风机30通过烟囱31排出。相同的风机30可构造成将烟道气体从外部再循环到燃烧器12。或者，风机30可实施为两个或两个以上风机，这取决于参数，例如下游系统(例如，烟囱31或烟道气体再循环回路52)的压降差。

[0037] 图6示出了裂化炉系统的第六实施例的示意图。在该实施例中，炉燃烧室10中的热解反应的热量由在外部再循环烟道气体52的存在下在燃烧器12中燃烧的燃料(气体)5和高氮耗尽燃烧氧51提供。该方案与图5中给出的方案实际上相同，除了所有燃烧空气6被燃烧氧51代替。这是燃烧氧51的最高消耗方案，但最低量的烟道气体离开烟囱。该烟道气体非常富含CO2，使其对于碳捕获是理想的，并且由于不存在氮而使NOx排放最低，除了与泄漏到对流段中的空气一同的氮气。该方案是最环境友好的。

[0038] 可以参考图8进一步解释图4、5和6之间的关系，该图显示了相对空气流速(在水平轴上)和相对氧流速(在竖直轴线上)的函数关系。相对氧流速是在100％氧-燃料燃烧时(即在没有任何燃烧空气的情况下)相对于氧气需求的流速。图4是用于部分氧-燃料燃烧且不需要外部烟道气体再循环的裂化炉系统的示意图，而图6是用于具有外部烟道气体再循环以缓和绝热火焰温度的全氧-燃料燃烧的裂化炉系统的示意图。图5是用于中间情况的裂化炉系统的示意图。对于图4所示的方案，全氧-燃料燃烧的氧需求为如图6中所示的25％，图6所示为一个极端，由图中的“y”表示，并且对于图6方案而言为100％，其在图8的图表中被表示为“x”。图5的方案是在这两个极端之间。图6方案在三种方案中产生最低NOx，低于当前现有技术方案的NOx排放水平，而图4方案具有比其它两种方案显著更高的NOx排放水平。图5的方案是在这两个极端之间。如果没有对碳捕获的要求，且仅为了更好的燃料效率，图4方案可以是三种方案中最经济的方案。如前所述，图6方案可以是最环保的并且适合于碳捕获。燃烧空气的引入可提供对氧气的需求的显著减少，氧气需求根据相对空气流从100％降低到大约25％。对于图6方案，相对氧气流速为100％，并且对于图4方案而言，相对氧气流速是大约25％。图5的方案是在这两个极端之间。相对空气流速是相对于按图4的方案在部分氧-燃料燃烧时的燃烧空气要求的流速，在大约7wt％的氧喷射下，以提高绝热火焰温度并且没有外部烟道气体再循环。在图6方案中，相对燃烧空气需求为0％。图5的方案是在这两个极端之间。

[0039] 图7示出了裂化炉系统的第七实施例的示意图。裂化炉系统的该实施方式基于图6的实施方式，因此包括具有氧引入的烟道气体再循环回路，并且不引入燃烧空气。为了进一步提高炉效率，将热泵回路70添加到系统40中。热泵回路70被配置成从烟道气体中回收热量并使用它来预热锅炉给水，从而增加高压蒸汽的产生。热泵回路70的热源包括位于裂化炉40的对流段20中的蒸发器盘管77。该蒸发器盘管77经由降液管和上升管连接到蒸汽-液体分离装置76，例如气液分离罐。有机流体60，例如丁烷、戊烷或己烷，在自然循环下经由降液管流动到蒸发器盘管77，在那里它被从烟道气体回收的热量部分地蒸发。有机液体/蒸汽混合物61经由上升管回流到蒸气-液体分离装置。在蒸汽-液体分离装置中，蒸汽62与液体/蒸汽混合物61分离。然后将与混合物61分离的蒸汽62在进料流出物交换器74中过热，以便提高回路效率。过热蒸汽63被送到压缩机71。该压缩机71被配置为将过热蒸汽63的压力升高到这样的水平，即，压缩机71的出口处的冷凝温度具有足够余量地超过锅炉给水3需要被预热的温度水平。这需要适当选择压缩机效率。来自压缩机71的压缩的高压蒸汽64在冷凝器72中完全冷凝。冷凝热用于预热锅炉给水3。冷凝的有机液体65积聚在冷凝物容器73中。饱和液体66从冷凝物容器73被送至进料流出物交换器74以被过冷。过冷液体67在减压阀75中闪蒸至较低压力。液体在进料流出物交换器74中越过冷，此阀75的出口处的液体比例越高，且有机热泵送流体的所需循环速率越低。低压液体蒸汽混合物68被送到蒸汽-液体分离装置76，在蒸汽-液体分离装置76中，液体和蒸汽彼此分离，从而完成回路。

[0040] 在蒸发器盘管77是回路的热源的情况下，冷凝器72可以被认为是回路的散热器。需要在冷凝器72中冷凝的负荷是由蒸发器中的烟道气体回收的热量和由压缩机71的驱动器供应的热量。这意味着由驱动器供应的功率也用于产生高压蒸汽。该热量提高了回路效率，因为在驱动压缩机时没有热量损失。然而，选择高效压缩机并且应用进料流出物交换器
74以保持回路中的所有物品的流速和相应的设备尺寸尽可能小仍然是有益的。在裂化炉成列的情况下，压缩机71、冷凝物容器73和进料流出物交换器74可被配置成服务于该裂化炉列。

[0041] 成就本申请的项目是由欧盟地平线H2020计划(H2020-SPIRE-2016)根据科研经费协议n°723706所资助。

[0042] 为了清楚和简洁的描述，在本文中将技术特征描述为单独实施例或分离实施例的一部分，然而，应当理解，本发明的范围可以包括具有所描述的特征中的全部或一些的组合的实施例。可以理解，所示的实施例具有相同或相似的部件，除了了它们被描述的不同之处。

[0043] 在权利要求中，放置在括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。词语“包括”不排除与权利要求中列出的那些特征或步骤不同的其它特征或步骤的存在。此外，词语“一”和“仅有的”不应被解释为仅限于“仅一个”，而是用于表示“至少一个”，并且不排除多个。某些措施在相互不同的权利要求中被列举，这一事实并不意味着这些措施的组合不能用于有利的目的。许多变体对于本领域技术人员将是显而易见的。所有变体被理解为包含在以下权利要求中定义的本发明的范围内。

[0044] 附图标记

[0045] 1 烃原料

[0046] 2 稀释蒸汽

[0047] 3 锅炉给水

[0048] 4 高压蒸汽

[0049] 5 燃料气体

[0050] 6 燃烧空气

[0051] 7 烟道气体

[0052] 8 裂化气体

[0053] 9a 锅炉水

[0054] 9b 部分蒸发的锅炉水

[0055] 10 辐射段/炉燃烧室

[0056] 11 辐射盘管

[0057] 12 底部燃烧器

[0058] 14 燃烧区

[0059] 20 对流段

[0060] 21 对流管束

[0061] 22 进料预热器

[0062] 23 高温盘管

[0063] 24 稀释蒸汽过热器

[0064] 25 高压蒸汽过热器

[0065] 26 锅炉盘管

[0066] 27 空气预热器

[0067] 28 节热器

[0068] 30 引风机

[0069] 31 烟囱

[0070] 33 汽鼓

[0071] 34 超级加热器

[0072] 35 主输送管线换热器

[0073] 36 次级输送管线换热器

[0074] 37 强制风机

[0075] 40 裂化炉系统

[0076] 50 预热的燃烧空气

[0077] 51 氧气

[0078] 52 外部再循环烟道气体

[0079] 54 烟道气体分流器

[0080] 55 烟道气体喷射器

[0081] 60 有机液体

[0082] 61 有机液体-蒸汽混合物

[0083] 62 蒸汽

[0084] 63 过热蒸汽

[0085] 64 高压蒸汽

[0086] 65 冷凝有机液体

[0087] 66 饱和液体

[0088] 67 过冷液体

[0089] 68 低压液体-蒸汽混合物

[0090] 70 热泵回路

[0091] 71 压缩机

[0092] 72 冷凝器

[0093] 73 冷凝容器

[0094] 74 进料流出物交换器

[0095] 75 减压阀

[0096] 76 蒸汽-液体分离装置

[0097] 77 蒸发器盘管

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