裂解系统及裂解方法 |
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| 申请号 | CN202211306484.3 | 申请日 | 2022-10-25 | 公开(公告)号 | CN117965194A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 中国石油化工股份有限公司; 中石化(北京)化工研究院有限公司; | 发明人 | 杨士芳; 刘俊杰; 王国清; 张利军; 李晓锋; 杨沙沙; 杜志国; 刘同举; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及裂解领域，公开了一种裂解系统及裂解方法。本发明的裂解系统包括 对流 段和 辐射 段，所述对流段和辐射段分别独立地包括进料口和出料口，所述对流段的出料口和辐射段的进料口通过连接管道连接；所述对流段用于将裂解原料加热至横跨 温度 得到升温裂解原料且所述对流段的加热装置为激波加热器。该系统减少了CO2 排放量 ，能够高效利用 能源 ，精准控制横跨温度，实现工业化应用，同时将传统 裂解炉 分为两个独立的模 块 ——对流段和辐射段，有利于避免大型化裂解炉所出现的对流段烟气分布不均和热效率降低的问题。此外，本发明系统的对流段采用激波反应器内生热方式供热，换热效率高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种裂解系统，其特征在于，所述系统包括对流段和辐射段，所述对流段和辐射段分别独立地包括进料口和出料口，所述对流段的出料口和辐射段的进料口通过连接管道连接； |
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| 说明书全文 | 裂解系统及裂解方法技术领域[0001] 本发明涉及裂解领域，具体地涉及一种裂解系统及裂解方法。 背景技术[0002] 在基础化学品的生产中，蒸汽裂解装置起着至关重要的作用，将石油烃类化合物分解成烯烃和芳烃需要消耗大量的能量。通常情况下，相关裂解反应在裂解炉辐射段炉管中进行，炉内温度需要达到850℃才会发生，与此同时，在裂解炉运行过程中还需要持续提供足够的能量以保证裂解反应达到所需要的转化率。目前，业内主要通过位于裂解炉炉膛内的燃烧器燃烧化石燃料来提供裂解反应所需要的能量，其中裂解炉对流段主要用于回收烟气余热以预热并汽化原料油，同时使得原料油和稀释蒸汽过热至物料的横跨温度，剩余的热量用来预热超高压蒸汽和预热锅炉给水；裂解炉辐射段为主反应区，裂解反应主要发生在位于辐射段的裂解炉管中。裂解炉作为乙烯装置的能耗大户，其能耗可占到整个乙烯流程工业能耗的60％左右，而依靠化石燃料燃烧来加热裂解炉会产生大量的CO2，从而导致裂解炉成为整个石化价值链中最大的二氧化碳排放源之一，这与现阶段所提出的碳达峰碳中和的发展目标是相悖的，因此裂解炉绿色化一直是裂解领域的研究重点。 [0003] 现有技术中对于裂解炉的改进主要在于裂解炉燃烧器的结构及排布方式、裂解炉炉体保温层等方面，主要目的在于减少裂解炉NOX排放以及热量损失，提高裂解炉的热效率，但都未能解决裂解炉CO2排放过高的问题。此外，随着单台裂解炉裂解能力的提高和双辐射段裂解炉的出现，炉子的长度和进料组数大大增加，常规的与辐射段等长的对流段结构会产生由于对流段过宽或过长从而导致对流段烟气分布不均，传热效率降低的问题。 发明内容[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术的存在裂解系统CO2排放过高、热转化效率低、能量消耗较多、对流段容易结焦的问题，提供一种裂解系统和裂解方法。该系统减少了CO2排放量，能够高效利用能源，精准控制横跨温度，实现工业化应用，同时将传统裂解炉分为两个独立的模块——对流段和辐射段，有利于避免大型化裂解炉所出现的对流段烟气分布不均和热效率降低的问题。 [0005] 为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种裂解系统，所述系统包括对流段和辐射段，所述对流段和辐射段分别独立地包括进料口和出料口，所述对流段的出料口和辐射段的进料口通过连接管道连接； [0006] 所述对流段用于将裂解原料加热至横跨温度得到升温裂解原料且所述对流段的加热装置为激波加热器。 [0007] 本发明第二方面提供一种裂解方法，所述方法包括将裂解原料引入如前所述的系统中进行裂解反应。 [0008] 通过上述技术方案，本发明获得的有益效果有： [0010] 2、本发明的系统中的对流段的热源由激波加热器加热循环气得到，辐射段的热源由电阻丝提供，也即所需能量均由绿电提供，与传统裂解炉相比，大幅度降低裂解系统的CO2排放量； [0012] 图1是本发明的一些实施方式中裂解系统示意图； [0013] 图2是本发明的一些实施方式中激波加热器结构示意图。 [0014] 附图标记说明 [0015] 1‑激波加热器，2‑对流段，3‑辐射段，4‑换热盘管，5‑辐射段进料口，6‑辐射段出料口，7‑竖向间隔板，8‑螺旋状加热电阻丝，9‑保温材料，10‑循环气回收装置，11‑循环气进口，12‑对流段进料口，13‑对流段出料口，14‑裂解产物，15‑循环气出口，16‑裂解炉管，17‑待加热循环气入口，18‑旋转叶片，19‑无叶流动空间，20‑循环气放储罐，21‑激波加热器的出口，22‑激波加热器壳体。 具体实施方式[0016] 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。 [0017] 本发明第一方面提供一种裂解系统，所述系统包括对流段和辐射段，所述对流段和辐射段分别独立地包括进料口和出料口，所述对流段的出料口和辐射段的进料口通过连接管道连接； [0018] 所述对流段用于将裂解原料加热至横跨温度得到升温裂解原料且所述对流段的加热装置为激波加热器。 [0019] 本发明中，所述对流段和辐射段是两个独立的单元，对流段和辐射段通过连接管道相连接。 [0020] 本发明的一些实施方式中，所述对流段还包括循环气进口和循环气出口。 [0021] 本发明的一些实施方式中，所述对流段还包括换热盘管。其中，所述换热盘管的两端分别连接对流段的进料口和出料口，所述裂解原料由对流段的进料口进入到换热盘管中被加热至横跨温度。 [0022] 本发明中，所述激波加热器用于将循环气进行加热后将加热的循环气引入所述对流段中与裂解原料进行换热以使裂解原料被加热至横跨温度。本发明的一些实施方式中，所述激波加热器包括出口和待加热循环气入口，所述激波加热器的出口与对流段的循环气进口连接。所述激波加热器用于将加热后的循环气引入对流段，加热的循环气与换热盘管中的裂解原料进行换热以使裂解原料被加热至横跨温度。 [0023] 本发明中，所述循环气可以为本领域常规使用的循环气。优选的情况下，所述循环气为空气、氮气或二氧化碳中的至少一种。 [0024] 本发明中，对所述激波加热器没有特别限定，只要能够加热循环气即可。发明人在研究中发现，当所述激波加热器内的旋转叶片的个数为4‑8个时，即可满足加热裂解原料所需热量。因此优选的情况下，所述激波加热器内设置有旋转叶片，所述旋转叶片的个数为4‑8个。 [0025] 本发明的一些实施方式中，为了降低加热过程所产生的碳排放，所述激波加热器的电能来自于绿电。 [0026] 本发明的一些实施方式中，所述系统还包括循环气储罐，与激波加热器连接，用于提供待加热循环气。其中，所述循环气储罐中的待加热的循环气通过激波加热器的待加热循环气入口进入激波加热器进行加热。 [0027] 本发明的一些实施方式中，所述系统还包括循环气回收装置，所述循环气回收装置用于回收对流段中与裂解原料换热后的循环气得到回收的循环气。优选的情况下，所述回收的循环气进入到循环气储罐中。 [0028] 本发明中，所述辐射段用于将升温至裂解温度的裂解原料进行裂解反应。本发明的一些实施方式中，所述辐射段内部设置有裂解炉管，所述裂解炉管的两端分别连接辐射段的进料口和出料口。 [0029] 本发明的一些实施方式中，所述辐射段所需热源由所述加热电阻丝提供。优选的情况下，所述加热电阻丝为螺旋状加热电阻丝。优选的情况下，所述电阻丝所需电能来自于绿电。 [0030] 本发明的一些实施方式中，所述辐射段内部设置有保温材料。优选的情况下，为了提高所述辐射段的保温性能，所述辐射段内部设置有外层保温材料和内层保温材料。应当理解的是，所述外层保温材料指的是靠近辐射段炉体表面的保温材料，所述内部保温材料指的是靠近辐射段炉体内部的保温材料。 [0031] 本发明中，所述保温材料可以为本领域常规使用的保温材料。优选的情况下，所述保温材料为陶瓷纤维。与传统保温材料相比，陶瓷纤维耐高温性能好、热导率低、重量轻、热稳定性好。此外，陶瓷纤维颜色洁白，对热辐射有很好的反射能力。优选的情况下，所述外层保温材料为硅酸铝陶瓷纤维、硅酸钙陶瓷纤维板、矿渣棉、高铝针刺毡中的一种。优选的情况下，所述内层保温材料为多晶莫来石陶瓷纤维、氧化铝陶瓷纤维、硅酸铝陶瓷纤维中的至少一种。 [0032] 本发明的一些实施方式中，所述外部保温材料以砧板的形式设置在辐射段炉体内部。 [0033] 本发明的一些实施方式中，所述内层保温材料和外层保温材料中间设置有一层铝箔。铝箔的设置基本不增加成本，但可以产生削弱辐射传热的效果。其隔热的主要原理是：呈透明状的铝箔具有镜面效应，可利用镜面反射的原理，削弱辐射传热，进一步提高了辐射段的保温性能。除此之外，增加的铝箔层还可以起到阻气防腐的作用。 [0034] 本发明的一些实施方式中，所述内部保温材料以炉瓦的形式设置在辐射段内部。优选的情况下，所述炉瓦为多片，所述炉瓦的设置方式可以为沿辐射段的水平方向设置一列或多列炉瓦，同时沿垂直方向设置一块或多块炉瓦。通过在辐射段内部设置多片炉瓦，有利于根据需要方便灵活地控制和调节辐射段内温度。其中，对所述炉瓦的片数没有特别限定，本领域技术人员可以根据实际情况选择。 [0035] 本发明的一些实施方式中，所述内部保温材料除了用于保温，还能够作为固定加热电阻丝的炉瓦使用。其中，所述内部保温材料中设置有螺旋状加热电阻丝，并且每一片加热电阻丝形成独立的电流回路。优选的情况下，作为内部保温材料的炉瓦上设置有数排水平沟槽，沟槽中设置有加热电阻丝。其中，所述每一片炉瓦上加热电阻丝的两端均与位于辐射段炉体外部的电源母线相连接，形成独立的电流回路。 [0036] 本发明的一些优选的实施方式中，所述内部保温材料以炉瓦的形式设置在辐射段内部，所述炉瓦的设置方式为：沿辐射段的水平方向设置一列或多列炉瓦，同时沿垂直方向设置一块或多块炉瓦，每片所述炉瓦上设置数排水平沟槽，沟槽中设置有螺旋状加热电阻丝，并且每一片炉瓦上电阻丝的两端均与位于辐射段炉体外部的电源母线相连接，形成独立的电流回路。 [0037] 本发明的一些实施方式中，所述辐射段在垂直方向上设置一个或多个竖向间隔板，用于将辐射段分为多个区间，所述竖向间隔板选材与内部保温材料相一致。通过使用竖向间隔隔板将辐射段分为一个或几个区间可以根据实际生产需要调控每个区间的供热量，进而提高了辐射段能量利用率。是所述竖向间隔隔板的个数和竖向间隔隔板之间的距离可以根据实际情况进行选择，在此不再赘述。 [0038] 本发明的一些实施方式中，所述裂解炉管内部安装有扭曲片强化传热元件。所述裂解炉管的两端分别连接辐射段的进料口和出料口，升温裂解原料自辐射段的进料口段进入所述裂解炉管内，裂解产品自辐射段的出料口流出，升温裂解原料在所述裂解炉管内发生裂解原料的裂解反应。本发明所提供的系统中的辐射段由于采用电加热方式，辐射段炉体可为正方形或长方形的箱体，其垂直方向高度主要受炉管高度限制，与传统裂解炉相比，可大大降低辐射段炉体高度，操作更加方便。 [0039] 裂解炉管在辐射段内沿辐射段炉体的水平方面排布，根据生产需要，裂解炉管可以为一排，也可以为多排。裂解炉管的排列方式可以为串联，也可以为并联。通过竖向间隔板将辐射段炉体分为了一个或几个不同的区域，在靠近辐射段出口附近，为了减少副反应的发生，可适当降低裂解炉管的供热量，以提高目的产物收率。 [0040] 随着裂解原料种类的改变，裂解反应所需的裂解反应温度和热量也会发生改变，本发明所提供的系统，通过竖向隔板将辐射段炉体分成一个或几个不同区域，通过调节不同区域加热电阻丝的供热量，可方便灵活地实现不同裂解原料的同时裂解。本发明第二方面提供一种裂解方法，所述方法包括将裂解原料引入如前所述的系统中进行裂解反应。 [0041] 本发明的一些实施方式中，所述方法包括以下步骤： [0042] (1)将裂解原料在对流段与加热的循环气进行换热加热至横跨温度，得到与裂解原料换热后的循环气和升温裂解原料； [0043] (2)将所述升温裂解原料进入辐射段内进行裂解反应； [0044] 其中，所述加热的循环气由激波加热器加热循环气得到。 [0045] 本发明的一些实施方式中，所述横跨温度为550‑700℃。其中，所述“横跨温度”指的是辐射段进料口的温度。 [0046] 本发明的一些实施方式中，所述激波加热器入口循环气速度为200‑300m/s。 [0047] 本发明的一些实施方式中，所述激波加热器出口循环气温度为800‑1200℃。 [0048] 本发明的一些实施方式中，所述激波加热器中旋转叶片的旋转速度为3000‑4000rpm。 [0049] 本发明的一些实施方式中，所述循环气与裂解原料质量流量比例为0.5‑0.6。 [0050] 本发明的一些实施方式中，所述辐射段用于将升温至裂解温度的裂解原料发生裂解反应。其中，所述“裂解温度”指的是辐射段出料口的温度。 [0051] 本发明的一些实施方式中，所述裂解温度为750‑850℃。 [0052] 本发明的一些实施方式中，所述裂解原料为乙烷、轻烃、石脑油和加氢尾油中的至少一种。 [0053] 本发明的一些实施方式中，所述方法还包括：将与裂解原料换热后的循环气引入循环气回收装置进行回收，得到回收的循环气。优选的情况下，所述回收还包括与对流段中裂解原料换热后的循环气进行降温。进一步优选的，所述方法还包括：将回收的循环气进行加热得到加热的循环气。 [0054] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。 [0055] 实施例1在如图1所示的裂解系统中进行，其中，激波加热器的侧视图结构如图2所示。 [0056] 图1和图2中，1为激波加热器，2为对流段，3为辐射段，4为换热盘管，5为辐射段进料口，6为辐射段出料口，7为竖向间隔板，8为螺旋状加热电阻丝，9为保温材料，10为循环气回收装置，11为循环气进口，12为对流段进料口，13为对流段出料口，14为裂解产物，15为循环气出口，16为裂解炉管，17为待加热循环气入口，18为旋转叶片，19为无叶流动空间，20为循环气储罐，21为激波加热器的出口，22为激波反应器壳体。 [0057] 如图1和图2所示，裂解系统包括激波加热器1、对流段2、辐射段3、循环气回收装置10和循环气储罐20。所述对流段还包括换热盘管4、循环气进口11、对流段进料口12、对流段出料口13、循环气出口15，所述换热盘管的两端分别连接对流段2的进料口12和出料口13，所述对流段的出料口13通过连接管道与辐射段3的进料口5连接，所述对流段的循环气进口 11与激波加热器的出口21连接，所述循环气出口15与循环气回收装置10连接；所述辐射段3包括辐射段进料口5、辐射段出料口6、竖向间隔板7、螺旋状加热电阻丝8、保温材料9、裂解炉管16，所述辐射段的裂解炉管16的两端分别连接裂解辐射段的进料口5和辐射段的出料口6，所述保温材料9包括内层保温材料(氧化铝陶瓷纤维)和外层保温材料(硅酸铝陶瓷纤维)，其中外层保温材料以砧板的形式设置，内层保温材料以炉瓦的形式设置，沿辐射段的水平方向设置多列炉瓦，炉瓦上设置有数排水平沟槽，沟槽中设置有螺旋状加热电阻丝8，每一片炉瓦上螺旋状加热电阻丝的两端均与位于辐射段炉体外部的电源母线相连接，所述辐射段在垂直方向上设置有2个竖向间隔板7，竖向间隔板的材料为氧化铝陶瓷纤维；所述激波加热器1包括待加热循环气入口17、旋转叶片18、无叶流动空间19、激波加热器的出口 21、激波加热器壳体22，所述待加热循环气入口17与循环气储罐20连接，所述旋转叶片18位于激波加热器壳体22的内外表面所形成的限定管道的内表面上，所述无叶流动空间位于激波加热器壳体22的内外表面所形成的限定管道的外表面上。 [0058] 实施例1 [0059] 激波加热器内设有5个旋转叶片18，旋转速度为3500rpm，加热介质(即循环气)为空气。循环气储罐中含有空气，循环气储罐中的空气从待加热循环气入口17进入激波加热器1加热得到加热的循环气。加热的循环气经激波加热器的出口21通过对流段的循环气进口11进入对流段1中。其中，待加热循环气入口的空气速度为300m/s，待加热循环气入口的空气流量为6800kg/h，待加热循环气入口的空气温度为25℃，激波加热器的出口的空气温度为900℃。 [0060] 裂解原料经对流段进料口12进入对流段的换热盘管4中，进料量为5000kg/h，在换热盘管4中裂解原料通过与通过对流段的循环气进口11进入对流段1中的加热的循环气(加热的循环气的进料量与裂解原料进料量的质量流量比值为0.6)进行换热进而加热至横跨温度(横跨温度为700℃)，得到换热后的循环气和升温裂解原料。升温裂接原料由对流段出料口13排出经过连接管道22通过辐射段进料口5进入辐射段3的裂解炉管16中，通过螺旋状电阻丝8加热至裂解温度(裂解温度为840℃)发生裂解反应，裂解产物经辐射段出料口6排出。换热后的循环气经循环气出口15排出，进入循环气回收装置10进行换热降温得到回收的循环气，进入到循环气储罐中，通过待加热循环气入口17重新进入激波加热器1进行加热。 [0061] 该裂解系统CO2排放量可忽略不计。 [0062] 对比例1 [0063] 采用专利CN109724446的实施例1中的裂解炉，裂解原料为乙烷，进料量为5000kg/h，裂解原料经对流段预热至700℃后进入裂解炉进料炉管发生裂解反应，裂解产物经出料管排出。该裂解系统CO2排放量约为1.6万吨。 [0064] 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。 |
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