專利名稱：一種設置強化傳熱構件的急冷鍋爐的制作方法
技術領域：
本發明涉及石油化工乙烯裂解爐中配套的急冷換熱設備。
背景技術：
烴類裂解原料在管式裂解爐輻射段爐管中進行高溫裂解反應，產生的高溫裂解氣 的溫度可高達800 900°C。為了防止二次反應的發生，減少烴類損失，高溫裂解氣需要進 入急冷區域進行快速冷卻，同時回收熱能產生高壓蒸汽。眾所周知，急冷鍋爐是乙烯裂解裝 置急冷區域中使用的重要換熱設備，通常包括換熱管和殼層，其換熱部分分為殼程和管程， 其中管程內流動高溫介質，即800°C 900°C高溫裂解氣混合物；殼程內流動冷卻介質，即 350°C左右的飽和水混合物。急冷鍋爐的冷卻過程大致如下來自輻射段爐管的高溫裂解氣 混合物經急冷鍋爐入口進入換熱管管程內，從裂解爐汽包來的低溫水經殼層入口進入換熱 管殼程，通過間壁換熱，急冷后的裂解氣混合物經過急冷鍋爐出口流出急冷鍋爐，換熱后的 冷卻介質以飽和水汽混合物的形式通過殼體的出口流出急冷鍋爐。一般而言，高溫裂解氣在急冷鍋爐管程內冷卻的過程總是伴有結焦現象的發生。 一是由于入口的高溫裂解氣混合物溫度很高，而且部分氣體在換熱管壁附近有較長時間的 停留，其中的不飽和烴和重質烴進一步縮合和分解，從而促使焦炭的生成；二是由于隨著高 溫裂解氣的不斷冷卻，高沸點組分冷凝在管程的壁面上，緩慢的進行脫氫縮聚反應，逐漸重 質化，相繼變為焦油狀或焦炭狀的物質。因此，在管程的壁面，很容易形成焦炭層。急冷鍋 爐管程內結焦的標志是管表面溫度上升、急冷鍋爐出口溫度上升、裂解爐管壓力降增大，達 到一定值后將不得不停工清焦。所以，急冷鍋爐的結焦也是限制裂解裝置運行周期的因素 之一。許多研究表明，急冷鍋爐中的結焦大都在裂解氣溫度高于600°C的區域發生，當裂 解氣溫度達到600°C以下結焦的發生明顯減少。減少和阻止結焦最主要的方法就是縮短 停留時間和增加結焦區域的氣體流速，也就是縮短結焦前兆體和重組分在管壁附近高溫聚集。傳統的急冷鍋爐設計一般要求具有如下性能(1)高質量流速裂解氣體很快的 通過急冷鍋爐，以避免重組分和二次反應產物在管壁上沉積并結焦，一般而言，急冷鍋爐裂 解氣側的質量流速為50 120kg/(m2. s) ； (2)高壓力水急冷鍋爐中水側的水和蒸汽壓力 高，這樣在換熱過程中就可以使管壁溫度不致降到裂解氣的露點溫度以下，從而引起結焦。 一般而言，水側的壓力在8 12Mpa之間；(3)短停留時間這與高質量流速相一致，停留時 間短一方面減少裂解氣二次反應的發生從而減少烴類損失，另一方面能夠減少結焦的發生 從而延長急冷鍋爐的在線時間；(4)低壓力降降低烴分壓有利于提高裂解爐的選擇性，通 常裂解氣壓縮機入口壓力為一定值，因此急冷鍋爐的壓力降低有利于降低輻射段出口的壓 力，從而提高裂解的選擇性，通常，急冷鍋爐末期的壓降在0. OlMpa左右。管式裂解爐配套使用的急冷鍋爐，大致包括套管式急冷鍋爐、管殼式急冷鍋爐、線 性急冷鍋爐等型式。為滿足上述急冷鍋爐設計的要求，在其入口的設計中，一般要避免入口部分流動“死區”的出現，減少裂解氣在入口部分的停留時間，強化入口部分的均勻分配功 能等。在其換熱部分的設計中，一般都采用內徑較小的直管結構，既可增大換熱面積，又可 減少停留時間和降低壓降。采用直管結構的急冷鍋爐在工業應用過程中，由于其熱強度很大，其換熱過程往 往隨著使用的進行漸漸無法滿足要求，達到應用極限后就要停下機械清焦。一般而言，現在 急冷鍋爐的在線時間大概在6個月到12個月之間，每運行這么長時間就要停爐進行水力或 機械清焦。綜上所述，由于急冷鍋爐的運行周期和裂解爐的運行周期是互為牽連的，急冷鍋 爐的運行情況的好壞，直接影響乙烯裝置的運行周期和急冷鍋爐的壽命。延長急冷鍋爐的 運行周期，不僅可以為最大限度的延長裂解爐的運行周期提供保證，而且也能夠減少急冷 鍋爐的升溫降溫過程，從而提高急冷鍋爐壽命。近年來，能源與材料費用的持續增長大大地推動了強化傳熱技術的研究。采用有 效的強化傳熱技術可以提高換熱管內流體的換熱效率，對于余熱回收利用和節約能源有著 積極的作用。目前，管式換熱器的強化傳熱技術主要是通過傳熱面的形狀或者管內加入構 件來增加流體湍流程度和擴展傳熱面積，來提高傳熱效率，實現節能的目的。下面就目前廣 泛使用的技術進行簡單介紹，內凸肋結構管應用廣泛，包括螺旋槽管和橫紋管，管壁上的橫 紋能在有相變和無相變的傳熱中明顯提高了管內外的傳熱系數；內翅片管是通過特殊的焊 接工藝和設備加工而成，流體在管內的換熱過程為單相強制對流換熱，翅片的焊接和加工 對于傳熱的影響都很大；管內插入物在低雷諾數或者高粘度流體傳熱工況下，管內插件對 于強化氣體、低雷諾數流體或者高粘度流體的傳熱會起到很好的效果；縮放管是依次交替 的多節漸縮段和漸擴段構成，縮放管通過壁面縮放，使流體壓力發生周期性的變化產生劇 烈的漩渦沖刷流體邊界層，減薄邊界層，增加傳熱系數。盡管管式換熱器的強化傳熱技術種 類很多，應用也很廣泛，但是現有這些技術也面臨一些困惑，主要是加工制造難度大、費用 成本高。由于急冷鍋爐中流體具有高質量流速、高溫、高壓、易結焦等特點，如何將現有的 強化傳熱技術應用于急冷鍋爐中，從而有效提高換熱效率、減少結焦、延長在線運行周期， 一直未見報道。本發明的目的在于將現有強化傳熱技術應用于乙烯裂解裝置的急冷鍋爐， 進而提供一種延長在線時間的急冷鍋爐。
發明內容
本發明的目的是提供一種帶強化傳熱構件的急冷鍋爐。本發明的急冷鍋爐是在現有急冷鍋爐的換熱管內設置強化傳熱構件，優選設置扭 曲片管，從而強化急冷鍋爐的傳熱過程，減少結焦，延長急冷鍋爐的在線時間。具體的，本發明的急冷鍋爐包括換熱管和殼層，在所述的急冷鍋爐的換熱管中設 置強化傳熱構件；且所述的強化傳熱構件設置在所述急冷鍋爐殼程流體中汽相占所述流體 的體積百分比小于5%的位置或者所述急冷鍋爐管程流體溫度高于520°C的位置。一般而言，由裂解爐引出的裂解氣在急冷鍋爐入口處的溫度最高，隨著裂解氣沿 著急冷鍋爐的管程前進，裂解氣的溫度逐漸下降，急冷鍋爐的殼程中高壓水逐漸汽化。因 此，在本發明的急冷鍋爐中，是將所述強化傳熱構件設置在管程入口處與所述急冷鍋爐殼
4程流體中汽相占所述流體的體積百分比約為5%的位置或者所述急冷鍋爐管程流體溫度約 為520°C的位置之間。這樣，可以通過加入強化傳熱構件如扭曲片管強化這部分換熱管內的 傳熱過程，以及減緩這部分換熱管的結焦；同時，由于殼程的高壓水在其汽化5%之前，殼 程的傳熱阻力相對較大，通過加入強化傳熱構件如扭曲片管可以強化傳熱過程以增加總的 傳熱系數。在本發明的具體實施時，設置強化傳熱構件的位置可通過急冷鍋爐管程裂解氣溫 度分布曲線，找到管程裂解氣流溫度或者殼程流體液相汽化率相應的位置，再結合考慮方 便清焦過程的人工操作以及強化傳熱構件需要安裝在直管段處的特點，確定強化傳熱構件 的加入位置。具體的，根據管程裂解氣流量、壓力以及溫度可得到管程裂解氣流在急冷鍋爐 中需要殼程水汽混合物帶走的全部熱量，通過熱量衡算，得到殼程高壓水汽化率與管程裂 解氣溫度的對應關系；再根據急冷鍋爐管程裂解氣溫度與裂解氣停留時間的變化曲線、以 及管程裂解氣流量、壓力和溫度得到該溫度時管程裂解氣流在該急冷鍋爐的管程的停留時 間和管程氣流的線速度，最后得到所需位置。通常在裂解爐和急冷鍋爐的參數確定的情況 下，急冷鍋爐管程裂解氣的溫度變化與裂解氣停留時間的曲線也是確定的。圖4列出了在 工藝條件相同情況下，幾種不同急冷鍋爐的溫度變化曲線。一般的，急冷鍋爐殼程流體中汽相占所述流體的體積百分比約為5%的位置或者 所述急冷鍋爐管程流體溫度約為520°C的位置在距離管程入口處約120D以內的位置；因 此，在本發明的急冷鍋爐中，優選將所述強化傳熱構件設置在距離管程入口處20D至1IOD 之間。優選的，將強化傳熱構件設置在距離管程入口處約30D至70D的位置，D為急冷鍋 爐換熱管的內徑。在本發明的急冷鍋爐的具體實施中，通常在每根換熱管中都分別設置強化傳熱構 件。在本發明的急冷鍋爐中，所述的強化傳熱構件優選使用扭曲片管。更優選所述的 扭曲片管包括內置的扭曲片，所述扭曲片沿扭曲片管的軸向至少部分地設置在該管的內 部，且所述的扭曲片與扭曲片管一體制成。如CN1260469A所公開的熱交換管。CN1260469A 全文引入本說明書中作為參考。在本發明的具體實施中，優選所述的扭曲片管的扭曲比為2 20，扭曲角度為 90° 180°。在本發明的另一個優選實施方案中，所述的扭曲片管的扭曲比為2 12，更優選 為3 6。在本發明的急冷鍋爐中，使用具有較大扭曲比的扭曲片管是由于在裂解爐急冷鍋 爐機械清焦期間可能有焦塊跌落，如果扭曲片管的扭曲比較小，則這種焦塊的跌落可能會 導致急冷鍋爐管程堵住，加大扭曲比可以降低這種情況發生的可能性；而且，扭曲比加大同 時增加了傳熱面積，也能夠強化傳熱的過程。使用具有較小扭曲角度的扭曲片也是出于同 樣的考慮。在本發明中所述扭曲片是指扭曲片扭曲180°的軸向長度與扭曲片管的內徑的比值。在本發明的具體實施中，可在急冷鍋爐的每根換熱管中各加入數個上述扭曲片管，如1-6個。優選在每根換熱管中僅僅加入一個扭曲片管。這主要是由于設置扭曲片管的位置 靠近管程入口處，在管程入口處裂解氣溫度較高，在入口處管外流體發生相變過程，其傳熱 阻力集中在換熱管內，強化這部分管內的傳熱過程不僅僅對傳熱有益處，而且有助于減少 結焦過程的發生。更重要的是，僅僅加入一個扭曲片管保證了在機械清焦期間能夠從上面 和下面進行機械清焦，這樣就能夠保證急冷鍋爐的絕大部分能夠被機械清焦所達到，避免 了無法徹底機械清焦而導致的急冷鍋爐運行周期降低。優選本發明的急冷鍋爐中使用的扭曲片管的材質與換熱管的材質相同。在具體使 用時，可通過焊接的方法連接在所述換熱管中。本發明對于急冷鍋爐的型式沒有特別的限制，可以在現有的各種型式的急冷鍋爐 中設置強化傳熱構件，如在乙烯裂解裝置中使用的傳統型急冷鍋爐、浴缸型急冷鍋爐、線性 急冷鍋爐，也可以用于雙套管式急冷鍋爐、半螺旋管式急冷鍋爐、U型管式急冷鍋爐等。在 上述的所涉及的急冷鍋爐中設置強化傳熱構件的位置沒有太大的區別，根據其溫度變化曲 線選擇合適的位置即可。本發明提供的另一種急冷鍋爐，是將強化傳熱構件設置在急冷鍋爐每根換熱管距 離管程入口約20D 110D之間。優選在所述的急冷鍋爐的每根換熱管距離管程入口約30D 70D處設置扭曲片管。本發明的另一個目的是提供上述急冷鍋爐在烴類裂解爐配套急冷換熱中的應用。本發明的急冷鍋爐具有的有益效果如下1、本發明的急冷鍋爐，通過設置強化傳熱構件，強化了換熱管的傳熱效果，延緩了 急冷鍋爐的結焦，從而延長了急冷鍋爐的在線時間。2、將本發明的急冷鍋爐應用于乙烯裂解裝置，由于其有效延長了在線運行周期， 所以，為最大限度的延長裂解爐的運行周期提供了保證。3、由于本發明的急冷鍋爐的在線時間延長，從而減少了急冷鍋爐的升降溫以及清 焦的次數，從而有效提高了急冷鍋爐的壽命。
圖1是線性急冷鍋爐應用扭曲片管的示意圖。圖2、3是扭曲片管的剖面和橫截面示意圖。圖4是幾種急冷鍋爐的裂解氣溫度與停留時間的曲線圖。其中，1為套管型急冷鍋 爐，2為快速急冷型鍋爐，3為浴缸型急冷鍋爐，4為傳統型急冷鍋爐。
具體實施例方式下面結合實施例進一步描述本發明。本發明的范圍不受這些實施例的限制，本發 明的范圍在權利要求書中提出。在本發明的實施例中使用的扭曲片管是按照CN1260469A公開的熱交換管制造的 具有不同扭曲比和扭曲角度的扭曲片管，且扭曲片管的材質與急冷鍋爐的材質完全相同。在本發明中，S0R是指運行初期，E0R是指運行末期。
在本發明的實施例和對比例中所涉及的浴缸型急冷鍋爐的溫度變化曲線使用圖4 中曲線3。對比例1以不設置扭曲片管的浴缸型急冷鍋爐為例，將其應用于一臺乙烯生產能力為10 萬噸/年的裂解爐。急冷鍋爐的尺寸和參數見表1，工藝參數見表2。裂解爐原料為加氫尾 油(以下簡稱HVG0)。表1急冷鍋爐的結構參數 實施例1本實施例是使用與對比例1相同的浴缸型急冷鍋爐，在一臺乙烯生產能力為10萬 噸/年的裂解爐中配備本發明的急冷鍋爐，其尺寸和參數見表1，工藝參數見表2。裂解爐 原料為HVG0。表2急冷鍋爐的工藝參數 根據圖4中所示浴缸型急冷鍋爐溫度變化曲線以及管程裂解氣流量、壓力以及溫 度計算得到殼程高壓水汽化5%時的溫度值，推算出該溫度對應的管程裂解氣流在該急冷 鍋爐的管程的停留時間；再根據裂解氣流量、壓力以及溫度得到裂解氣流的線速度，最后可 知殼程高壓水的汽化率為5 %的位置為距離管程入口約80D處，考慮清焦以及操作方便的 原因將扭曲片管設在距離管程入口處2300mm處。與對比例1相比，在相同的工藝條件下，加入扭曲片管后的急冷鍋爐在線時間延 長約40%，而且其運行末期的換熱量有所增加，這說明其內部的結焦比對比例1要少。對比例2本對比例是一臺乙烯生產能力為10萬噸/年的裂解爐，其配備的急冷鍋爐為浴缸 型急冷鍋爐，其尺寸和參數見表3，工藝參數見表4。裂解爐原料為石腦油(以下簡稱NAP)。表3急冷鍋爐的結構參數 表4急冷鍋爐的工藝參數
實施例2本實施例是一臺乙烯生產能力為10萬噸/年的裂解爐，配備的浴缸型急冷鍋爐為 本發明的急冷鍋爐，其尺寸和參數見表3，工藝參數見表4。裂解爐原料為NAP。根據圖4中所示溫度變化曲線以及管程氣流量、壓力以及溫度可以計算得到殼程 高壓水汽化5%時的溫度值，推算出該溫度時管程裂解氣流在該急冷鍋爐的管程的停留時 間，從而能夠根據氣流的線速度計算可知在距離管程入口約90D處殼程高壓水的汽化率為 5%，考慮清焦以及操作方便的原因將扭曲片管設在距離管程入口處2300mm處。與對比例2相比，加入扭曲片管后的急冷鍋爐在線時間延長約50%，而且其運行 末期的換熱量有所增加，這說明其內部的結焦比對比例2要少。對比例3本對比例是一臺乙烯生產能力為10萬噸/年的裂解爐，其配備的急冷鍋爐為浴缸 型急冷鍋爐，其尺寸和參數見表5，工藝參數見表6。裂解爐原料為NAP。與對比例2相比，加入扭曲片管后的急冷鍋爐在線時間略有延長，但與實施例3相 比，其在線時間較短，這說明其內部的結焦情況比對比例2要好，但要差于實施例3。實施例3本實施例是一臺乙烯生產能力為10萬噸/年的裂解爐，其配備的浴缸型急冷鍋爐 為本發明的急冷鍋爐，其尺寸和參數見表5，工藝參數見表6。裂解爐原料為NAP。根據圖4中所示浴缸型急冷鍋爐溫度變化曲線可以得到520°C時管程氣流在該急 冷鍋爐的管程的停留時間，從而能夠根據管程氣流的線速度計算該位置。可知在距離管程 入口約115D處管程內流體溫度約為520°C，考慮清焦以及操作方便的原因將扭曲片管設在 距離管程入口處1600mm處。與對比例2相比，加入扭曲片管后的急冷鍋爐在線時間延長約40%，這說明其內 部的結焦情況比對比例2要好。與對比例3相比，實施例3的急冷鍋爐在線時間延長約 15%，這說明其內部的結焦情況比對比例3要好。表5急冷鍋爐的結構參數
表6急冷鍋爐的工藝參數
權利要求
一種急冷鍋爐，包括換熱管和殼層，其特征在于所述的急冷鍋爐的換熱管中設置強化傳熱構件；且所述的強化傳熱構件設置在所述急冷鍋爐殼程流體中汽相占所述流體的體積百分比小于5％的位置或者所述急冷鍋爐管程流體溫度高于520℃的位置。
2.根據權利要求1所述的急冷鍋爐，其特征在于所述的強化傳熱構件為扭曲片管。
3.根據權利要求2所述的急冷鍋爐，其特征在于所述的扭曲片管包括內置的扭曲片， 所述扭曲片沿扭曲片管的軸向至少部分地設置在該管的內部，且所述的扭曲片與扭曲片管 一體制成。
4.根據權利要求2或3所述的急冷鍋爐，其特征在于所述的扭曲片管的扭曲比為2 20，扭曲角度為90° 180°。
5.根據權利要求4所述的急冷鍋爐，其特征在于所述的扭曲片管的扭曲比為2 12， 更優選為3 6。
6.根據權利要求1-5之一所述的急冷鍋爐，其特征在于在所述的急冷鍋爐每根換熱 管中設置1-6個所述扭曲片管，優選設置1個。
7.根據權利要求6所述的急冷鍋爐，其特征在于所述的扭曲片管的材質與換熱管的 材質相同。
8.一種急冷鍋爐，包括換熱管和殼層，其特征在于在所述的急冷鍋爐的每根換熱管 距離管程入口 20D 110D處設置強化傳熱構件。
9.根據權利要求8所述的急冷鍋爐，其特征在于在所述的急冷鍋爐的每根換熱管距 離管程入口 30D 70D處設置強化傳熱構件。
10.權利要求1-9之一所述的急冷鍋爐在烴類裂解爐配套急冷換熱中的應用。全文摘要
本發明公開了一種設置強化傳熱構件的急冷鍋爐。本發明的急冷鍋爐包括換熱管和殼層，在所述的急冷鍋爐的換熱管中設置強化傳熱構件；且所述的強化傳熱構件設置在急冷鍋爐殼程流體中汽相占所述流體的體積百分比小于5％的位置或者所述急冷鍋爐管程流體溫度高于520℃的位置。本發明的急冷鍋爐應用于乙烯裂解裝置中，能夠強化急冷鍋爐的傳熱效果，延緩急冷鍋爐的結焦，從而延長急冷鍋爐的在線時間。
文檔編號C07C11/04GK101893396SQ200910084549
公開日2010年11月24日 申請日期2009年5月21日 優先權日2009年5月21日
發明者劉俊杰, 周叢, 周先鋒, 張兆斌, 張利軍, 杜志國, 王國清 申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司北京化工研究院