裂解炉是乙烯装置的能耗大户，其能耗占装置总能耗的50%-60%。降低裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径之一。随着能源价格的不断上涨，国内外相关部门均加强了裂解炉节能措施的研究。裂解炉的能耗在很大程度上取决于裂解炉系统本身的设计和操作水平，近年来，裂解炉技术向高温、短停留时间、大型化和长运转周期方向发展。通过改善裂解选择性、提高裂解炉热效率、改善高温裂解气热量回收、延长运转周期和实施新型节能技术等措施，可使裂解炉能耗显著下降。 1 改善裂解选择性 对相同的裂解原料而言，在相同工艺设计的装置中，乙烯收率提高1%，则乙烯生产能耗大约相应降低1%。因此，改善裂解选择性，提高乙烯收率是决定乙烯装置能耗的最基本因素。通过裂解选择性的改善，不仅达到节能的效果，而且相应减少裂解原料消耗，在降低生产成本方面起到十分明显的作用。 （1）采用新型裂解炉。新型裂解炉均采用高温-短停留时间与低烃分压的设计。20世纪70年代，大多数裂解炉的停留时间在0.4s左右，相应石脑油裂解温度控制在800-810℃，轻柴油裂解温度控制在780-790℃。近年来，新型裂解炉的停留时间缩短到0。2s左右，并且出现低于0.1s的毫秒裂解技术，相应石脑油裂解温度提高到840℃以上，毫秒炉达890℃；轻柴油裂解温度提高到820℃以上，毫秒炉达870℃。由于停留时间大幅度缩短，毫秒炉裂解产品的乙烯收率大幅度提高。对丁烷和馏分油而言，与0.3-0.4s停留时间的裂解过程相比，毫秒炉裂解过程可使乙烯收率提高10%-15%。 （2）选择优质的裂解原料。在相同工艺技术水平的前提下，乙烯收率主要取决于裂解原料的性质，不同裂解原料，其综合能耗相差较大。裂解原料的选择在很大程度上决定乙烯生产的能耗水平。通过适当调整裂解原料配置结构，优化炼油加工方案，增加优质乙烯原料如正构烷烃含量高的石脑油等供应，改善原料结构和整体品质，在提高乙烯收率的同时，达到节能降耗的目标。 （3）优化工艺操作条件。通过优化裂解炉工艺操作条件，不仅能使原料消耗大幅度降低，也能够使乙烯生产能耗明显下降。不同的裂解原料对应于不同的炉型具有不同的最佳土艺操作条件。对于一定性质的裂解原料与特定的炉型来说，在满足目标运转周期和产品收率的前提下，都有其最适宜的裂解温度、进料量与汽烃比。如果裂解原料性质与原设计差别不大，裂解炉最优化的工艺操作条件可以参照设计值。反之，则需要利用SPYR软件或裂解试验装置对原料重新评价，以确定最佳的工艺操作条件。 2 延长裂解炉运行周期 （1）优化原料结构与工艺条件。裂解原料组成与性质是影响裂解炉运行周期的重要因素。一般含氢量高、低芳烃含量的原料具有良好的裂解性能，是裂解炉长周期运行的必要条件。对不饱和烃含量较高的原料进行加氢处理，是提高油品质量的有效途径。当裂解原料一定时，工艺条件是影响裂解炉运行周期的主要因素。低烃分压、短停留时间和低裂解温度有利于延长裂解炉运行周期。但考虑到烯烃收率与蒸汽消耗，需要对裂解深度与汽烃比控制加以优化。 （2）采用在线烧焦。裂解炉在线烧焦是在炉管蒸汽-空气烧焦结束后，继续对废热锅炉实施烧焦。与传统的烧焦方式相比，在线烧焦具有明显的优势。一是裂解炉没有升降温过程，可以延长炉管的使用寿命，并可节省裂解炉升降温过程中燃料与稀释蒸汽的消耗；二是由于在线烧焦，裂解炉离线时间短，可以提高开工率，并可增加乙烯与超高压蒸汽的产量。目前BASF在线烧焦程序已在国内外乙烯裂解炉上成功应用了多年，事实证明，采用在线烧焦可大大减少废热锅炉的机械清焦次数，有效地降低乙烯装置的能耗。 （3）采用结焦抑制剂。在裂解原料或稀释蒸汽中加入结焦抑制剂，可以起到钝化炉管表面，延长炉管结焦周期的作用。近年来，结焦抑制剂技术取得了较大进展。据报道，Phillips公司开发的CCA-500结焦抑制剂可使炉管运转周期延长2-8倍。扬子石化股份公司65万吨/年乙烯装置2台乙烷炉使用江阴天源化工结焦抑制剂N-360后，运行周期由原来45 d延长至120 d以上。 （4）采用新型炉管。陶瓷炉管技术是在炉管内壁生成一种纳米结构的尖晶石表面，抑制焦的形成。这种材料可在较高的裂解温度下操作且无催化作用的特点，因此不会形成催化结焦的结焦物。Stone &Webster公司对陶瓷裂解炉管进行了试验测试，使用乙烷作裂解原料时，炉管不结焦，并且乙烷的转化率较高。法国石油研究院(IFP)和加拿大Nova化学公司开发了高温陶瓷裂解炉管。据称，采用这种炉管，乙烷裂解的转化率为90%，而普通裂解炉的转化率仅65%-70%，并且还可有效地控制裂解结焦的生成，使裂解炉的运行周期大幅延长。 3 提高裂解炉热效率 （1）降低排烟温度。在其他条件不变的前提下，裂解炉热效率与排烟温度直接相关。1975年前裂解炉设计排烟温度为190-240℃，相应热效率为87%-90%。20世纪70年代末期，裂解炉排烟温度降至120-140℃，相应热效率提高到92%-93%。近年来，新设计的裂解炉进一步将排烟温度降至100-120℃，相应热效率提高到93%-94%。但是，如果排烟温度低于烟气中酸性气体露点温度，将出现对流段炉管腐蚀的问题。因此，在降低排烟温度的同时，必须考虑烟气中酸性气体露点温度，此温度取决于燃料中的硫含量。为防止对流段发生腐蚀，需提高对流段炉管材质等级，或者需要对燃料的含硫量严格限制。通常，降低排烟温度主要措施有改进对流段设计，包括增大传热面积、增加对流段管束、缩短对流段炉管与炉墙距离等；其次定期吹扫对流段炉管表面积灰；另外降低过剩空气系数也很重要。 （2）控制过剩空气系数。为保证燃料完全燃烧，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。一般情况下，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。通常，当过剩空气系数下降10%时，裂解炉热效率可相应提高2%。为保证裂解炉在合适的过剩空气系数下运转，可采取如下措施。 （a）改进烧嘴性能。采用新型烧嘴，可将燃料气过剩空气系数降至6%-8%，油烧嘴的过剩空气系数可降至12%-15%，并可大幅降低烟气中NOx含量。 （b）保证炉体的密闭性。提高炉体的施工与检修质量，加强裂解炉维护与管理，保证炉体的密闭性，减少烧嘴的看火孔、侧壁窥视孔、炉顶保温与辐射段炉管进出的间隙以及对流段炉管出入与保温的缝隙等部位空气漏人，从而最大可能地提高热效率。 （c）确保烟气氧分析仪指示准确。一般裂解炉都设置了烟气氧分析仪，用于自气氧含量。但如果平时不注重维护，氧分析仪经常会出现指示不准的问题。只有确保烟气氧分析仪指示准确的前提下，通过调整炉膛负压与烧嘴风门开度，才能够将过剩空气系数控制在合理的范围。 （3）加强绝热保温。一般裂解炉设计中，炉墙外壁温度应控制在70℃以下。在此情况下，根据环境温度和风力的不同，炉体热损失为总供热负荷的2.5%-4.0%。近年来，为减少炉体热损失，对保温材料及保温设计进行了改进，如选用优质的保温材料，增加保温层厚度。目前，炉壁除使用A12O3-SiO2-CaO三部分构成的硅铝系列高温耐火砖外，还开发了可塑性耐火材料衬里和陶纤衬里，可使炉体热损失大约下降25%。另外，在辐射室炉墙内表面喷涂一层陶瓷衬里，可起到进一步提高辐射传热，降低炉外壁温度的效果。
4 改善高温裂解气热量回收
当裂解炉全部以石脑油为裂解原料时，由对流段和废热锅炉回收余热产生的超高压蒸汽大致可以平衡乙烯装置所需动力和加热用蒸汽。显然，改善裂解炉对流段和高温裂解气热量回收，对降低乙烯生产能耗有显著的影响。 （1）取消蒸汽过热炉。20世纪70年代初期的乙烯装置设计，均设有蒸汽过热炉，集中过热各台裂解炉回收的超高压蒸汽。此后，新装置的设计均取消了蒸汽过热炉，回收的超高压蒸汽在裂解炉对流段进行过热。由此，不仅节省了蒸汽过热炉的投资，同时也降低了燃料的消耗量，并且充分利用了烟气的余热，使裂解炉热效率明显提高，有助于降低乙烯能耗。 （2）改进废热锅炉。更换新型废热锅炉以降低废热锅炉出口温度相应可以增加高压蒸汽的副产量。但是，废热锅炉出口温度受裂解气露点温度的限制。不论废热锅炉初期出口温度如何，其出口温度随运转周期延长终将超过裂解气露点，然后再趋于平衡。随着出口温度的上升，副产蒸汽量随之减少。增大废热锅炉炉管直径可使废热锅炉初期出口温度降低，而不致影响废热锅炉清焦周期。采用线性废热锅炉，可以在相对短的时间内快速冷却裂解气，缩短裂解气在废热锅炉内的停留时间，不仅可以改善裂解选择性，对热量回收也是很有利的。 （3）控制超高压蒸汽汽包排污量。为保证超高压蒸汽汽包内水质，汽包设有连续排污与间断排污。一般汽包排污量控制在锅炉给水进水量的2%-3%。但超高压系统的阀门经过长时间冲刷后，如果得不到及时地维修与更换，内漏情况一般比较严重，易造成超高压蒸汽包排污量超标，一方面造成锅炉给水用量的浪费，另一方面造成产汽量下降，能耗增加。因此，必须定期检查超高压系统的阀门内漏情况，内漏严重的阀门应予以更换。另外，还可以通过合理控制排污阀开度，将汽包排污量控制在设计值附近。 5 实施新型节能技术 （1）风机变频技术。由于裂解炉为负压操作，通常在炉顶设1台风机抽风，并由烟道挡板控制炉膛负压，风机由电机驱动，电机功率随着裂解炉产能增大而增大。一般6万吨/年裂解炉电机功率为132 kW，10万吨/年裂解炉电机功率为160kW。由于这种大功率电机启动电流很大，很容易发生过载。因此，一般需要采用6 kV高压电机。目前国内外很多裂解装置采用变频电机替代普通电机，并取消了烟道挡板，由电机转速直接来控制炉膛负压。变频电机不仅启动电流低，而且正常运转时比普通电机节电30%-40%，并且可以采用380V低压电机。 （2）燃烧空气预热技术。利用乙烯装置废热源来预热燃烧空气可以减少燃料用量，减少的燃料用量大致相当于预热空气的热负荷。因此，预热炉用空气是提高炉效率，降低乙烯能耗的有效措施之一。空气预热最常用的方式是利用烟道气排烟余热进行空气预热，最近也有利用低压蒸汽、中压蒸汽凝液或急冷水等介质来预热空气。目前国内很多乙烯装置如大庆、独山子、兰州等石化公司采用了中国航天十一所裂解炉燃烧空气预热专利技术，节能效果显著。 （3）炉管强化传热技术。开发裂解炉管的强化传热技术具有重要的意义。首先，可以使炉管的传热得到加强，从而提高传热效率，节省燃料消耗；其次，强化传热后裂解炉管内的动状态得到改善，从而使裂解过程目的产物的选择性有所提高；另外，由于传热改善，炉管的管壁温度有所降低，有利于延长裂解炉运转周期。如Lummus公司在1987年推出的SRT-VF型炉，将二程分枝变径8-1型炉管的第一程炉管，由圆管改为螺旋梅花形状的拔制炉管，使通过管内壁的热流量增加33%，管内壁温度降低10℃。我国在炉管强化传热技术开发与应用方面也取得了一定进展，中科院沈阳金属所和北京化工研究院合作开发了扭曲片强化传热技术，通过内扭曲片管改变物料流动状态，达到增加传热的目的。在北京燕山石化公司SRT-Ⅳ(HC)型炉上应用后，运行周期由50 d延长至100 d以上。 （4）裂解炉与燃气轮机联合技术。近年来，为进一步降低乙烯生产的能耗，国外有很多乙烯装置采用裂解炉与燃气轮机联合的节能技术，节能效果十分显著。采用裂解炉与燃气轮机联合的方案是，燃料气先进入燃气轮机发电，产生450-550℃高温燃气，再送人裂解炉作为助燃空气。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体积分数13%-15%的氧。将这些高温富氧燃气作为裂解炉的助燃空气，实际上燃气轮机起到了具有做功能力的空气预热器的作用，并且燃气轮机排气的能量得到了充分的利用，从而使裂解炉的燃料消耗大幅度下降。就整个联合系统而言，总的燃料使用率在80%以上，并使裂解炉有效能利用率提高10%。
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