第一节 概述
制取乙烯的方法很多，以管式炉裂解技术最为成熟，具有结构比较简单、运转稳定性好和烯烃收率高等优点，世界乙烯产量的99％都是由管式炉裂解法生产的。
管式裂解炉是乙烯装置的一个关键设备。炉膛中设置了一定排列形式的金属管，管内通以裂解原料，裂解反应所需的热量，由管外的燃料燃烧来提供。 裂解炉的性能对乙烯收率有重大影响，并且影响整个乙烯装置的操作。裂解炉的能耗占装置能耗的70％～85％左右。由此可见裂解炉在乙烯装置中占举足轻重的地位。自1964年开发成功垂直悬吊立管式裂解炉以来，乙烯裂解技术一直在发展，在缩短停留时间、改善裂解选择性、提高产品收率、降低能耗、增强对裂解原料的适应性等方面进行研究、开发。本节就裂解的基本原理、裂解炉的炉型和结构等问题作简单介绍，以期对读者了解管式裂解炉有所帮助。
第二节 管式炉裂解的工艺过程
管式炉裂解的工艺流程包括原料供给和预热、对流段、辐射段、高温裂解气急冷和热量回收等几部分。不同裂解原料和不同热量回收，形成各种不同的工艺流程。图6—1是管式炉裂解的流程示意图。
一、裂解原料预热和稀释蒸汽注入
裂解原料主要在对流段预热，为减少燃料消耗，也常常在进入对流段之前利用低位能热源进行预热。
裂解原料预热到一定程度后，需在裂解原料中注入稀释蒸汽。稀释蒸汽注入的方式大致分为原料进入对流段之前注入，原料在对流段中预热到一定温度后注入和二次注入(原料先注入部分稀释蒸汽，在对流段中预热至一定程度后，再次注入经对流段预热后的稀释蒸汽)等。
二、对流段
管式裂解炉的对流段用于回收烟气热量，回收的烟气热量主要用于预热裂解原料和稀释蒸汽，使裂解原料汽化并过热至裂解反应起始温度后，
保温系统进入辐射段加热进行裂解。
此外，根据热量平衡也可在对流段进行锅炉给水的预热、助燃空气的预热和超高压蒸汽的过热。稀释蒸汽是从对流段炉管注入裂解原料中的。稀释蒸汽不仅对降低烃分压、减少结焦有利，而且也有助于烃类在对流段炉管中的气化。 三、辐射段
烃和稀释蒸汽混合物在对流段预热至物料横跨温度(指裂解原料和稀释蒸汽混合物在对流段预热的出口温度，也是辐射段的人口温度)后进入辐射盘管，辐射盘管在辐射段内用高温燃烧气体加热，使裂解原料在管内进行裂解。
四、高温裂解气的急冷和热量回收
裂解炉辐射盘管出口的高温裂解气达800?C以上，为抑制二次反
应的发生，需将辐射盘管出口的高温裂解气快速冷却。急冷的方法有两种，一是用急冷油(或急冷水)直接喷淋冷却，另一种方式是用换热器进行冷却。用换热器冷却时，可回收高温裂解气的热量而副产出高位能的高压蒸汽。该换热器被称为急冷换热器(常以TLE或TLX表示)，急冷换热器与汽包构成的发生蒸汽的系统称为急冷锅炉(或废热锅炉)。在管式炉裂解轻烃、石脑油和柴油时，都采用废热锅炉冷却裂解气并副产高压蒸汽。经急冷锅炉冷却后的裂解气温度尚在400℃以上，此时可再由急冷油直接喷淋冷却。在预分馏系统中可进一步回收急冷油的热量，副产低位能的低压蒸汽。
为防止急冷换热器结焦，急冷锅炉出口温度要高于裂解气的露点，不同裂解原料裂解时急冷锅炉终期出口温度大不相同，裂解原料愈重，急冷锅炉终期出口温度愈高。因此，根据裂解原料的情况，对高温裂解气冷却，急冷锅炉可采用一级急冷、二级急冷、三级急冷等不同方式。对高温裂解气冷却和热量回收有图6--2所示的四种方案。
(1)方案一 如图6一2(a)所示，设置一级急冷锅炉。裂解炉辐射盘管出口的高温裂解气进入一级急冷锅炉，在此裂解气被高压锅炉给水冷却，并副产高压蒸汽。经一级急冷锅炉冷却后的裂解气进入急冷器，在此用急冷油直接喷淋而进一步冷却后送人预分馏系统。
轻烃裂解装置中往往不设急冷油系统，此时，急冷锅炉出口气体可集中用急冷水喷淋冷却后送入水洗塔。石脑油裂解时，急冷锅炉出口温度可限制在460℃以下，此时多将各台裂解炉经急冷锅炉冷却后的裂解气集中送入一台急冷器用急冷油喷淋冷却。柴油裂解时，急冷锅炉出口温度一般限定在初期400℃，末期500～600℃，此时大多在每台裂解炉单独设置急冷器，经急冷油喷淋冷却后的裂解气再汇合于裂解气总管，然后送人预分馏系统。通常一级急冷方式采用斯密特或包西格锅炉。
(2)方案二 如图6—2(b)所示，设置二级急冷锅炉。裂解炉辐射盘管出口的高温裂解气进入第一级急冷锅炉，在此冷却至580℃左右(随裂解原料不同而有所变化)并副产高压蒸汽。经第一级急冷锅炉冷却后的高温裂解气再送入第二级急冷锅炉继续冷却裂解气，并副产高压蒸汽。第二级急冷锅炉出口裂解气进入急冷器用急冷油进行喷淋冷却，与方案一相同，对不同裂解原料，急冷器的设置也有所不同。
采用二级急冷锅炉是与采用小管径辐射盘管的裂解炉相匹配的。为了缩短停留时间并提高裂解温度，裂解炉辐射盘管向短长度、小管径的方向发展。相应，其单炉生产能力降低，
为达到给定的单炉生产能力，单炉的辐射盘管数大大增加。在这种情况下，为降低辐射盘管出口至急
冷锅炉入口之间高温裂解气的停留时间，提高裂解的选择性，采用二级急冷锅炉是行之有效的方法。正因为如此，斯通--韦伯斯特、凯洛格、布朗路特(Brown & Root)等公司均曾采用二级急冷锅炉与其单程或双程的小管径辐射盘管的裂解炉配套。
(3)方案三 如图6--2(c)所示，设置三级急冷锅炉。在轻烃裂解装置中，可在二级急冷锅炉的基础上设置第三级急冷锅炉以进一步回收高温裂解气的热量。在轻烃裂解的情况下，已可通过二级急冷锅炉使裂解气冷却至400℃以下，为进一步冷却裂解气，第三级急冷锅炉不再副产高压蒸汽。第三级急冷锅炉回收的热量多用于预热裂解原料．或用于预热锅炉给水，或用于发生中压蒸汽。布朗路特公司在裂解轻烃、乙烷、丙烷时就采用三级急冷锅炉的方法来回收热量。
经三级急冷锅炉冷却的裂解气温度可降至240℃左右，此时无需设置急冷器，而将裂解气直接送入预分馏系统。
(4)方案四 如图6--2(d)所示，不设置急冷锅炉，在裂解炉出口直接用急冷油喷淋冷却裂解气。在裂解BMCI值较高的重质裂解原料时，急冷锅炉终期出口温度可高达650℃以上。此时，急冷锅炉可以回收的热量占高温裂解气总热量的份额大大减小，从投资和效益的比较来看设置急冷锅炉未必经济。此时可以不设置急冷锅炉而采用直接喷淋急冷的方案。
采用直接急冷而不设置急冷锅炉时，高温裂解气的热量回收全部转移至急冷油系统。从回收的总热乳化柴油
量看，与设置急冷锅炉的情况并无差别，但回收热量的能位是不同的。设置急冷锅炉可回收部分高位能热量(副产高压蒸汽)，不设置急冷锅炉时只能回收低位能热量(副产低压蒸汽)。
综上所述，一级急冷具有压降低、布置简单及投资省的优点，二级急冷则具有能提高乙烯收率、快速中止二级反应及多回收超高压蒸汽的优点。
采用二级急冷锅炉的主要缺点是设备和配管系统相对复杂，投资较高。对此，新近开发的双程套管急冷锅炉克服了这些缺点。斯通--韦伯斯特公司新近设计的乙烯工厂已开始采用双程套管急冷锅炉，改变了长期采用的二级急冷锅炉方案。
五、裂解炉和急冷锅炉的清焦
烃类裂解过程中除生成各种烃类产物外，同时有少量炭生成，这种炭是数百个碳原子稠合形成的，其中碳含量在95％以上，还有少量的氢。通常把这种炭称为焦，焦结聚于管壁的过程称为结焦。
结焦过程使裂解炉和急冷锅炉的管壁形成焦层，焦层的形成不仅影响传热效果，其热阻还使
炉管管壁的温度不断上升影响炉管寿命；焦层的形成也增加了炉管的阻力降，影响裂解反应的正常进行。因此，必须对裂解炉和急冷锅炉定期进行清焦。
对管式裂解炉而言，如出现以下任何一种情况，都应停止烃进料进行清焦：
(1)裂解炉辐射盘管管壁温度超过设计规定。炉管材质为HK一40时，其管壁温度限制在1050℃左右；炉管材质为HP一40时，管壁温度限制在1120～1150℃左右。
(2)裂解炉辐射段入口压力增加值超过设计值。一般限定其值低于60～70千帕。
(3)裂解炉计划停车或紧急停车。
(4)急冷锅炉出口温度超过设计允许值或急冷锅炉进出口压差超过设计允许值。
对于急冷锅炉而言，如出现以下任何一种情况，应对急冷锅炉进行清焦：
(1)急冷锅炉出口温度超过设计允许值。
(2)急冷锅炉进出口压差超过设计允许值。
裂解炉辐射管的焦垢可采用蒸汽清焦法、蒸汽—空气清焦法或空气烧焦法进行清理。这些清焦方法的原理是利用蒸汽或空气中的氧与焦垢反应气化达到清焦的目的。实际清焦过程中，裂解炉辐射盘管中的焦垢相当部分是剥落为碎焦块，经吹扫后而得以清理。
在裂解炉清焦时，急冷锅炉炉管的焦垢可被部分清除。其清焦的程度取决于急冷锅炉的结构和裂解
炉的清焦方法。当裂解炉采用蒸汽清焦或低空气量的蒸汽一空气清焦方法，而急冷锅炉是采用Borsig型或SHG型等非在线清焦急冷锅炉时，在裂解炉清焦期间急冷锅炉炉管的焦垢清理效果甚微。此时，一般须在裂解炉1～2次清焦周期内对急冷锅炉进行水力清焦或机械清焦。采用三菱等在线清焦急冷锅炉时，可以在裂解炉3个清焦周期以上进行急冷锅炉水力清焦或机械清焦。目前，多采用大空气量的空气烧焦法，除改善了裂解炉辐射管的清焦效果外，急冷锅炉焦垢也可同时在线清焦，这样，可将急冷锅炉的水力清焦或机械清焦的周期延长到半年以上。
六、裂解炉系统的节能
降低乙烯生产的能耗是提高乙烯竞争力的重要手段。乙烯生产能量的80％消耗于裂解炉的燃料。因此，裂解炉系统的节能尤为重要。下面介绍几种节能措施。
(一)提高裂解选择性
对相同裂解原料而言，在相同工艺设计的装置中，乙烯收率提高10％，则乙烯生产能耗相应降低约10％。因此，改善裂解选择性，提高乙烯收率是决定乙烯能耗最基本的因素。
在相同工艺技术水平的前提下，乙烯收率主要取决于乙烯原料的性质。因此，裂解原料的选择，在很大程度上决定乙烯生产的能耗。
硫醇甲基锡
就裂解炉设计而言，通过采用高温、短停留时间和低烃分压来
提高乙烯收率，经过几十年的不断改进，目前已达较高的水平。近年设计的裂解炉，相同裂解原料的乙烯收率比20世纪70年代提高了15％~20％。裂解操作条件的改善，不仅大大降低了原料的消耗，也使乙烯生产能耗明显下降。
(二)裂解炉的热效率
在相同工艺条件下，裂解炉热效率由86％～87％提高至93％～94％，生产1吨乙烯的燃料消耗可降低10％左右。
大锅抗干扰 为提高裂解炉的热效率，通常采用的方法如下：
1．降低裂解炉的排烟温度
其他条件不变时，裂解炉热效率与排烟温度直接相关。当排烟温度控制在220～230°C，相应热效率约为86％～87％；排烟温度下降至110～120°C时，裂解炉热效率提高到93％～94％。但由于受烟气中酸性气体露点的影响，为防止对流段发生腐蚀，必须提高对流段的材质或严格限制燃料的含硫量。
顺桨
2．降低过剩空气系数
为保证燃料的完全燃烧，裂解炉中需保持一定的过剩空气。过剩空气量与理论空气量之比称为过剩空气系数。增大过剩空气系数可以保证燃料的完全燃烧，但在相同排烟温度下，排烟热损失加大，裂解炉热效率相应降低。因此在保证燃料完全燃烧的前提下，降低过剩空气系数也是提高裂解炉热效率的措施之一。
通常，燃料气烧嘴的过剩空气系数为10％，油烧嘴的过剩空气系数为20％，油气联合烧嘴的过剩空气系数为15％，实际操作往往偏高。采用新型烧嘴，可将燃料气过剩空气系数降低至6％～8％，燃料油过剩空气系数降至12％～15％。
在排烟温度不变的前提下，过剩空气系数由10％降至5％，裂解炉热效率可提高0．6％～0．8％。
3．减少炉体热损失
炉体热损失一般为总热负荷的2．5％～4％。近年来，改进保温材料和保温设计，可使炉体热损失下降约25％。
(三)改善高温裂解气热量回收
1．取消蒸汽过热炉
早期设计均设置蒸汽过热炉，来过热裂解炉回收的高压蒸汽。当今的设计，均取消了蒸汽过热炉，回收的高压蒸汽在对流段进行过热。由此不仅节省了蒸汽过热炉的投资，而且降低了燃料的消耗量。
2．改善废热锅炉热量回收
降低废热锅炉的出口温度，可增加高压蒸汽的副产量。但废热锅炉的出口温度受裂解气露点温度的限制。
改善裂解选择性可降低裂解气的露点温度。缩短裂解气在废热锅炉入口端停留时间，不仅可改善裂解选择性，也有利于热量回收。
(四)裂解炉与燃气轮机联合
在发电厂中采用燃气轮机与蒸汽透平联合循环使热效率大幅度提高。在乙烯工厂中，采用燃气轮机与裂解炉联合，同样可以起到明显
的节能效果。
燃气轮机的排烟温度高达400～500℃。由于燃气轮机燃烧室中燃料燃烧所用的过剩空气系数一般为3～4，因此，燃气轮机排出的高温燃气中，含有约13％一15％(体)的氧。将这些高温富氧燃气作为裂解炉的助燃空气，则可将燃气轮机的余热在裂解炉中得到充分利用，从而提高热量的利用率。
乙烯装置中的燃气轮机，一般用来带动发电机，这种联合的优点是不会因为燃气轮机发生故障而使整个装置停车。另一种联合方式是燃气轮机带动裂解气压缩机、丙烯压缩机或乙烯压缩机。与由蒸汽透平带动的压缩机相比，其优点是不必设置开工锅炉，又可避免由蒸汽透平带动损失大量的冷凝热和需用大量冷却水；其缺点是燃气轮机的故障会引起整个装置停车。
采用燃气轮机和裂解炉联合，肯定可以达到节能的效果。但是必须根据投资和燃料价格等各方面因素，评估其经济性。一般来讲，乙烯工厂有低价的天然气作为燃料，采用燃气轮机与裂解炉联合，会有明显的经济效益。
第三节 裂解炉的结构
一、管式裂解炉的构成
裂解炉是烃类裂解的主要设备。管式裂解炉按外形分，有方箱式炉、立式炉、门式炉、梯台式炉。按燃烧方式分，有直焰式、无焰辐射式和附墙火焰式。按烧嘴位置分，有底部燃烧、侧壁燃烧、顶部燃烧和底部侧壁联合燃烧等。
管式炉虽有不同形式，但从结构上看，都是由辐射盘管、管架、燃烧器、炉墙等组成，主要由辐射段和对流段两部分组成。 裂解原料和稀释蒸汽先进人对流段炉管内被加热升温，然后进入辐射段炉管内
发生裂解反应，生成的裂解气从炉管出来，离开炉子立刻急冷。燃料在烧嘴燃烧后生成高温燃料气，先经辐射段，然后再经对流段，烟道气从烟囱排空。
辐射段传热量约占全炉热负荷的70％一80％，是全炉的核心部分，裂解反应也主要在辐射段炉管内进行。对流段则为利用烟道气余热而设，对流段充分利用热量对提高炉子的热效率有很大作用。
辐射段内排布了若干组构型相同的辐射盘管，管内原料烃裂解反应所需的热量，由管外的燃料燃烧提供。辐射盘管构型要求能适应高温、短停留时间、高热强度、受热均匀等要求。除改进辐射盘管的金属材质，提高耐热温度外，主要应改进辐射盘管的结构，即改进管径、管长、管程数等结构尺寸，以改善沿盘管的温度分布和热强度分布，提高盘管的平均热
强度，满足裂解反应所要求的高温、短停留时间。从而改善裂解选择性，提高烯烃的收率，并提高对不同裂解原料的适应性。膏药制作
改进辐射盘管的结构，是管式裂解技术发
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