制氫裝置轉化爐簡介

概述

      隨著煉油廠加氫裝置的逐漸增多，所需要的氫氣也越來越多，使得制氫裝置相應的發(fā)展很快。目前大型工業(yè)裝置采用的制氫方法均為烴類水蒸汽轉化法，利用的原料主要有天然氣、煉廠氣、石腦油等輕質烴類。這些烴類在特定的溫度、壓力以及催化劑存在的條件下與水蒸汽發(fā)生反應，生成氫氣及一氧化碳。
    烴類化合物的水蒸汽轉化反應是一個復雜的反應平衡系統(tǒng)，高分子烴類先裂解或轉化成甲烷，最終與水蒸汽進行轉化反應。大體上可用下列反應式表達：
    C_nH_m + 2H₂O → C_n-1H_m-2 + CO₂ + 3H₂ – Q
    CH₄ + 2 H₂O = CO₂ + 4H₂ – Q
    CO₂ + H₂ = CO + H₂O - Q
    轉化爐是制氫裝置中轉化反應的反應器，屬于裝置的心臟設備。這是一種非常特殊的外熱式列管反應器，由于轉化反應的強吸熱及高溫等特點，這種反應器被設計成加熱爐的形式，催化劑裝在一根根的轉化爐管內，在爐膛內直接加熱，反應介質通過爐管內的催化劑床層進行反應。
    轉化爐苛刻的操作條件，使得這種爐子有很多有別于其它加熱爐的特殊性，在爐子結構、爐管材料、管路系統(tǒng)支撐、管路系統(tǒng)應力、管路系統(tǒng)膨脹及補償、燃燒、煙氣流動及分配、耐火材料等各方面都必須精心考慮。
2. 爐型及結構
2.1 爐型
    制氫裝置轉化爐按輻射室供熱方式進行分類，可分為以下四種方式：
1) 頂燒爐：這是很多公司都采用的一種爐型。這種爐型的燃燒器布置在輻射室頂部，轉化管受熱形式為單排管受雙面輻射，火焰與爐管平行，垂直向下燃燒，煙氣下行，從爐膛底部煙道離開輻射室。這種爐型的對流室均布置在輻射室旁邊。
2) 側燒爐：這種爐型以丹麥TOPSφE公司為代表。這種爐子的燃燒器布置在輻射室的側墻，火焰附墻燃燒。早期轉化管的受熱形式多為爐膛中間的雙排管受側墻的雙面輻射，由于受熱形式不好，操作條件苛刻時，爐管易彎曲，現在大部分都改為單排管受雙面輻射的形式。這種爐子的煙氣上行，對流室置于輻射室頂部，大型裝置的對流室考慮到結構及檢修等原因，對流室經常放置在輻射室旁邊。
3) 梯臺爐：這種爐型以美國FOSTER WHEELER公司為代表。這種爐子的輻射室側墻呈梯臺形，燃燒器火焰沿傾斜爐墻平行燃燒，通過爐墻向轉化管輻射傳熱。與側燒爐類似，轉化管可以為雙排或單排。這種爐子的對流室全部置于輻射室頂部，煙氣上行，采用自然抽風，沒有引風機。
4) 底燒爐：這種爐型目前多用于小型裝置。燃燒器位于輻射室底部，煙氣上行。
2.2爐型結構比較
2.2.1傳熱方式
    頂燒爐的燃燒器安裝在輻射室頂部，火焰從上往下燒，煙氣流動方向與轉化管內介質流動方向相同，傳熱方式為并流傳熱。側燒爐燃燒器安裝在輻射室側墻，火焰附墻燃燒，通過輻射墻對轉化管傳熱，煙氣流動方向與管內介質流動方向相反，傳熱方式錯流傳熱。梯臺爐的燃燒器排數比側燒爐要少，是一種改進的錯流傳熱。底燒爐為逆流傳熱。
2.2.2熱強度及管壁溫度溫度分布
    由于不同的傳熱方式，所以不同爐型具有不同的熱強度和管壁溫度分布。頂燒爐火焰集中在爐膛頂部，所以該處輻射傳熱能力非常強，具有非常高的局部熱強度，同時該處的管壁溫度也為最高。最高管壁溫度和熱強度同時在轉化管頂部出現峰值是頂燒式轉化爐的特點。該特點造成轉化管有較高的設計壁溫。對于側燒和梯臺轉化爐，由于燃燒器均勻分布在沿管長方向的不同標高，輻射傳熱比較均勻，可避免該峰值，從而降低設計壁溫，減少轉化管壁厚，節(jié)約高合金爐管，或允許較高的轉化氣出口溫度，以降低殘余甲烷，提高氫的產率。在管壁設計溫度相同時，側燒爐和梯臺爐可以允許較大的總平均管壁熱強度，這樣傳熱面積會相應減少，轉化管數量有所下降。底燒爐在傳熱性能上，具有爐頂熱強度低，爐底熱強度高的特性，因而爐管壁溫變化最大，特別是爐底處爐管壁溫是所有爐型中最高，對爐管壽命十分不利，為了控制最高管壁熱強度不超標，只能選用很低的平均熱強度，造成管材的巨大浪費，所以大型裝置都不采用底燒爐。
2.2.3結構特點
    頂燒爐的所有轉化管排均在同一爐膛內，排列比較緊湊，節(jié)省占地面積，適于大型化。側燒爐和梯臺爐由于是兩個輻射室并列排列，所以在爐管數量相同時，占地面積較大，大型化有一定的困難。
    頂燒爐的燃燒器數量較少，密集排列在爐頂，燃料配管及空氣配管相應簡化，但爐頂結構比較復雜。側燒爐燃燒器數量較多，分布在輻射室側墻，燃料配管及空氣配管較多。
2.2.4對工況的適應情況
    頂燒爐由于在上部供熱較多，所以在轉化管內采用抗積碳性能好的催化劑時，可以很好的和轉化反應相匹配，在反應最激烈處能供給最多的熱量，燃料放熱分布與反應吸熱分布較協調。但爐管縱向溫度不能調節(jié)，在操作末期或催化劑積碳情況下，由于上部反應較少，管內介質溫度升高很快，造成轉化爐管的管壁溫度升高，對爐管壽命有影響，設計管壁溫度也需要取較大的裕量。
側燒爐和梯臺爐可以根據需要調節(jié)沿爐管長度方向受熱的負荷，對不同工況的適應情況較好。
2.2.5操作情況
    頂燒爐的燃燒器都集中在爐頂，造成爐頂的操作條件比較惡劣，由于爐頂的溫度非常高，爐頂布置又非常緊密，正常操作過程中調節(jié)燃燒器有一定難度。側燒爐和梯臺爐的燃燒器均布置在側墻，操作條件和緩，對正常操作好處較大。但側燒爐由于燃燒器數量較多，點火時花費的時間比頂燒爐要長。
3. 轉化管系
3.1 轉化管系流程
    中壓蒸汽與原料氣混合后進對流室的原料預熱段預熱，然后出對流室，經過轉油線至輻射室頂部的上集合管，從上集合管分配進入各上豬尾管，再經過上豬尾管進入裝有催化劑的轉化管進行轉化反應，轉化反應完畢的轉化氣從轉化管底部經下豬尾管導出，下豬尾管與下集合管相連，在下集合管內匯集的轉化氣被送至與下集合管直接相連的工藝氣廢熱鍋爐發(fā)生蒸汽并降溫。
某些出口操作溫度較高的轉化爐沒有下豬尾管，轉化管直接與下集合管連接。
3.2 轉化管系零件
3.2.1 上集合管
    上集合管是進氣總管，主要用來將進料分配至各支管，根據原料預熱溫度的不同，上集合管可以采用鉻鉬鋼、304、321等材質。
3.2.2 上豬尾管
    上豬尾管是進氣支管，除了用來分配進料外，主要作用是吸收轉化管和上集合管以及轉油線的膨脹，所以要求材料的塑性要好，主要采用奧氏體不銹鋼304、321等材質。其管徑主要有φ25、φ32等規(guī)格。
3.2.3 轉化管
    該管直接置于爐膛內加熱，由于要求良好的耐高溫及抗高溫蠕變性能，所以采用離心澆鑄耐熱合金管，早期的材質主要為HK40，后來又發(fā)展為HP40，這些年又出現了一系列新的改進型鋼種。
3.2.4 下豬尾管
    主要用來吸收下集合管的膨脹，采用的材質主要為Alloy 800H。
3.2.5 下集合管
    根據裝置規(guī)模的不同，下集合管有熱壁和冷壁兩種形式。熱壁下集合管的材質主要為Alloy 800H，冷壁下集合管的內壁為耐高溫的襯里材料，外壁由于溫度較低，可以采用普通碳鋼或低合金鋼。
3.3 轉化管系的膨脹與補償
    由于裝置的大型化，制氫轉化爐管路系統(tǒng)的熱膨脹問題越來越突出。大量的熱膨脹問題要通過尾管和彈簧支吊架等熱膨脹吸收元件和預留有足夠的熱膨脹空間來解決。
3.3.1下集合管的膨脹
    下集合管的膨脹分為分集合管的縱向膨脹和總集合管的水平膨脹。對于每排爐管分集合管較短的情況，分集合管和總集合管均可采用熱壁管，分集合管的縱向膨脹和總集合管的水平膨脹所形成的轉化管和集合管之間的相對位移可由下尾管吸收。轉化管直接與下集合管相連時，下集合管的膨脹量可以通過安裝前對轉化管進行一定的冷拉量來吸收。對于每排爐管根數較多，分集合管較長的情況，可以通過以下途徑解決管路系統(tǒng)的膨脹問題：
1) 采用冷壁的總集合管，分集合管的出口設在中部并通過總集合管引出。這樣熱壁分集合管的膨脹量比從端部引出減少至原來的二分之一。
2) 采用復合式分集合管，既將整根熱壁集合管分成若干根口徑較小的小熱壁集合管，進一步減少熱壁管的膨脹，并節(jié)約高合金熱壁管的投資。
3) 采用帶尾管的全冷壁集合管。
4) 采用不帶尾管的全冷壁集合管。
     從經濟性來看，以上以上方案的優(yōu)劣次序為：不帶尾管的全冷壁集合管，帶尾管的全冷壁集合管，復合式分集合管，冷壁總集合管熱壁分集合管，全熱壁集合管。
    不帶尾管的全冷壁集合管主要用于轉化氣出口溫度大于880℃的情況。因為在該工況下，Cr20Ni32材質的尾管的熱態(tài)許用應力為9MPa以下。為滿足二次應力的強度要求，在880℃以上的高溫下要求較長的尾管，為滿足一次應力的強度要求，長的尾管和低的許用應力導致繁雜的甚至是無法實現的支撐結構。但不帶尾管的全冷壁集合管催化劑的裝卸都得通過轉化管頂端法蘭完成，當催化劑積碳時，從頂端真空吸出催化劑是有困難的。當某根轉化管發(fā)生泄露時，也無法通過同時卡死上下尾管的方式將泄露轉化管切除。
3.3.2 轉化管和轉油線的膨脹
    為減少轉化管底部和下集合管的位移差，減少高合金下尾管的長度，節(jié)約投資，轉化管一般采用底部支撐，向上膨脹的方式。同樣為減少轉化管頂部和上集合管的位移差，減少上尾管的長度，轉油線也采用底部支撐，向上膨脹的方式。與轉油線相連的上集合管則由彈簧吊架懸掛，并隨上升的膨脹向上移動。轉化管盡管采用底部支撐，但為減小轉化管底部的軸向壓應力，防止轉化管彎曲，在轉化管頂部增設彈簧吊架。
3.3.3上集合管的膨脹
    上集合管除隨轉油線向上移動以外，還沿軸向膨脹。轉化管向上膨脹、上集合管隨轉油線向上移動以及沿軸向膨脹所形成的轉化管與上集合管的位移差由上尾管補償。
4. 對流室管系
    對流室管系主要用來預熱原料、發(fā)生及過熱反應用的蒸汽、回收煙氣中的余熱等等。不同的工藝方案采用的對流室管系的布置方式略有不同，主要有原料/蒸汽混合過熱段、蒸汽過熱段、蒸汽發(fā)生段、燃燒用空氣預熱段。
5. 轉化爐主要工藝參數

5.1 水碳比
    水碳比是指反應進口氣體中水蒸汽分子數與烴類原料中碳原子數的比，常以S/C表示，它表征了轉化操作所耗蒸汽的量。工業(yè)上采用的水碳比要比按化學平衡計算值大。在一定條件下，水碳比越高，甲烷平衡含量越低。但水碳比越高，過剩蒸汽量則越大，輻射室熱負荷也越大，增大了裝置無用的燃料消耗。
    水碳比和原料種類、催化劑類型、下游路線的選擇以及經濟因素有關，天然氣原料的水碳比較低，石腦油原料的水碳比較高。目前制氫裝置的水碳比大概在2.5至3.5之間。
5.2 壓力
    烴類蒸汽轉化是體積增大的可逆反應，所以壓力增加，逆反應隨著增加。但為了減少壓縮功、強化后續(xù)設備的生產以及為使結構緊湊等等，目前的蒸汽轉化仍然是加壓蒸汽轉化。
    轉化爐操作壓力和下游設備的要求（如變壓吸附等）、原料供應壓力、轉化管設計溫度、轉化管材料有關，目前制氫裝置的操作壓力大概在3.0MPa左右。
5.3 出口溫度
    烴類蒸汽轉化是吸熱反應，溫度增加，反應向正方向移動，殘余甲烷平衡含量下降。
    轉化管出口溫度與操作壓力、轉化管設計溫度、轉化管材料以及經濟因素有關，制氫裝置的轉化出口溫度在780℃至900℃之間。
5.4 原料預熱溫度
    原料預熱溫度即是入轉化管的溫度，提高原料預熱溫度可降低輻射室熱負荷，減少燃料消耗，但原料預熱溫度和原料類型、管路材料、以及經濟因素有關，采用天然氣為原料時可以采用較高的預熱溫度，采用石腦油為原料時，由于原料會裂解，所以不宜采用太高的預熱溫度。原料預熱溫度大約在450℃至650℃之間。
5.5空氣預熱溫度
    空氣預熱溫度和外輸蒸汽的量有關，由于轉化爐發(fā)生的蒸汽量供自己使用仍然過剩，為了少發(fā)生蒸汽和少外輸蒸汽，煙氣的剩余熱量則由空氣來回收，這樣空氣的預熱溫度就會提高，但空氣預熱溫度受NOx生成量以及經濟因素的限制。目前空氣預熱溫度在200℃至500℃之間。

6. 發(fā)展趨勢
    隨著技術的進步，轉化爐越來越趨向于采用一些先進的工藝參數，目前采用的一些主要手段概括起來大概有“五高一低”，即轉化出口溫度高、原料預熱溫度高、原料空速高、管壁熱強度高、空氣預熱溫度高、以及水碳比低。
應該指出的是，轉化出口溫度的提高和管壁熱強度的提高是和轉化管材料的進步分不開的，早期爐管采用HK40時，由于材料限制，管壁平均熱強度只有40000W/m²，而現在采用改良的爐管材料，管壁平均熱強度已經可以取到80000W/m²以上。
    由于現在有的采用石腦油為原料的裝置配備了預轉化反應器，將石腦油預先在預轉化反應器內轉化為甲烷，所以轉化爐原料的預熱溫度也可以提高。由于原料中沒有了重組分，轉化爐管的上層也不必采用抗積碳的催化劑，原料也可以采用較低的水碳比。

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