CN101679879B - 乙烯炉辐射段炉管除焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供对在乙烯裂解装置中的辐射段炉管除焦的方法。该除焦方法通过监测炉管出口温度以控制在所述辐射段炉管中的结焦物的燃烧速率来控制。在除焦工艺过程中，控制空气流量、水蒸汽流量和炉管出口温度，以防止管子损坏、使除焦时间最小化和使结焦物去除最大化。

Description

乙烯炉辐射段炉管除焦方法

本申请根据35U.S.C.§119要求于2007年5月7日提交的美国临时申请60/928,093的权益，该临时申请的全部内容通过引用结合在此。

发明领域

本发明涉及用于对乙烯装置的炉子除焦的方法。利用炉管出口温度的变化量控制除焦方法的开始。在除焦工艺过程中，控制空气流量、水蒸汽流量和炉管出口温度，以防止管子损坏、使除焦时间最小化和使结焦物除去最大化。

发明背景

乙烯在世界上大量生产，主要用作其它材料用的化学结构单元(building block)。乙烯作为大量的中间体产物出现于19世纪40年代，此时油和化学品生产公司开始从炼油厂废气中分离乙烯，或者由从炼油厂副产物流得到的乙烷和由天然气制备乙烯。

大多数乙烯是通过用水蒸汽热裂解烃制备的。典型的乙烯裂解炉的布置示于图1中。烃裂解通常发生在炉子的辐射段中的燃烧的管状反应器中。在对流段，烃流可以通过与来自炉子燃烧器的废气热交换而预热，并且使用水蒸汽进一步加热，以将温度升高至初始的裂解温度，取决于原料典型地为500-680℃。

预热后，原料流进入到管形式的炉子的辐射段，其在本文中称作辐射段炉管。应当理解，所述和所要求保护的方法可以在具有任何类型的辐射段炉管的乙烯裂解炉中进行。在辐射段炉管中，将烃流在受控的停留时间、温度和压力下短时间地加热，典型地加热至约780-895℃的范围内的温度。在原料流中的烃裂解成为更小的分子，包括乙烯和其它烯烃。然后使用各种分离或化学处理步骤，将裂解的产物分离成为所需要的产物。

在裂解工艺过程中生成各种副产物。在生成的副产物中，有结焦物，所述的结焦物可以沉积在炉子中的管的表面上。辐射段炉管的结焦降低了传热和裂解工艺的效率以及增加炉管的压降。因此，周期性地，达到极限，并且需要对炉管除焦。

乙烯炉的除焦典型地隔20至70天进行。由于除焦过程通常难以监测，因此现有的除焦程序是根据经验通过使空气和水蒸汽流量以过去可接受的值匀变(ramp)而完成的。使用这些工序，可能难以控制结焦物燃烧速率。还难以检测需要更慢、更谨慎的除焦程序的条件(空气流量的更慢匀变)。这可能导致损坏辐射段炉管或者不适宜慢的除焦，从而延长炉子停工时间和减少产量。

例如，为了避免损坏辐射段炉管，一些更谨慎的除焦程序在除焦程序开始时利用低的空气和水蒸汽流量和流量匀变速率，以避免快速结焦物燃烧。这些更谨慎的除焦程序可能导致增加的停工时间和损失产量。另一方面，太快的空气和水蒸汽流量和流量匀变速率可能引起炉管侵蚀或局部快速燃烧，这可能损坏辐射段炉管。

当首先将空气引入炉子中以开始结焦物的燃烧时，可能发生辐射段炉管的过热，从而引起炉管寿命降低。初始空气引入步骤的控制是困难的，原因在于不能获得结焦物燃烧速率的直接测量。为了避免炉管损坏，此步骤通常非常慢地进行，这可能不必要地延长用于除焦过程的时间。

解决此问题的一种尝试包括使用流出物分析仪，以监测在结焦物燃烧过程中的CO₂的形成。这些分析仪通常在除焦过程开始时不适用，原因在于相对少量的CO₂存在。此外，CO₂分析可能难以说明，原因在于它实际上是消耗的空气百分比的度量，而不是结焦物的燃烧速率。

在除焦前结焦物剥落也是一个问题。结焦物可能由于在即将除焦之前的工艺扰动而从炉管上剥落并且聚集在辐射段炉管中。此材料非常容易燃烧，结果，管子区域可能过热。目前使用的方法可能难以检测结焦物剥落，目前采用的方法典型地是视觉检查，或通过测量炉管压降。

因而，需要有一种用于对乙烯炉除焦的方法，该方法可以改善控制，以减少用于除焦过程的时间和避免或降低对辐射段炉管的损坏。

发明概述

本发明是一种利用炉管出口温度(COT)的变化量控制除焦过程的方法。控制到炉子中的辐射段炉管的水蒸汽和空气流量，以将COT保持在预定的水平。将水蒸汽和空气流量以及COT在预定的水平保持足以允许在辐射管上的结焦物燃烧的时间。通过监测量平均和单个炉管COT以及水蒸汽和空气流量，可以实现对结焦物燃烧的更有效控制。控制空气流量、水蒸汽流量和炉管温度，直到来自辐射段炉管的流出物气体中的CO₂水平低于0.1体积％，或者低于分析仪或其它分析方法的检测下限。

在本发明方法的优点中有：除焦过程更迅速和除焦过程的控制改善，以避免或减少辐射段炉管的损坏。基于下面所述的优选实施方案的描述，所述方法的其它优点对于本领域的技术人员是明显的。附图简述图1显示典型的乙烯裂解装置的示意图。

优选实施方案详述

本发明涉及一种用于对乙烯裂解炉除焦的方法。该方法通常包括将空气和水蒸汽引入到炉子中的辐射段炉管，并且在监测炉子中炉管的炉管出口温度(COT)的同时，加热所述的炉管。利用辐射段炉管的COT的变化量来控制除焦过程改善了对过程的控制，由此减少了除焦时间并且降低或消除了对炉子中的炉管的损坏。该过程的下列描述可以用于任何乙烯裂解炉。具体的流量和温度参数将由特定炉子的装置操作者基于操作经验、运行时长、原料特性、装置操作的严格性和其它可变量确定。用于乙烯炉除焦的典型参数提供于下面的实施例1和2中。

通常，本发明的方法包括：对乙烯炉中的辐射段炉管提供水蒸汽，并且使用炉子燃烧器加热辐射段炉管，以达到预定的平均COT。然后，使用热输入控制器固定炉子的燃料流量和空气调节位置，以将平均COT保持在预定的温度。

保持燃烧器燃烧速率恒定和水蒸汽流量恒定，然后对辐射段炉管提供除焦空气流。将除焦空气加入到每根炉管中，同时观察每根炉管的COT。调节除焦空气流量，以实现一根或多根炉管COT的预定升高。当空气流动开始时观察到的COT的升高是炉管中结焦物燃烧开始的结果，因为水蒸汽流量和燃烧器燃烧保持恒定。

将辐射段炉管的温度在预定的温度保持一定的时间，典型地约1小时。根据需要在保持水蒸汽流量和燃烧器燃烧速率恒定的同时调节空气流量，以将炉管保持在预定的COT。

再次增加到辐射段炉管的空气流量，并且调节空气流量，以在辐射段炉管中达到预定更高的COT。将辐射段炉管的COT大致在预定的COT保持预定的时间。

然后如上所述将达到在最热炉管中的更高预定COT所需要的空气流量与计算的理论最小量比较，以确定在管子中是否存在剥落的结焦物。如果检测到剥落的结焦物，则通过保持或增大空气流量，将炉子保持在目前的COT。一旦空气流量达到理论最小值的约300％，则开始下一步骤。如在下面的实施例1中所述，然后将水蒸汽和空气流量用来计算通过燃烧结焦物释放的热量和单位时间结焦物燃烧量。然后将结焦物燃烧速率与空气流量比较，以确定实际的空气流量和在该速率下燃烧结焦物所需要的化学计量最小量之间的关系。

然后，将COT控制器与热负荷控制器串联安置。然后使空气以预定的速率匀变，从而根据需要调节水蒸汽流量，以在炉子的炉管中的所有点处保持低于150m/sec的速度。然后各自调节空气流量和水蒸汽流量，以达到预定的目标并且保持，直到完成除焦。

如在下面所示的优选实施方案的详述中所述，对于本发明方法的示例性实施方案，提供处理时间、速度和COT增量。本领域的技术人员将认识到：本文中所述的优选实施方案的描述及提供的温度变化量反映类似炉子和操作装置的近似值。在实际的实践中，操作者可能必须改变流量、温度或时间以反映各种操作参数的作用，例如延长的运行时长、特殊的原料特性、操作的严格性或可能已经发生的工艺扰动。本领域的技术人员可以使用本文中所述的教导，以在需要时调节本文中所述的具体参数的值，从而使用COT达到需要的结果，以监测除焦过程的进展。

优选地，本文中描述的方法可以由操作者手动进行，以使操作者能够在空气引入的过程中评价初始结焦物燃烧，在此过程中，监测和炉子调节的次数和频率是最关键的。此外，尽管该方法意欲预防和防止极快速结焦物燃烧，但是操作者通常适宜的是在过程中不时在视觉上检查炉管(高温计)，以检测任何热点。但是，在这点上本发明不受限制，并且适宜时，可以使用自动顺序控制器进行该方法。

还注意的是，该方法典型地需要在一些步骤的过程中将燃料热负荷控制器与COT控制器串联使用，以基于COT控制燃烧。可以使用如本领域中已知的其它控制方法，以控制COT和/或控制燃烧。

下面提供的详细描述对如在典型的乙烯炉中进行的方法进行描述。本领域的技术人员应当理解，需要时可以修改如本文中所述的方法，从而使其在具有各种设计的乙烯炉中进行。

实施例1

步骤1.当炉子已经准备好除焦时，将燃料热负荷控制器串联到平均COT控制器。对炉子以使得管子中的流动速度为100至125m/sec这样的流量提供稀释水蒸汽流。应当使平均COT设定值匀变至低于最终除焦温度的约40℃至60℃。需要时，由COT控制器调节燃料燃烧速率，以将COT保持在需要的设定值。优选将水蒸汽流量和平均COT温度如上所述保持约1小时。

步骤2.通过断开燃料热负荷控制器到平均COT控制器的串联，将燃料燃烧控制置于热负荷控制(即，QIC)中。将燃烧热负荷保持恒定。将水蒸汽流量保持在与步骤1中使用的相同水平。加入除焦空气，同时观察每根炉管的COT。如果空气流量太低以致于不能从流量计中得到读数，则必须使用除焦空气阀位来控制空气流量。因此，适宜的是确保空气控制阀在每次除焦程序之前被校正。应当调节除焦空气流量，以在约30分钟内，将在炉管中COT升高约10至30℃，优选约20℃。在此步骤中发生的COT升高的原因在于炉管中结焦物开始燃烧。如果在炉管COT升高约20℃之前达到最大空气流量(如下所述确定的化学计量最小流量的600％)，则立即进行步骤4。

在炉管中达到目标COT之后，需要时在保持燃料燃烧和除焦水蒸汽流量恒定的同时调节(即，保持、降低或增加)空气流量，将炉管中的约850℃的COT保持约一(1)小时。

步骤3.相等地增加到每根炉管的除焦空气流量(如果需要，再次通过阀位)，直到COT升高约20℃。应当使空气流量向上匀变，使得在约30分钟内达到目标COT。此COT是最终的除焦COT并且在程序的余下时间保持，除非在对流或辐射段中达到管冶金上的极限。然后，如本领域已知的，计算对于COT升高20℃需要的化学计量最小的空气流量。然后，将最小空气流量与实际空气流量比较。如果空气流量低于化学计量最小量的300％，则将炉子保持在目前的COT，直到空气达到最小量的300％。如果在1小时期间的任何时间，最大空气流量达到化学计量最小量的约600％并且COT开始下降，则立即进行步骤4。

步骤4.此时，可以通过如下完成除焦：使用已经建立并且已知的方法如使空气和水蒸汽流量匀变，以达到最终的目标值并且保持，直到完成除焦。匀变步骤可以基于时间间隔或基于如本领域技术人员已知的流出物的CO₂分析的结果来设置。

实施例2

对于特定的4炉管炉的示例性详细除焦程序提供在后附的方法描述中和总结于表1中。

应当理解，上面所述的示例性方法不意在以任何方式限制本发明，并且仅是为了描述本发明方法的具体实施方案而提供的。虽然上面描述了本发明的具体实施方案，但是本领域的技术人员将认识到，在没有偏离本发明如后附权利要求所述的范围的情况下，可以对上述的方法进行大量的变化或改变。

Claims (14)

1.一种用于对乙烯炉中的辐射段炉管除焦的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供水蒸汽流并且使所述炉子中的燃烧器燃烧以加热所述辐射段炉管，从而达到预定的平均炉管出口温度；

(b)在保持水蒸汽流量和炉子燃烧器燃烧速率恒定的同时，将空气流提供给所述辐射段炉管，并且调节空气的流量，以达到所述辐射段炉管中炉管出口温度的第一预定变化量；和

(c)在保持水蒸汽流量和炉子燃烧器燃烧速率恒定的同时，调节空气的流量，以达到所述辐射段炉管中炉管出口温度至除焦温度的第二预定变化量。

2.权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

(d)确定将炉管出口温度升高炉管出口温度的第二预定变化量所需要的化学计量最小空气量；和

(e)将炉管出口温度升高炉管出口温度的第二预定变化量所需要的化学计量最小空气量与实际的空气流量进行比较，以确定结焦物燃烧速率。

3.权利要求1所述的方法，其中所述预定的平均炉管出口温度为830℃，炉管出口温度的第一预定变化量为20℃，并且炉管出口温度的第二预定变化量为20℃，使得最终的除焦温度为870℃。

4.权利要求2所述的方法，该方法还包括以下步骤：

(g)在确定所述结焦物燃烧速率之后，进一步调节到所述炉管的空气流量和燃烧器燃烧速率，以调节结焦物燃烧速率。

5.权利要求1所述的方法，其中将水蒸汽流量保持在使得所述辐射段炉管中的所述水蒸汽和空气的总流速在75至175m/sec之间这样的流量。

6.权利要求1所述的方法，该方法还包括在步骤(c)之后的以下步骤：

(i)将用来达到所述炉管中的炉管出口温度预定变化量的实际空气流量与计算的理论最小量进行比较，以确定在所述炉管中是否存在剥落的结焦物；和

(ii)如果确定存在剥落的结焦物，则调节空气流量以保持所述炉管中的炉管出口温度，直到所述实际空气流量达到所述理论最小量的200％至400％。

7.权利要求1所述的方法，其中将步骤(a)中的所述预定的平均炉管出口温度保持1小时的时间。

8.一种用于对乙烯炉中的辐射段炉管除焦的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供水蒸汽流并且使所述炉子中的燃烧器燃烧以加热所述辐射段炉管，从而达到预定的平均炉管出口温度，并且将所述辐射段炉管在所述预定的平均炉管出口温度保持预定的时间；

(b)在保持水蒸汽流量和炉子燃烧器燃烧速率恒定的同时，将空气流提供给所述辐射段炉管，并且调节空气的流量，以达到所述辐射段炉管中炉管出口温度的第一预定变化量；

(c)将所述辐射段炉管在步骤(b)达到的炉管出口温度保持预定的时间；和

(d)在保持水蒸汽流量和炉子燃烧器燃烧速率恒定的同时，调节空气流量，直到在所述辐射段炉管中的炉管出口温度达到所述辐射段炉管中炉管出口温度至除焦温度的第二预定变化量，使得所述除焦温度比步骤(a)中达到的所述辐射段炉管中的平均炉管出口温度高20℃至80℃。

9.权利要求8所述的方法，其中步骤(a)中的初始预定平均炉管出口温度为830℃，步骤(b)之后的炉管出口温度为850℃，并且所述除焦温度为870℃。

10.权利要求8所述的方法，该方法还包括以下步骤：

(e)在完成步骤(d)并达到所述除焦温度之后，将炉管出口温度升高至所述除焦温度所需要的化学计量最小空气量与实际需要的空气流量进行比较，以确定结焦物燃烧速率；和

(f)在确定所述结焦物燃烧速率后，进一步调节到所述炉管的空气流量和燃烧器燃烧速率，以调节结焦物燃烧速率。

11.权利要求8所述的方法，其中将水蒸汽流量保持在使得所述辐射段炉管中的水蒸汽和空气的总流速在75至175m/sec之间这样的流量。

12.权利要求8所述的方法，该方法还包括在步骤(d)之后的以下步骤：

(i)将用来达到所述炉管中的所述预定的炉管出口温度的实际空气流量与计算的理论最小量进行比较，以确定在所述炉管中是否存在剥落的结焦物；和

(ii)如果确定存在剥落的结焦物，则调节空气流量以保持所述炉管中的炉管出口温度，直到所述空气流量达到所述理论最小量的200％至400％。

13.权利要求8所述的方法，其中将步骤(a)的所述预定的平均炉管温度保持1小时的时间。

14.一种用于对乙烯炉中的辐射段炉管除焦的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供水蒸汽流并且使所述炉子中的燃烧器燃烧以加热所述辐射段炉管，从而达到830℃的平均炉管出口温度，并且将所述辐射段炉管在830℃的平均炉管温度保持1小时；

(b)在保持水蒸汽流量和炉子燃烧器燃烧速率恒定的同时，将空气流提供给所述辐射段炉管，并且调节空气的流量，以在所述辐射段炉管中达到850℃的炉管出口温度；

(c)将所述辐射段炉管中的炉管出口温度在850℃保持1小时的时间；

(d)在保持水蒸汽流量和炉子燃烧器燃烧速率恒定的同时，调节空气流量，直到在所述辐射段炉管中的炉管出口温度升高至870℃；

(e)确定将炉管出口温度升高至870℃所需要的化学计量最小空气量，并且将该流量与实际空气流量进行比较，以确定是否存在剥落的结焦物；和

(f)利用这种比较，以进一步调节空气流量和燃烧器燃烧速率。

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