發(fā)表時間： 2025-01-11 16:03:02
作者： 石油化工設(shè)備維護與檢修網(wǎng)
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在乙烯的生產(chǎn)過程中，為了防止二次反應(yīng)造成的乙烯、丙烯等收率過低，需要在極短時間內(nèi)將由裂解爐引出的高溫裂解氣體（約750~850℃）快速冷卻至裂解反應(yīng)器基本停止的溫度（約400~500℃）。
使裂解氣急冷的方法很多，最初采用比較簡單的油淬冷或水淬冷。但兩者皆存在較大的缺點，如稀釋裂解氣體、增加分離費用，結(jié)焦速度過快，影響深度裂解等。另外，使用油淬冷增加了裝置運行的風(fēng)險性，水淬冷則只能將冷卻水作為污水排放，能耗高、污染大。
1973年引進的金山石化乙烯裝置（圖片來源：中國石化上海石化股份公司）
中海殼牌低碳烯烴裝置（圖片來源：https://www.cnoocshell.com）
2024年12月，埃克森美孚惠州乙烯一期項目160萬噸乙烯裝置實現(xiàn)中交（圖片來源：埃克森美孚中國）
從上世紀(jì)60年代以來，國外的乙烯裝置中開始采用各種形式的急冷鍋爐，即急冷換熱器，以高壓水蒸發(fā)吸熱的方法，對裂解氣進行間接冷卻。
急冷換熱器是乙烯裝置中工藝性非常強的關(guān)鍵設(shè)備。從其名稱中即可看出端倪：之所以稱為“急冷”，是因為裂解氣通過該換熱器的時間不能過長，通常的時間要求0.05s以內(nèi)，如此才能抑制二次反應(yīng)，同時避免總重組分和二次反應(yīng)物在管壁上的沉積。
在乙烯裂解裝置中，該換熱器擔(dān)負(fù)著雙重的工藝任務(wù)：首先是裂解氣的迅速冷卻，將800℃左右的裂解氣迅速冷卻至二次反應(yīng)溫度以下；同時，也將裂解氣的高位熱能進行回收，產(chǎn)生12.0MPa左右的高壓蒸汽。
如此的運行工藝要求，對急冷換熱器的機械結(jié)構(gòu)提出了較大的挑戰(zhàn)。如果采用傳統(tǒng)型式的具有管箱、管板的熱交換器（如早期的DSG型急冷換熱器），進口處的高溫、高壓工況將使管板承受巨大的熱應(yīng)力，造成管板厚度巨大。而太厚的管板，又將極大增加管板兩側(cè)的溫差應(yīng)力，甚至導(dǎo)致厚管板因溫度梯度過大而形成橫向斷裂。
DSG型廢熱鍋爐，是一種水平型式的熱交換器，由熱交換器和汽包組成，二者用上升管和下降管連接。裂解氣走管內(nèi)，管外充滿水，經(jīng)熱交換后，管外產(chǎn)生蒸氣，并夾帶部分水上升管進入汽包，在汽包內(nèi)水與水蒸氣分離，分離出來的水經(jīng)下降管返回?zé)峤粨Q器的下部。由于在高溫高壓條件下運行，該管殼式換熱器的管板很厚，兩側(cè)受熱不均，溫差很大，熱應(yīng)力也較大，故會導(dǎo)致管板破裂，因此必須在高溫介質(zhì)入口處采取特殊的防護措施。這種型式的急冷廢熱鍋爐已逐漸淘汰。（來源：化學(xué)化工大辭典）
故而，急冷換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計也必須跳出傳統(tǒng)管殼型式，以適應(yīng)復(fù)雜苛刻的工況。下面介紹幾種較為常見的急冷換熱器：
USX型夾套式急冷換熱器
斯通-韋伯斯特公司針對USC裂解爐的特點開發(fā)了兩段廢熱鍋爐，第一段為立式雙套管急冷換熱器（稱為USX），第二段為臥式列管換熱器（稱為TLX）。
USX型急冷換熱器是一種較為簡單的結(jié)構(gòu)，一般由雙套管組成，內(nèi)管走裂解氣，夾套內(nèi)產(chǎn)生約12.0MPa的高壓蒸汽。但該型式的換熱器，傳熱面積較小，在30萬噸/年的乙烯裝置中，每臺裂解爐需配備32臺急冷換熱器，投資較高。
USX型急冷換熱器
Schmidt型急冷換熱器
德國Schmidt公司（Frima Schmidt ScheHeissdampf-Gaselleechaft，簡稱SHG公司）自1959年開始設(shè)計一種獨特的急冷換熱器，用橢圓形集流管代替?zhèn)鹘y(tǒng)管板，橢圓形集流管批次焊在一起組成上下管板，雙套管分別焊在橢圓形集流管的上下兩側(cè)，故此結(jié)構(gòu)稱為“雙套管型”或“Schmidt型”（SHG型）。
在此種換熱器中，高溫裂解氣自下而上，從內(nèi)管流過，冷卻水從較高位置的汽包中經(jīng)過下降管進入下部橢圓集流管，然后沿著內(nèi)外套管間的環(huán)形空間自下而上被加熱。所產(chǎn)生的高壓汽水混合物進入到上部橢圓集流管，然后通過上升管進入汽包......
從傳統(tǒng)的角度可以這么簡單地去理解：裂解氣走“管程”，每根管程的外面，都由另一根套管形成一個與之對應(yīng)的“殼程”。上、下橢圓集流管，則形成了“殼程”集箱。
該結(jié)構(gòu)的主要特點是使用橢圓形集流管代替管板，避免了厚管板結(jié)構(gòu)，而橢圓集流管在運行過程中能夠吸收內(nèi)、外套管的溫差應(yīng)力，以保證運行過程的穩(wěn)定。
“Schmidt型”換熱器因為以上優(yōu)點而得到了較為普遍的應(yīng)用，我國燕山、金山石化等都曾引進過這種產(chǎn)品。
SHG型急冷換熱器
浴缸式急冷換熱器
為解決傳統(tǒng)雙套管急冷換熱器流量分配不均勻的缺點，Schmidt與Lummus公司合作開發(fā)了“浴缸式”急冷換熱器。
此種換熱器因入口封頭結(jié)構(gòu)形似浴缸而得名，其換熱單元與傳統(tǒng)雙套管急冷換熱器相同）。
“浴缸式”急冷換熱器在裂解氣入口處進行了改進，將傳統(tǒng)雙套管急冷換熱器采用的單頭進料方式改為多頭進料，一般每臺浴缸式急冷換熱器有2個或4個裂解氣入口，裂解氣入口通道設(shè)置擴壓器、分配空間、均布器等。
浴缸式急冷換熱器流道示意圖（圖片來源：孫建兵等.浴缸式急冷換熱器改造的CFD模擬及工程應(yīng)用）
Borsig型急冷換熱器
1965年，德國Borsig公司研發(fā)出了一種薄管板結(jié)構(gòu)的急冷換熱器，又稱為Tunneflow型急冷換熱器。它將管板做得很薄（約15~20mm），以減少入口端管板的溫差應(yīng)力，同時又在薄管板后面設(shè)置加強筋與厚管板連接。薄、厚管板的組裝結(jié)構(gòu)，成功滿足了高溫氣和高壓水對管板結(jié)構(gòu)的不同要求。
但該換熱器的缺點是制造難度較大，運行中不能對裂解氣側(cè)進行直接燒焦，須定期采用高壓水進行機械清焦。
薄-厚管板的組裝
三菱M-TLX型急冷換熱器
在“Schmidt”型急冷換熱器的基礎(chǔ)上，日本三菱重工和三菱油化聯(lián)合開發(fā)出M-TLX型急冷換熱器。
該換熱器是一個立式的、熱交換器外形的火管爐，管程通裂解氣，殼程通高壓水及蒸汽混合物。由位于上部的汽水分離汽包11、中部貫穿整個殼體的螺旋形結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)管8、下部的雙套管組4和氣體入口分配器1等組成，汽包和鍋爐結(jié)合在一起，直接置于裂解爐爐頂，使操作平臺和基礎(chǔ)非常簡單，并簡化了安裝工作，省工省時。
但由于該型式的急冷換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換熱部分又有高壓殼體，造價高，檢修維護困難，故而在國內(nèi)鮮有應(yīng)用（本文第一張圖片中，金山石化引進的便是此種技術(shù)和設(shè)備）。
OLMI急冷換熱器
意大利的OLMI公司于20世紀(jì)90年代開發(fā)出一種薄管板急冷換熱器，管板背面加工出高凸臺，與換熱器通過內(nèi)孔焊實現(xiàn)對接。
此種對接結(jié)構(gòu)形式，可以采用100%射線檢測，有利于保證焊接質(zhì)量。另外，該對接焊縫完全處于殼程水側(cè)的冷卻環(huán)境中，又避免了裂解氣的沖蝕，因此使用周期得以保證。
圖片來源：https://olmi.com
隨后，OLMI又開發(fā)了具有自身特色的線性急冷換熱器，取消了隔熱襯里保護，采用裂解氣入口與雙套管直連的形式。另外，通過選用不同的內(nèi)、外管材料，解決了套管熱膨脹差的問題。
裂解氣入口與雙套管直連的形式
線性急冷換熱器
為了解決傳統(tǒng)雙套管急冷換熱器和Borsig型急冷換熱器入口封頭氣流返混造成裂解氣在高溫下停留時間長，以及二級急冷換熱器系統(tǒng)復(fù)雜，壓力降大的問題，國外乙烯專利技術(shù)商與急冷換熱器制造商聯(lián)合推出了急冷換熱器，如Borsig公司的BLQ線性急冷換熱器、KBR公司的線性急冷換熱器、Alstom公司（德國SHG公司被法國Alstom公司收購）的線性急冷換熱器等。
國內(nèi)經(jīng)過多年的研究，也推出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的線性急冷換熱器，并得到了大量工業(yè)應(yīng)用。
線性急冷換熱器有如下工藝和結(jié)構(gòu)特點：
①絕熱段停留時間短，能迅速急冷，降低了二次反應(yīng)的發(fā)生；
②無裂解氣流量分配問題；
③流線形設(shè)計，不存在局部區(qū)域因返混和渦流而引起的二次反應(yīng)結(jié)焦；
④大換熱管內(nèi)徑，從輻射段剝落的焦塊可通過大管徑換熱管，因此無大焦塊堵塞換熱管而引起壓降突升問題；
⑤換熱面積較大，運轉(zhuǎn)周期長；
⑥線性急冷鍋爐換熱單元的布置方式與輻射段爐管構(gòu)型有直接關(guān)系；
⑦在兩次離線清焦之間，具有多次運行周期的可能性；
⑧結(jié)構(gòu)簡單，使得清焦比較容易。使用蒸汽-空氣進行在線燒焦，工藝間斷不超過24h。
ALSTOM線性急冷鍋爐
國內(nèi)開發(fā)的線性急冷鍋爐
急冷換熱器的國產(chǎn)化歷程
因工藝和結(jié)構(gòu)上的特殊要求，急冷換熱器一直作為特殊設(shè)備，需要從國外廠家進口，費用高，周期長。自上世紀(jì)80年代，我國燕山、齊魯、揚子、金山等成套引進30萬噸乙烯之后，我國的設(shè)計院、化機廠開始有機會接觸國外的急冷換熱器，從而進行國產(chǎn)化的研究、制造、替代工作。其中最具代表性的無疑是“天華院”（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司）。
1985年，天華院作為CBL北方爐的三家開發(fā)單位之一，承擔(dān)了CBL爐對應(yīng)的急冷換熱器系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計工作，并承擔(dān)了機械制造技術(shù)支持。第一臺CBL爐采用二級急冷技術(shù)，第一急冷換熱器采用套管式（8臺），第二急冷換熱器采用臥式撓性薄管板設(shè)計（1臺）。該裝置于1988年開車成功，實現(xiàn)了乙烯裂解單元急冷換熱器國產(chǎn)化“0”的突破。隨后開發(fā)的CBL其他爐型，也仍采用二級急冷技術(shù)，不同的是第二急冷換熱器采用了上進下出的立式雙套管結(jié)構(gòu)。
隨著計算機技術(shù)發(fā)展，F(xiàn)EA有限元分析和CFD流體動力學(xué)方法被應(yīng)用到急冷換熱器的研發(fā)中，對該換熱器關(guān)鍵部件的受力情況，以及流場分布等進行研究，確定更加合理的入口段流道結(jié)構(gòu)。急冷換熱器的結(jié)構(gòu)得以不斷優(yōu)化。
2000年，天華院開發(fā)出線性急冷換熱器，具有絕熱段停留時間短、易于多種爐型匹配、熱應(yīng)力小、運轉(zhuǎn)周期長等特點，得到了較為廣泛的應(yīng)用。后來，根據(jù)運行中遇到的問題，對入口錐體材料進行升級，并改善了連接結(jié)構(gòu)，以降低入口連接件和換熱管熱強度。
天華院網(wǎng)站展示的傳統(tǒng)雙套管式、薄管板式急冷換熱器和線性急冷換熱器
圖片來源：http://www.thy.chemchina.com
之后，天華院又研制出新型大能力急冷換熱器。該換熱器采用立式管殼式結(jié)構(gòu),處理量大,可與大處理量爐管相匹配, 既可作為大容量一級急冷換熱器使用 ,也可作為二級急冷換熱器的第一或第二急冷換熱器使用。
該急冷換熱器的主要特點有：上、下均采用撓性薄管板和彈性連接件，以有利于吸收換熱管和筒體之間的熱膨脹差，同時避免了厚管板的溫度梯度差；入口管板與換熱管的連接采用內(nèi)孔焊；入口管板外表面設(shè)置耐熱合金堆焊層,對入口管板進行保護；改善了裂解氣入口流道，設(shè)置防焦擋板等。
天華院開發(fā)的新型急冷換熱器結(jié)構(gòu)圖（圖片來源：李金科等.新型急冷換熱器開發(fā)）
除了天華院，就專門的化工機械制造企業(yè)而言，國內(nèi)目前還有南化機、茂名重力、齊魯化機、哈爾濱鍋爐廠等單位，具有較為豐富的急冷換熱器供貨經(jīng)驗。（之前曾有一家蘭州西牛，原中油集團蘭化公司化工機械廠，現(xiàn)在網(wǎng)上查詢狀態(tài)為已注銷）
茂名重力制造的急冷換熱器（圖片來源：茂名重力）
