乙烯裂解爐改造案例分析

詹 爽

（惠生工程（中國）有限公司 北京分公司 工業(yè)爐事業(yè)部，北京 100032）

裂解爐是乙烯生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其本體主要由對流段和輻射段組成。輻射段內(nèi)懸吊排布了若干組構(gòu)型的輻射盤管。裂解反應(yīng)在輻射盤管內(nèi)進行，熱量由爐內(nèi)燃燒器的燃料燃燒來提供。

改進輻射盤管的結(jié)構(gòu)是管式裂解技術(shù)發(fā)展中最核心的部分。為改善裂解反應(yīng)的選擇性，輻射盤管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇需要能滿足耐高溫、短停留時間、高熱強度、受熱均勻等要求。

裂解反應(yīng)的深度一般通過對裂解氣出口溫度（COT）間接控制。通過建立裂解爐熱值軟件測量模型，根據(jù)實測值數(shù)據(jù)對軟測量模型進行在線實時校正，根據(jù)校正后的熱值前饋裂解爐出口溫度。

公司承擔某ACO裝置裂解爐系統(tǒng)改造項目。業(yè)主希望通過本次改造解決裝置運行期間存在的一些問題：（1）裝置運行周期短，目前運行周期平均僅為15～20 d；（2）裂解爐燒焦時間長，實際燒焦時間72 h左右，是設(shè)計燒焦時間的兩倍；（3）經(jīng)濟效益有待提高。通過對裂解裝置的改造，提高雙烯收率，延長裝置連續(xù)運行時間，減少燒焦期間對公用工程資源的消耗。

1 裂解爐存在問題及改進方案

現(xiàn)役裂解爐為毫秒爐構(gòu)型，采用單程爐管，爐底進料。為強化傳熱采用的是直翅梅花管（見圖1）。梅花管是擴大內(nèi)表面積管，具有傳熱面積大，增加湍流區(qū)域，選擇性高的優(yōu)點。

圖1 梅花管截面示意圖

爐管運行周期短主要有三方面原因：（1）項目操作工況存在進料波動大、負壓調(diào)節(jié)機構(gòu)不穩(wěn)定的問題，加之梅花管內(nèi)部構(gòu)型復(fù)雜，導(dǎo)致容易產(chǎn)生結(jié)焦，同時也給徹底清焦造成一定困難；（2）裂解爐頻繁的燒焦，使得輻射盤管在超溫狀態(tài)下運行時間增加，增大爐管蠕變和變形，使用壽命變短，且爐管變形后受熱不均勻，局部超溫后滲碳速率加快，導(dǎo)致爐管變硬變脆易斷裂；（3）操作工況/燒焦工況頻繁切換，引起爐管疲勞、受沖擊等作用導(dǎo)致斷裂（見圖2）。

圖2 斷裂的裂解爐管形貌圖

頻繁燒焦造成公用工程資源消耗加大，不利于節(jié)能。同時裂解爐運行周期短，影響正常生產(chǎn)，造成很大經(jīng)濟損失。將輻射爐管現(xiàn)役的48根單程管更換為12組1-1-1-1型爐管（見圖3、圖4）。每6組1-1-1-1型爐管共用一個集合管，共兩個集合管。其中，第一程爐管的進口設(shè)文氏流量分配器，以保證每組爐管均勻進料。文氏管后增加壓力表，以監(jiān)視文氏管的工作狀態(tài)。第四程管由裂解爐爐頂引出，每組1-1-1-1型爐管出口對應(yīng)一組第一急冷鍋爐，每6組第一急冷鍋爐為一臺。輻射爐管出口設(shè)置12個貼壁熱電偶，兩個直接接觸式熱電偶。

圖3 改造前的單程輻射盤管結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 改造后的1-1-1-1型輻射盤管結(jié)構(gòu)示意圖

2 輻射段爐管設(shè)計

2.1 輻射盤管設(shè)計

輻射盤管的壁厚計算以標準API 530-2019為設(shè)計依據(jù)。由于乙烯裂解爐的輻射盤管工作環(huán)境溫度較高，設(shè)計溫度高于材料蠕變斷裂下限溫度，采用斷裂設(shè)計。單組爐管如圖5所示。

圖5 單組爐管結(jié)構(gòu)示意圖

原料與蒸汽的混合物在輻射盤管中逐漸吸熱發(fā)生裂解反應(yīng)。根據(jù)設(shè)計溫度不同，將輻射盤管分成四段計算，設(shè)計條件見表1。

表1 輻射盤管設(shè)計條件

輻射盤管選用高鉻鎳合金，以適應(yīng)高溫、高熱強度的要求。選用離心鑄造工藝，管材致密，力學(xué)性能好。物料溫度在輻射盤管內(nèi)逐漸升高，一般在三、四程爐管內(nèi)發(fā)生裂解反應(yīng)，且反應(yīng)伴隨碳生成。考慮到爐管的抗?jié)B碳性能和高溫持久性，三、四程爐管材質(zhì)選用35Cr-45Ni-Nb+MA，柱狀晶不得低于60%。帶吊耳彎頭選用低碳高韌性靜態(tài)鑄造鋼件。

經(jīng)計算，一、二程爐管最小密實層厚度6 mm，三、四程爐管最小密實層厚度7 mm[1]。（最小密實層厚度：鑄造壁厚減去外表面粗糙層和內(nèi)表面疏松層之后的厚度）。

輻射盤管在輻射室內(nèi)主要受雙面輻射，而兩端爐管則受三面輻射。為保證輻射盤管受熱均勻，在兩端爐管下端包裹一層25 mm陶瓷纖維毯，包裹長度及位置見圖6。

圖6 陶瓷纖維毯包裹長度及位置示意圖

2.2 集合管設(shè)計

集合管設(shè)置在輻射盤管進口。原料和蒸汽的混合物先進入集合管再經(jīng)過文丘里管進入輻射盤管。目的是為了進一步保證進多組裂解反應(yīng)管入口物料溫度和壓力的均勻性。集合管的壁厚計算以標準ASME B31.3-2016為設(shè)計依據(jù)。設(shè)計溫度675℃，設(shè)計壓力0.45 MPa，介質(zhì)為乙烷和蒸汽的混合物。集合管材質(zhì)選擇A312 TP304H。

一根集合管對應(yīng)6根一程管的進料。集合管內(nèi)截面積與支管內(nèi)截面積總和之比為1.5[2]。計算圓整后取集合管管徑為標準管管徑219.1 mm。集合管所需最小厚度tm=5.01 mm[3]。

選擇ASME B36.1M標準管Φ219.1 mm×8.18 mm[4]。

集合管出口設(shè)置濾網(wǎng)，防止焊接殘渣等雜質(zhì)進入文丘里管堵塞喉徑。濾網(wǎng)開孔直徑8 mm，開孔率58%。

3 爐底改造

3.1 改造空間計算

輻射盤管在高溫下長時間工作會發(fā)生變形。爐底改造空間需要考慮的主要因素是輻射盤管本身的熱脹位移以及爐外工藝管的熱脹位移。除此之外輻射盤管的蠕變變形也要留有一定裕量。因此，需要對原有裂解爐的爐底進行改造，增加輻射盤管向下移動的空間。

4程爐管中向下的最大熱脹位移發(fā)生在第四程管，計算得VLmax=240.8 mm。

與第四程管相連的第一急冷鍋爐的熱脹位移VL1=180 mm，爐管蠕變位移VL2=70 mm。爐管向下移動總位移：

3.2 爐底改造

將輻射盤管中心截面向左、右各280 mm范圍的爐底板下移，襯里就位后保證爐管向下移動490 mm不受干擾。爐底蓋板用法蘭與爐體連接。新增改造部分的爐底襯里見圖7。

圖7 爐底改造結(jié)構(gòu)示意圖

下沉爐底側(cè)墻的襯里結(jié)構(gòu)（一區(qū)）由爐內(nèi)向爐外依次是輕質(zhì)澆注料125 mm、陶纖板25 mm、微孔板50 mm。輕質(zhì)耐火材料每隔2 m留出寬3 mm、深60 mm的伸縮縫。預(yù)留伸縮縫有三個原因：（1）襯里在一次升溫中稍有膨脹，伸縮縫可以減少由于這一膨脹所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；（2）由于冷卻后襯里會有較大的收縮，伸縮縫可以使裂縫出現(xiàn)在指定的位置從而變得規(guī)整；（3）伸縮縫可以使已產(chǎn)生的裂縫切斷而不繼續(xù)延續(xù)。

設(shè)計條件[5]：環(huán)境溫度ta=27℃；從經(jīng)濟性和不造成人員損傷兩方面考慮，爐底外壁溫度允許值tr=90℃；熱面計算溫度t0=1 200℃；風(fēng)速對散熱強度的影響并不十分明顯。爐外壁溫度隨風(fēng)速的增加降低。出于對裂解爐外壁溫度的安全性考慮，取風(fēng)速u=0。

以標準HG/T 20525-2006為設(shè)計依據(jù)，計算結(jié)果見圖8和表2。

表2 傳熱計算最終結(jié)果匯總

圖8 爐墻溫度梯度圖

爐底二區(qū)襯里為8層26級陶瓷纖維毯（8×25 mm=200 mm）。由于該處距離火焰較遠，爐膛熱面溫度取t0=900℃，爐底系數(shù)取A=1.4（散熱面朝下）。

計算流程與下沉爐底側(cè)墻傳熱計算相同，計算結(jié)果匯總于表3。

表3 傳熱計算最終結(jié)果匯總

4 COT測量方案的選用

裂解氣出口溫度（COT）的測量方法主要分為兩類：插入式和貼壁式。

4.1 插入式熱電偶

熱電偶測溫元件前端被保護套管包裹，熱電偶及保護套的組合體插入到輻射爐管內(nèi)，保護套管直接與需要被測溫的高溫氣體接觸，測量到的是保護套管內(nèi)壁金屬溫度（見圖9）。

圖9 插入式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

優(yōu)勢：插入式結(jié)構(gòu)測溫準確，測得的溫度值與實際值相差7～10℃。在一個完整的操作周期內(nèi)，此溫差幾乎不隨輻射爐管結(jié)焦而變化。測得溫度值無需校正，可直接用于操作參考。熱電偶處于保護套管內(nèi)（密閉腔體），受環(huán)境腐蝕等影響小。

缺點一：保護套管易被沖刷減薄導(dǎo)致報廢（如圖10所示）。

圖10 損壞的插入式熱電偶保護套管實物圖

保護套管工作環(huán)境惡劣，要經(jīng)受高溫裂解氣及燒焦高溫空氣、蒸汽的高速沖刷，受高溫腐蝕介質(zhì)的氧化。保護套管一般壁厚為10 mm左右，其外表面雖有耐高溫、耐沖刷的硬質(zhì)合金保護，但其使用壽命只有2～3 a。

缺點二：密封結(jié)構(gòu)易失效、組件拆卸維護不便。

圖11所示插入式熱電偶需采用特殊的密封結(jié)構(gòu)，以防止高溫氣體經(jīng)由測溫組件泄漏到大氣中而釀成事故。然而，存在密封結(jié)構(gòu)便留下了密封失效、介質(zhì)外泄的隱患。密封結(jié)構(gòu)的緊固件經(jīng)過長時間高溫銹蝕后不但機械強度要打折扣、拆卸也很費力。

圖11 一種插入式熱電偶實物圖

缺點三：測溫結(jié)構(gòu)失效后不能及時在線更換。

4.2 貼壁式結(jié)構(gòu)

用機械方法將熱電偶元件前端壓向爐管外壁上（見圖12）或用焊接方法把測溫元件焊接在爐管外壁上（見圖13），熱電偶測量到的是爐管外壁金屬溫度。

圖12 貼壁式熱電偶結(jié)構(gòu)一示意圖

圖13 貼壁式熱電偶結(jié)構(gòu)二實物圖

優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單，安裝拆卸簡便。金屬材料用量少，費用低。

缺點一：測溫準確度較差，測得溫度值與實際值相差20～40℃。一是因為在一個完整的操作周期內(nèi)，隨著輻射爐管結(jié)焦逐漸嚴重，測得的溫度值也在隨焦層變化而變化，測量值需校正后才可用于操作參考；二是受外保溫、風(fēng)速等環(huán)境影響極大。

缺點二：測溫組件與爐管的連接，暴露在外界大氣環(huán)境中，會受到氧化腐蝕，致使固定結(jié)構(gòu)被高溫氧化腐蝕脫落失效，使用壽命僅為1~2 a。

4.3 COT測量改造方案

本次改造項目采用貼壁式熱電偶測溫+插入式熱電偶校正的方案。采用12根貼壁熱電偶（每組盤管設(shè)置一根），置于第四程爐管出口外壁上。新增兩套插入式熱電偶，目的是為了作為溫度矯正，及時更正COT測量值與實際值的溫度差。輻射盤管以爐中線為中心，每側(cè)6組爐管設(shè)置一套插入式熱電偶，置于清焦三通處。

為延長插入式熱電偶的使用壽命，同時在熱電偶的材質(zhì)和使用方法兩方面進行了改進。

插入式熱電偶套管外層涂有HC-7抗腐蝕涂層，適用于具有高速顆粒流體，溫度高達1 090℃的環(huán)境。該涂層由兩層Stellite鈷基合金組成。單層硬面厚度不小于1.6 mm。

該種插入式熱電偶一般可使用三年以上，在新套管首次使用一段時間后（一般在1.5 a左右），應(yīng)檢查其被沖蝕情況，較為嚴重時，應(yīng)將其在最初安裝位置狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)180°，以保證最大限度地發(fā)揮其使用價值。

5 經(jīng)濟效益分析

本裝置改造后適用原料為ACO乙丙烷混合物。

改造前后工藝參數(shù)對比見表4。

表4 改造前后工藝參數(shù)對比

改造后裂解爐的處理能力增加了15%，按年操作8 000 h計，裂解爐負荷增加帶來的收益約是806萬元/a。

爐管更換后，燒焦次數(shù)減少10次，每次燒焦按36 h計。單次燒焦節(jié)省燃料氣量18 t，節(jié)省蒸汽量221 t，節(jié)省空氣量110 t。

每次清焦節(jié)省收益=1 000元/t×18 t+120元/t×221 t+0.19元/m3/1.292 kg/m3×110 000 kg=6.1萬元。

每年燒焦節(jié)省收益61萬元。

6 結(jié)論

本文針對某裂解爐裝置存在輻射盤管頻繁結(jié)焦、設(shè)備運行周期短的問題進行了分析，從爐管結(jié)構(gòu)、爐體改造、COT測溫方式幾個方面提出改造措施。論述了輻射盤管強度計算和裂解爐體傳熱計算方法。介紹了常規(guī)熱電偶的幾種形式，并根據(jù)工程實際情況提出整改方案。通過改造，裂解裝置在增加處理量和節(jié)省公用工程消耗量兩方面帶來了經(jīng)濟收益。