乙烯的生产及重要作用

乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程

王子宗，何细藕

（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）

摘要：简述了蒸汽裂解技术的发展过程、发展方向以及目前的现状。介绍了目前裂解技术在与辐射炉管相关技术、与节能环保相关技术、大型化、裂解炉改造、先进控制及优化等方面的主要进展，并介绍了哪些技术效果好、哪些技术仍然存在问题。简要回顾了中国石化北方炉（CBL）裂解技术的发展过程，以及工艺国产化、设备国产化、工程设计国产化以及大型化的情况。介绍了 CBL 裂解技术在裂解炉节能改造、天津与镇海 1000 kt/a 乙烯装置中的工业应用情况、150 CBL-Ⅶ型 kt/a 裂解炉的工业应用情况及 200 kt/a 裂解炉的开发情况。最后指出了蒸汽裂解技术取得突破进展所存在的瓶颈在于防止结焦，总结了 CBL 技术经历 30 年发展并最终进入国际市场的过程中每个阶段所解决的问题。介绍了CBL 裂解技术特点，并指出了其与国外技术相比所占的优势。

关键词：蒸汽裂解；裂解炉；北方炉；国产化

石油化学工业的大多数生产装置以烯烃和芳烃为基础原料，其总量约占石油化工生产总耗用原料的 3/4。在烃类蒸汽制乙烯技术出现之后，主要由烃类蒸汽裂解制乙烯装置生产各种烯烃和芳烃[1]。至2012 年，全球乙烯产量约为 1.5 亿吨，中国乙烯年生产能力达到1616.5 万吨，有 32 套乙烯装置生产，在世界上仅次于美国位列第二位。中国石化集团公司（下文简称“中国石化”）有 18 套乙烯装置，乙烯生产能力达到 947.5 万吨，其中有合资装置 4 套，乙烯生产能力 368 万吨[2]；中国石油天然气集团公司有 11 套乙烯装置，乙烯生产能力达到511 万吨[3]。近来虽然有一部分乙烯、丙烯通过重油或渣油催化裂解生产以及甲醇制烯烃生产，但仍以烃类蒸汽裂解制乙烯为主。因此乙烯装置是石油化工装置的龙头。

乙烯生产专利技术由于工艺复杂，半个世纪来一直由美国

Lummus、S&W、KBR、德国 Linde 和法国 Technip 五大专利商垄断，典型的生产工艺有：顺序分离技术路线（含顺序“渐近”分离技术路线）、前脱丙烷分离技术路线和前脱乙烷分离技术路线，并且均拥有各自的裂解技术[4-7]。鉴于乙烯技术的重要性，原中国石化总公司成立伊始，就把开发乙烯裂解技术确定为重点科技开发项目，于 1984 年开始组织开展中国石化乙烯裂解技术的研究开发工作，并于 1988 年实现了第一台北方炉（CBL）工业试验的裂解炉投入运行[1]。以中国石化工程建设有限公司（SEI）、北京化工研究院和南京工业炉所为代表的研究开发单位，经过近 30年的不断研发，取得了显著的成绩，实现了烃类蒸汽热裂解工艺技术、工程设计技术及设备的国产化，在国内得到大面积应用并走向了国外。

1 裂解技术进展

乙烯裂解炉因其在乙烯装置中的特殊地位而成为乙烯装置的龙头，是乙烯装置中关键和核心工艺专利设备。在乙烯装置中，裂解炉的综合能耗约占乙烯装置综合能耗的 50%～60%；而裂解炉的投资根据裂解原料的不同，约占整个乙烯装置投资的1/4～1/3[8-9]。因此裂解技术的进步在乙烯技术的发展方面具有举足轻重的作用。

中国乙烯装置的规模由 20 世纪 60、70 年代的乙烯 100～300 kt/a，70、80 年代的乙烯 300～600 kt/a，到 80、90 年代的乙烯600～800 kt/a 和目前的1000 kt/a 及以上。为适应乙烯装置规模扩大的需要，裂解炉的单炉能力也相应扩大。乙烯裂解技术的发展主要围绕提高裂解选择性降低原料消耗、降低能耗、降低污染物排放、

大型化、低投资等。

1.1 国外各种裂解炉型现状

烃类通过蒸汽裂解制乙烯的反应过程是在裂解炉辐射段炉管中发生的，裂解选择性的提高主要归功于辐射段炉管构型的改进，各种炉型的发展均与辐射炉管的改进直接相关。第一阶段为 20 世纪 60年代初期长停留时间且小能力的水平布置炉管发展到 60 年代后期开始采用垂直排列的辐射段炉管；第二阶段是从 70 年代开始采用4～6 程分枝管并以停留时间缩短到 0.4～0.6 s 为特征；第三阶段是在 80年代通过采用两程或单程炉管进一步降低停留时间到 0.2 s 左右或以下以提高乙烯、丙烯的选择性为特征。其总的趋势是炉管结构实现了裂解反应所需要的高选择性：①提高反应温度；②烃类在炉管中的停留时间短；③烃分压低。总的效果是实现了以石脑油为原料时，乙烯收率达到 28%～33%[1，8]。以下汇总了商业化的裂解炉炉型的现状[1，4-7，10]。

（1）美国 Lummus 公司

美国 Lummus 公司开发的 SRT 型裂解炉，以分枝变径管为特点，具有短停留时间、热强度高、低烃分压的特点。在 1994 年推出以 4-1 型两程炉管为特征的 SRT-Ⅵ型炉后，在 21 世纪初推出 SRT-X 型炉（辐射炉管由传统的沿辐射段炉膛长度布置改为与其垂直布置）后，目前又推出 SRT-Ⅶ型（8-1）双炉膛裂解炉，其停留时间进一步缩短，采用全底部供热。近来气体原料多采用 SRT-Ⅱ（4-2-1-1-1-1）型或SRT-Ⅲ（4-2-1-1）型炉（停留时间 0.4 s 左右），

液体原料采用 SRT-Ⅵ型、SRT-Ⅶ型的两程炉管（停留时间 0.2 s 左右），急冷锅炉为一级多管束的锅炉如浴缸式、快速急冷等型式。供热以底部与侧壁联合为主，近来也采用全底部供热或一体化供热（在底部燃烧器附近布置一贴着炉底的燃烧器）。其特点是 SRT-Ⅵ型、SRT-Ⅶ型的两程炉管的底部连接为锥形集合管的刚性连接，因此炉管容易弯曲。由于其炉管的结构及每一个 4-1 或 8-1 炉管的处理量较大，无法与线性锅炉连接，只能与大型锅炉连接。

（2）美国 Stone & Webster（S&W）公司

S&W 公司管式炉裂解的主要特点是采用不分枝变径管即超选择性裂解炉（USC），以双炉膛结构为主，对气体原料采用 W 及 M 型（停留时间 0.3～0.6 s），对液体原料采用 U 型炉管（停留时间 0.2 s 左右），近期推出单程陶瓷炉管裂解炉，管长 5～15 m，停留时间为0.05～0.1 s，但未工业化。急冷锅炉以线性为主，对气体原料也采用二级，供热以全第 1 期王子宗等：乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程·3·底部为主。其特点是 U 型两程炉管的底部连接为大弯管柔性连接，因此炉管不易弯曲。由于其炉管的处理量较小，通常与线性锅炉连接。

（3）美国 Kellogg Brown & Root（KBR）公司

美国凯洛格（Kellogg）公司从 20 世纪 70 年代开始研究毫秒裂解炉，并于 80 年代广泛用于其设计的乙烯装置。其特点是采用单程炉管、停留时间为0.05～0.1 s。其烯烃收率要高 4%～8%。美国凯洛格与布朗路特公司合并成立 KBR 公司后，与 ExxonMobil 公司