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 公司达成协议，由 KBR 公司负责销售 ExxonMobi 公司 LRT 裂解炉（停留时间在 0.1 s 以上），并改名为选择性裂解（SC）。

其炉型主要为单炉膛双单排辐射炉管结构，对气体和液体原料均以采用 SC-1 型（单程炉管）为主。

急冷锅冷为以线形为主，对石脑油、气体原料也采用二级急冷，供热采用全底部供热。

其特点是炉管停留时间短，烯烃收率高，对乙烷原料，单程乙烯收率可达到 58%，对石脑油原料，单程乙烯收率可以达到 35%。

（4）德国 Linde 公司Linde 公司与Selas 公司合作开发LSCC 型（ Linde-Selas-Combined Coil ），现在改称为Pyrocrack 型，包括以气体原料为主的 Pyrocrack4-2（2-2-2-2-1-1）型（停留时间 0.5 s 左右）、Pyrocrack2-2（2-2-1-1）型（停留时间 0.3 s 左右）及以液体原料为主的 Pyrocrack1-1（2-1）型（停留时间 0.2 s 左右）。

Linde 公司设计的裂解炉采用双辐射段、单对流段的结构。

裂解气急冷锅炉以前为常规急冷锅炉，现在均采用线性急冷锅炉。

采用的供热方案为侧壁约占 40%，底部约占 60%。

其特点是2-1 炉管的底部连接采用对称大弯管柔性连接，因此炉管不易弯曲。

（5）法国 Technip 公司Technip 公司在 21 世纪初收购了荷兰国际动力学技术公司（KTI）。

KTI 公司自70 年代开始开发了梯度动力学裂解炉（Gradient Kinetic Furnace）。

GK 型裂解炉采用单辐射段、单对流段的结构，但对特大型裂解炉则采用双辐射段单对流段的结构。

对气体原料采用 SMK 型四程（1-1-1-1）炉管（停留时间 0.3～0.6 s），对液体原料采用 GK-Ⅵ型（1-1）两程炉管（停留时间 0.2 s 左右）。

裂解气急冷，对 SMK 型气体裂解炉采用二级急冷，其中一级急冷锅炉为套管式，近来设计的 GK-Ⅵ型炉则采用线性急冷或二级急冷。

供热由底部和侧壁联合供热。

侧壁燃烧器除了采用附墙式无焰燃烧器外，其最新采用的结构类似于底部燃烧器，其火焰垂直向上，且只采用一排侧壁燃烧器。

GK-Ⅵ型炉的特点是炉管采用双排布置，虽然炉膛尺寸减少，但炉管因受热不均容易弯曲。

综上，除 KBR 公司采用单程炉管外，其他公司均采用两程炉管为主。

单程炉管烯烃收率高，但运行周期短；而对于两程炉管，其性能接近，有差别之处是 SRT-Ⅵ型、SRT-Ⅶ型炉管及 GK--Ⅵ型炉管容易弯曲。

1.2 裂解单元技术进展乙烯装置中的裂解炉由对流段、辐射段（包括辐射炉管和燃烧器）和急冷锅炉系统三部分构成。

裂解反应在辐射段炉管中发生生成乙烯和丙烯等产品。

对流段回收高温烟气余热，以气化和过热原料至反应所需的横跨温度，同时预热锅炉给水和超高压蒸汽。

急冷锅炉系统的作用是终止裂解二次反应并回收裂解气的高温热量以产生超高压蒸汽。

总体上来讲，到目前为止，蒸汽裂解技术无突破性进展，虽然 S&W 公司提出了陶瓷炉管裂解炉，但仍未工业化。

但是在提高裂解性能的单元技术上仍然有不少新技术或产品不断出现。

裂解单元技术的进展是在传热、传质、流体流动、反应等方面围绕以上所述三大部分进行研究，并满足以下多方面的要求：①“四低”要求，低能耗、低物耗、低污染物排放、低维护；②与乙烯装置的大型化有关的“五高”要求，高能力、高原料适应性、高自动化程度、高可靠性、高在线率。

为满足上述要求，裂解技术的发展主要在以下几个方面。

1.2.1 与辐射炉管相关的技术进展（1）辐射炉管机械设计近来对液体原料的裂解目前多采用两程或单程炉管，对气体原料则以采用多程炉管为主。

炉管构型的进展主要在炉管排列方式和底部的连接型式上。