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乙烯裂解爐管傳熱技術(shù)的革新
日期：2025-07-06 13:08
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摘要：
乙烯裂解爐管傳熱技術(shù)的革新
從裂解技術(shù)原理上，高溫、短停留時間和低烴分壓的工藝條件有利于乙烯、丙烯等產(chǎn)品的生成，要獲取這些工藝條件關(guān)鍵是采用合適的爐管構(gòu)型。裂解反應(yīng)是在高溫下進步的化學反應(yīng)，為提高能量傳遞的效率，一般通過提高管壁溫度或提高傳熱系數(shù)兩種途徑來解決。
針對這些問題，許多公司對爐管的金屬材料、爐管形狀以及爐管加入內(nèi)插件進行開發(fā)和研究。首先是提高爐管金屬材料的耐溫等級，進而可以提高爐管承受的*高溫度，但目前常用爐管的*高耐溫約為1125℃，進一步提高難度很大，因此絕大部分研究集中在爐管構(gòu)型方面。日本三菱公司開發(fā)橢圓管，其原理是對于相同截面積的爐管而言，橢圓管的表面積要大于圓管，由于長軸面向熱源，橢圓管可以增加輻射到達量，提高傳熱效率，缺點是對管材要求高，且制作復(fù)雜，在使用中容易恢復(fù)成為圓形管；LUMMUS、KELLOGG、EXXON公司均有梅花管技術(shù)的爐管應(yīng)用，其原理是能夠增加有效的傳熱面積，同時可以改善爐管的物料對流傳熱，缺點是管壁較厚，爐管造價提高，制造難度增加；日本久保田公司開發(fā)的內(nèi)翅片管技術(shù)，其原理是增加傳熱面積和對流傳熱系數(shù)，但由于制造困難，目前并沒有得到廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)普蘭德邊界層理論，當流體沿固體壁面流動時，靠近壁面有一層極薄的流體，附著在爐管壁面且不滑脫，這樣在爐管壁面形成了一個流動邊界層，它雖然很薄，但其傳熱阻力很大，在管內(nèi)中心區(qū)，熱量通過對流傳熱的方式傳到湍流中心。因此，爐管傳熱的*大阻力在于爐管內(nèi)壁的邊界層，如果能夠減小邊界層的傳熱阻力，將大大強化爐管的傳熱效率，扭曲片強化傳熱技術(shù)通過改變爐管內(nèi)流體的流動形態(tài)，破壞爐管換熱熱阻的*大區(qū)域——靠近壁面流體速度近似為零的低速區(qū)，提高了管內(nèi)傳熱系數(shù)，從而強化了傳熱過程。
裂解爐管加上扭曲片管后，流體通過與爐管等寬的扭曲片管時，強迫流體從原來的活塞流變?yōu)樾D(zhuǎn)流，流體的切向流速大大增加，這將對管壁形成強烈的沖刷作用，使熱阻大的邊界層厚度大大減薄，增大爐管的總傳熱系數(shù)，從而降低爐管管壁的溫度，這樣爐管管壁上的結(jié)焦層厚度也隨著管壁溫度的下降而變薄，這也將進一步提高爐管的總傳熱系數(shù)，從而達到強化傳熱、延長裂解爐運轉(zhuǎn)周期的目的。
扭曲片管強化傳熱技術(shù)從1995年開始在中國石化集團公司的支持下，由北京化工研究院和中國科學院金屬研究所共同開發(fā)。經(jīng)過兩年的裂解爐模擬裝置小試，試驗采用對比方法進行，在可比的試驗條件下進行烴類裂解試驗和測焦試驗，獲得良好的試驗結(jié)果。1997年開始進行工業(yè)試驗，先后在不同能力和不同技術(shù)型號的遼化CBL-I、揚子石化SRT-III和燕山石化SRT-IV（HC）等裂解爐上進行試驗，均取得了顯著的試驗效果。
遼化工業(yè)試驗的CBL-I型爐為年產(chǎn)乙烯2萬噸的裂解爐，全爐分兩大組進料，選取其中一大組加入扭曲片管，另一組維持爐管原狀，對比和觀察改變結(jié)構(gòu)后引起的變化；揚子石化烯烴廠的SRT-III型爐為年產(chǎn)乙烯4萬噸的裂解爐，為LUMMUS公司的**技術(shù)，全爐共有6組輻射段爐管，兩組爐管在輻射段出口合并后進入一臺急冷鍋爐，全爐共有三臺急冷鍋爐，選取爐況較差的兩大組加裝扭曲片管，相當于1/3臺裂解爐。
在遼化和揚子石化取得的初步成果和試驗基礎(chǔ)上，2004年在燕山SRT-IV（HC）進行整臺裂解爐試驗，輻射段爐管的排列方式為8-4-1-1，整爐試驗的目的是為了考察加入扭曲片管后對裂解爐的周期和處理量的影響。
試驗結(jié)果表明：加裝扭曲片管后，裂解爐輻射段爐管管壁溫度同比下降20℃以上，可以提高裂解爐處理量7%，可以大幅度延長裂解爐運行周期。工業(yè)試驗中，石腦油在正常裂解條件下可以延長運行周期110%，石腦油在提高處理量7%和提高裂解溫度8℃的條件下延長運行周期70%，重柴油在提高處理量7%條件下延長了運行周期27%，并且扭曲片管對于輕重原料都有很好的適應(yīng)性，加裝扭曲片管對裂解爐的主要產(chǎn)品收率影響不大，對裂解爐的操作和運行沒有**的影響。
經(jīng)過十年的試驗研究，扭曲片管強化傳熱技術(shù)取得了巨大成功。2006年榮獲中國石化科技進步一等獎；2007年榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。目前，集團公司下屬企業(yè)中現(xiàn)已有9家乙烯企業(yè)的12種爐型采用該技術(shù)，產(chǎn)能約200萬噸。
在強化傳熱技術(shù)推廣應(yīng)用的近三年里，獲得了乙烯行業(yè)業(yè)主們3的廣泛贊譽，為乙烯生產(chǎn)企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。燕山BA1104爐是SRT-IV（高能力）型裂解爐，乙烯年產(chǎn)量為6萬噸，平均運行周期為45天，使用強化傳熱技術(shù)以后，每年可以減少燒焦次數(shù)3次，延長裂解爐壽命，提高石腦油處理量，每年多產(chǎn)乙烯約3400噸和丙烯約1900噸；東方化工廠F103爐是GK-V型裂解爐，乙烯年產(chǎn)量為3萬噸，平均運行周期為45天，使用強化傳熱技術(shù)以后，**個周期為87天，**個周期為112天，創(chuàng)下了該裂解爐的運行記錄，全年共減少燒焦次數(shù)4次，增加實際生產(chǎn)時間150小時，節(jié)省燃料氣78.9噸，少耗用稀釋蒸汽800噸左右。
強化傳熱技術(shù)在國內(nèi)乙烯廠成功應(yīng)用的同時，許多國外技術(shù)廠商主動和北化院合作。前不久與加拿大合生亮和美國LUMMUS技術(shù)部門合作，開始向國外乙烯裂解爐推廣扭曲片管強化傳熱技術(shù)，如新加坡PCS公司、馬來西亞TITAN、韓國LG對裂解爐爐管扭曲片管強化傳熱技術(shù)也表現(xiàn)出濃厚的興趣，和我方技術(shù)人員進行多次交流，對三家公司裂解爐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析計算，并結(jié)合各公司裂解爐（TITAN和PCS為S&W，LG為SRT-VI）的特點，向其提供了裂解爐安裝扭曲片管的初步方案。
強化傳熱技術(shù)將在中國石化所有乙烯企業(yè)中應(yīng)用實施，該項技術(shù)提高了乙烯裂解爐的運行周期、減少燒焦成本、提高乙烯產(chǎn)量、節(jié)約燃料和延長裂解爐壽命，為乙烯企業(yè)的良性發(fā)展提供了捷徑，可謂是乙烯行業(yè)發(fā)展的一次重大技術(shù)突破。
針對這些問題，許多公司對爐管的金屬材料、爐管形狀以及爐管加入內(nèi)插件進行開發(fā)和研究。首先是提高爐管金屬材料的耐溫等級，進而可以提高爐管承受的*高溫度，但目前常用爐管的*高耐溫約為1125℃，進一步提高難度很大，因此絕大部分研究集中在爐管構(gòu)型方面。日本三菱公司開發(fā)橢圓管，其原理是對于相同截面積的爐管而言，橢圓管的表面積要大于圓管，由于長軸面向熱源，橢圓管可以增加輻射到達量，提高傳熱效率，缺點是對管材要求高，且制作復(fù)雜，在使用中容易恢復(fù)成為圓形管；LUMMUS、KELLOGG、EXXON公司均有梅花管技術(shù)的爐管應(yīng)用，其原理是能夠增加有效的傳熱面積，同時可以改善爐管的物料對流傳熱，缺點是管壁較厚，爐管造價提高，制造難度增加；日本久保田公司開發(fā)的內(nèi)翅片管技術(shù)，其原理是增加傳熱面積和對流傳熱系數(shù)，但由于制造困難，目前并沒有得到廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)普蘭德邊界層理論，當流體沿固體壁面流動時，靠近壁面有一層極薄的流體，附著在爐管壁面且不滑脫，這樣在爐管壁面形成了一個流動邊界層，它雖然很薄，但其傳熱阻力很大，在管內(nèi)中心區(qū)，熱量通過對流傳熱的方式傳到湍流中心。因此，爐管傳熱的*大阻力在于爐管內(nèi)壁的邊界層，如果能夠減小邊界層的傳熱阻力，將大大強化爐管的傳熱效率，扭曲片強化傳熱技術(shù)通過改變爐管內(nèi)流體的流動形態(tài)，破壞爐管換熱熱阻的*大區(qū)域——靠近壁面流體速度近似為零的低速區(qū)，提高了管內(nèi)傳熱系數(shù)，從而強化了傳熱過程。
裂解爐管加上扭曲片管后，流體通過與爐管等寬的扭曲片管時，強迫流體從原來的活塞流變?yōu)樾D(zhuǎn)流，流體的切向流速大大增加，這將對管壁形成強烈的沖刷作用，使熱阻大的邊界層厚度大大減薄，增大爐管的總傳熱系數(shù)，從而降低爐管管壁的溫度，這樣爐管管壁上的結(jié)焦層厚度也隨著管壁溫度的下降而變薄，這也將進一步提高爐管的總傳熱系數(shù)，從而達到強化傳熱、延長裂解爐運轉(zhuǎn)周期的目的。
扭曲片管強化傳熱技術(shù)從1995年開始在中國石化集團公司的支持下，由北京化工研究院和中國科學院金屬研究所共同開發(fā)。經(jīng)過兩年的裂解爐模擬裝置小試，試驗采用對比方法進行，在可比的試驗條件下進行烴類裂解試驗和測焦試驗，獲得良好的試驗結(jié)果。1997年開始進行工業(yè)試驗，先后在不同能力和不同技術(shù)型號的遼化CBL-I、揚子石化SRT-III和燕山石化SRT-IV（HC）等裂解爐上進行試驗，均取得了顯著的試驗效果。
遼化工業(yè)試驗的CBL-I型爐為年產(chǎn)乙烯2萬噸的裂解爐，全爐分兩大組進料，選取其中一大組加入扭曲片管，另一組維持爐管原狀，對比和觀察改變結(jié)構(gòu)后引起的變化；揚子石化烯烴廠的SRT-III型爐為年產(chǎn)乙烯4萬噸的裂解爐，為LUMMUS公司的**技術(shù)，全爐共有6組輻射段爐管，兩組爐管在輻射段出口合并后進入一臺急冷鍋爐，全爐共有三臺急冷鍋爐，選取爐況較差的兩大組加裝扭曲片管，相當于1/3臺裂解爐。
在遼化和揚子石化取得的初步成果和試驗基礎(chǔ)上，2004年在燕山SRT-IV（HC）進行整臺裂解爐試驗，輻射段爐管的排列方式為8-4-1-1，整爐試驗的目的是為了考察加入扭曲片管后對裂解爐的周期和處理量的影響。
試驗結(jié)果表明：加裝扭曲片管后，裂解爐輻射段爐管管壁溫度同比下降20℃以上，可以提高裂解爐處理量7%，可以大幅度延長裂解爐運行周期。工業(yè)試驗中，石腦油在正常裂解條件下可以延長運行周期110%，石腦油在提高處理量7%和提高裂解溫度8℃的條件下延長運行周期70%，重柴油在提高處理量7%條件下延長了運行周期27%，并且扭曲片管對于輕重原料都有很好的適應(yīng)性，加裝扭曲片管對裂解爐的主要產(chǎn)品收率影響不大，對裂解爐的操作和運行沒有**的影響。
經(jīng)過十年的試驗研究，扭曲片管強化傳熱技術(shù)取得了巨大成功。2006年榮獲中國石化科技進步一等獎；2007年榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。目前，集團公司下屬企業(yè)中現(xiàn)已有9家乙烯企業(yè)的12種爐型采用該技術(shù)，產(chǎn)能約200萬噸。
在強化傳熱技術(shù)推廣應(yīng)用的近三年里，獲得了乙烯行業(yè)業(yè)主們3的廣泛贊譽，為乙烯生產(chǎn)企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。燕山BA1104爐是SRT-IV（高能力）型裂解爐，乙烯年產(chǎn)量為6萬噸，平均運行周期為45天，使用強化傳熱技術(shù)以后，每年可以減少燒焦次數(shù)3次，延長裂解爐壽命，提高石腦油處理量，每年多產(chǎn)乙烯約3400噸和丙烯約1900噸；東方化工廠F103爐是GK-V型裂解爐，乙烯年產(chǎn)量為3萬噸，平均運行周期為45天，使用強化傳熱技術(shù)以后，**個周期為87天，**個周期為112天，創(chuàng)下了該裂解爐的運行記錄，全年共減少燒焦次數(shù)4次，增加實際生產(chǎn)時間150小時，節(jié)省燃料氣78.9噸，少耗用稀釋蒸汽800噸左右。
強化傳熱技術(shù)在國內(nèi)乙烯廠成功應(yīng)用的同時，許多國外技術(shù)廠商主動和北化院合作。前不久與加拿大合生亮和美國LUMMUS技術(shù)部門合作，開始向國外乙烯裂解爐推廣扭曲片管強化傳熱技術(shù)，如新加坡PCS公司、馬來西亞TITAN、韓國LG對裂解爐爐管扭曲片管強化傳熱技術(shù)也表現(xiàn)出濃厚的興趣，和我方技術(shù)人員進行多次交流，對三家公司裂解爐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析計算，并結(jié)合各公司裂解爐（TITAN和PCS為S&W，LG為SRT-VI）的特點，向其提供了裂解爐安裝扭曲片管的初步方案。
強化傳熱技術(shù)將在中國石化所有乙烯企業(yè)中應(yīng)用實施，該項技術(shù)提高了乙烯裂解爐的運行周期、減少燒焦成本、提高乙烯產(chǎn)量、節(jié)約燃料和延長裂解爐壽命，為乙烯企業(yè)的良性發(fā)展提供了捷徑，可謂是乙烯行業(yè)發(fā)展的一次重大技術(shù)突破。
