【海川好文推荐】乙烯裂解过程中的急冷换热器技术发展概览

在乙烯的生产流程中，为了避免因二次反应导致的乙烯、丙烯等关键组分收率下降，必须迅速将裂解炉产出的高温裂解气体（温度范围约750℃）降至接近裂解反应终止的温度区间（约500℃）。实现这一急冷过程的方法多种多样，早期主要采用油淬冷或水淬冷。然而，这两种方法均存在显著不足。例如，它们会稀释裂解气体，增加分离成本；同时，结焦速度过快会干扰深度裂解。此外，油淬冷还可能提升装置运行风险，而水淬冷则面临高能耗和环境污染问题，因为冷却水往往被当作污水直接排放。

2024年12月，埃克森美孚惠州乙烯一期项目的160万吨乙烯装置顺利实现中交，标志着该项目的又一重要里程碑的达成（图片来源：埃克森美孚中国）。自上世纪60年代起，国外的乙烯生产中便开始广泛应用各种急冷锅炉，即急冷换热器，通过高压水蒸发吸热的方式，对裂解气进行高效间接冷却。这种换热器在乙烯装置中扮演着至关重要的角色，其工艺性极强，因此得名“急冷”。裂解气通过换热器的时间必须严格控制，以确保冷却效果和装置的安全稳定运行。
.s以内，以防止二次反应的发生，并确保总重组分和二次反应物不会在管壁上沉积。在乙烯裂解装置中，急冷换热器肩负着双重使命：既要迅速将800℃左右的裂解气冷却至二次反应温度以下，又要回收裂解气的高位热能，产生约12.0MPa的高压蒸汽。这样的运行要求对换热器的机械结构提出了严峻挑战。

USX型急冷换热器与Schmidt型急冷换热器的比较
德国Schmidt公司（Frima Schmidt ScheHeissdampf-Gaselleechaft，简称SHG公司）自1959年起便致力于设计一种创新的急冷换热器。这种换热器以椭圆形集流管取代了传统的管板设计，通过将椭圆形集流管批次焊接来构成上下管板。其独特之处在于双套管分别焊接在椭圆形集流管的两侧，从而形成了所谓的“双套管型”或“Schmidt型”（SHG型）结构。
在此类换热器中，高温裂解气自下而上流经内管，而冷却水则从高位汽包经下降管进入下部椭圆集流管，并沿着内外套管间的环形空间自下而上被加热。所产生的高压汽水混合物随后进入上部椭圆集流管，并通过上升管返回汽包。

这种设计相较于传统的管壳式换热器，其优势在于椭圆形集流管能够有效吸收内、外套管的温差应力，确保换热器的稳定运行。同时，该结构还避免了厚管板所带来的问题，使得换热器更加紧凑且高效。

“Schmidt型”换热器因其上述卓越性能而得到了广泛应用，包括我国燕山、金山石化在内的多家企业都曾引进并成功运用了这种产品。

SHG型急冷换热器与“浴缸式”急冷换热器的创新
针对传统双套管急冷换热器在流量分配上存在的问题，Schmidt公司携手Lummus公司共同推出了“浴缸式”急冷换热器。这种新型换热器的独特之处在于其入口封头设计，形状酷似浴缸，从而得名。尽管其换热单元与传统双套管急冷换热器保持一致，但在裂解气入口处进行了显著的改进。具体来说，他们摒弃了传统单头进料方式，采用多头进料设计，通常每台浴缸式急冷换热器配备2个或4个裂解气入口。此外，还增设了扩压器、分配空间以及均布器等设备，旨在实现更均匀的流量分配。

茂名重力造福建古雷150万吨/年乙烯LUMMUS工艺首批急冷换热器
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(出处: 海川化工论坛)

此外，Borsig型急冷换热器也值得一提。这种换热器在流道设计上同样展现出了创新性。其独特之处在于，通过优化流道结构，实现了更高效的热量传递和更均匀的流量分配。这种设计不仅提高了换热器的性能，还延长了其使用寿命，为工业生产带来了显著的效益。
1965年，德国Borsig公司打破传统，创新设计了一种新型急冷换热器，即Tunneflow型急冷换热器。其独特之处在于管板的设计，管板被精心制作得轻薄（仅约15~20mm），旨在减轻入口端管板的温差应力。同时，在薄管板后方巧妙地设置了加强筋，与厚管板相连结，从而形成了薄厚结合的管板组装结构。这样的设计不仅满足了高温气和高压水对管板的不同需求，还显著提高了换热器的性能。

然而，这种换热器的制造工艺相对复杂，存在一定的技术挑战。此外，运行过程中，裂解气侧无法直接进行烧焦处理，需要定期采用高压水进行机械清焦操作。

三菱M-TLX型急冷换热器的设计与特点
在继承“Schmidt”型急冷换热器的基础上，日本三菱重工与三菱油化共同研发了M-TLX型急冷换热器。这款换热器采用立式火管炉设计，其管程专为裂解气所设计，而壳程则流通高压水与蒸汽的混合物。它融合了上部汽水分离汽包、中部螺旋形蒸发管、下部双套管组以及气体入口分配器等关键组件。特别值得一提的是，汽包与锅炉的紧密结合，使得整个设备可以直接置于裂解炉炉顶，从而简化了操作平台和基础结构，节省了安装时间和人力成本。

然而，这种M-TLX型急冷换热器也面临着一些挑战。其复杂的结构以及高压壳体中的换热部分都导致了高昂的造价，同时增加了检修和维护的难度。因此，这种技术在国内的应用相对较少（例如，金山石化所引进的便是此类技术和设备）。

OLMI急冷换热器
在20世纪90年代，意大利OLMI公司创新地推出了一种薄管板急冷换热器。其独特设计在于管板背面精心加工的高凸台，通过内孔焊与换热器实现无缝对接。这种结构不仅便于采用100%射线检测，确保焊接质量，还因其焊缝完全浸泡在壳程水侧的冷却环境中，从而有效抵御了裂解气的冲蚀，延长了使用寿命。

随后，OLMI进一步创新，推出了独具特色的线性急冷换热器。这款换热器摒弃了传统的隔热衬里保护，而是巧妙地将裂解气入口与双套管直接相连，简化了结构。同时，通过精心选择不同的内外管材料，成功解决了套管热膨胀差异的问题，进一步优化了换热器的性能。
为了克服传统双套管急冷换热器和Borsig型急冷换热器存在的弊端，如入口封头气流返混导致裂解气高温停留时间长，以及二级急冷换热器系统复杂性高、压力降大等问题，国际上的乙烯专利技术提供商与急冷换热器制造商共同研发了新型的急冷换热器，例如Borsig公司的BLQ线性急冷换热器、KBR公司的线性急冷换热器，以及Alstom公司（德国SHG公司已被法国Alstom公司收购）的线性急冷换热器等。经过国内多年的研究与探索，我们也成功推出了拥有自主知识产权的线性急冷换热器，并在工业领域得到了广泛应用。线性急冷换热器以其独特的工艺和结构特点，为乙烯生产带来了显著的效益。
①线性急冷换热器具有极短的绝热段停留时间，从而能够迅速进行急冷，有效减少了二次反应的产生；
②该换热器彻底解决了裂解气流量分配的问题；
③其流线形设计使得局部区域因返混和涡流导致的二次反应结焦现象得以避免；
④大换热管内径设计，使得从辐射段剥落的焦块能够顺利通过换热管，避免了因大焦块堵塞换热管而引发的压降突增问题；
⑤换热面积广泛，确保了长期的运转周期；
⑥线性急冷锅炉换热单元的布局与辐射段炉管的结构紧密相关；
⑦在两次离线清焦操作之间，该换热器具有多次运行周期的潜力；
⑧其简洁的结构使得清焦操作变得相对容易，采用蒸汽-空气在线烧焦工艺，整个过程不超过24小时。

ALSTOM线性急冷锅炉的特点与优势
ALSTOM线性急冷锅炉以其独特的设计和优越的性能，在工业领域中占据了一席之地。其特点包括极短的绝热段停留时间，使得急冷过程更加迅速，有效减少了二次反应的产生。此外，该锅炉还彻底解决了裂解气流量分配的问题，流线形设计更是避免了局部区域因返混和涡流导致的二次反应结焦现象。大换热管内径使得从辐射段剥落的焦块能够顺畅通过，从而避免了因大焦块堵塞换热管而引发的压降突增问题。广泛的换热面积确保了长期的运转周期，而线性急冷锅炉换热单元的布局与辐射段炉管的结构紧密相关，进一步优化了换热效果。在两次离线清焦操作之间，该锅炉具有多次运行周期的潜力，大大提高了生产效率。其简洁的结构也使得清焦操作变得相对容易，采用蒸汽-空气在线烧焦工艺，整个过程仅需不超过24小时，即可完成清焦，确保生产的连续性。

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