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興罡石化設(shè)備

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行業(yè)新聞

制氫裝置轉(zhuǎn)化爐

作者: 興罡石化設(shè)備| 時(shí)間:2019-07-18 10:51:43 | 點(diǎn)擊次數(shù):

 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐簡(jiǎn)介
一、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(lái)越多,使得制氫裝置相應(yīng)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(lèi)水蒸汽轉(zhuǎn)化法,利用的原料主要有天然氣、煉廠氣、石腦油等輕質(zhì)烴類(lèi)。這些烴類(lèi)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(yīng),生成氫氣及一氧化碳。烴類(lèi)化合物的水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)平衡系統(tǒng),高分子烴類(lèi)先裂解或轉(zhuǎn)化成甲烷,*終與水蒸汽進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。大體上可用下列反應(yīng)式表達(dá):
CnHm + 2H2O → Cn-1Hm-2 + CO2 + 3H2 – Q 
CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 – Q4 
CO2 + H2 = CO + H2O - Q
轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置中轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器,屬于裝置的心臟設(shè)備。這是一種非常特殊的外熱式列管反應(yīng)器,由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的強(qiáng)吸熱及高溫等特點(diǎn),這種反應(yīng)器被設(shè)計(jì)成加熱爐的形式,催化劑裝在一根根的轉(zhuǎn)化爐管內(nèi),在爐膛內(nèi)直接加熱,反應(yīng)介質(zhì)通過(guò)爐管內(nèi)的催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。, `3 q% k% s  i$ j0 Y' y" V
轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、爐管材料、管路系統(tǒng)支撐、管路系統(tǒng)應(yīng)力、管路系統(tǒng)膨脹及補(bǔ)償、燃燒、煙氣流動(dòng)及分配、耐火材料等各方面都必須精心考慮。

二、爐型及結(jié)構(gòu)
1.
爐型
制氫裝置轉(zhuǎn)化爐按輻射室供熱方式進(jìn)行分類(lèi),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(zhuǎn)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(kāi)輻射室。這種爐型的對(duì)流室均布置在輻射室旁邊。
2)
側(cè)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(cè)墻,火焰附墻燃燒。早期轉(zhuǎn)化管的受熱形式多為爐膛中間的雙排管受側(cè)墻的雙面輻射,由于受熱形式不好,操作條件苛刻時(shí),爐管易彎曲,現(xiàn)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(duì)流室置于輻射室頂部,大型裝置的對(duì)流室考慮到結(jié)構(gòu)及檢修等原因,對(duì)流室經(jīng)常放置在輻射室旁邊。
3)
梯臺(tái)爐:這種爐型以美國(guó)FOSTER WHEELER公司為代表。這種爐子的輻射室側(cè)墻呈梯臺(tái)形,燃燒器火焰沿傾斜爐墻平行燃燒,通過(guò)爐墻向轉(zhuǎn)化管輻射傳熱。與側(cè)燒爐類(lèi)似,轉(zhuǎn)化管可以為雙排或單排。這種爐子的對(duì)流室全部置于輻射室頂部,煙氣上行,采用自然抽風(fēng),沒(méi)有引風(fēng)機(jī)。
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.爐型結(jié)構(gòu)比較,
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(dòng)方向與轉(zhuǎn)化管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)方向相同,傳熱方式為并流傳熱。側(cè)燒爐燃燒器安裝在輻射室側(cè)墻,火焰附墻燃燒,通過(guò)輻射墻對(duì)轉(zhuǎn)化管傳熱,煙氣流動(dòng)方向與管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)方向相反,傳熱方式錯(cuò)流傳熱。梯臺(tái)爐的燃燒器排數(shù)比側(cè)燒爐要少,是一種改進(jìn)的錯(cuò)流傳熱。底燒爐為逆流傳熱。
2.2熱強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng),具有非常高的局部熱強(qiáng)度,同時(shí)該處的管壁溫度也為*高。*高管壁溫度和熱強(qiáng)度同時(shí)在轉(zhuǎn)化管頂部出現(xiàn)峰值是頂燒式轉(zhuǎn)化爐的特點(diǎn)。該特點(diǎn)造成轉(zhuǎn)化管有較高的設(shè)計(jì)壁溫。對(duì)于側(cè)燒和梯臺(tái)轉(zhuǎn)化爐,由于燃燒器均勻分布在沿管長(zhǎng)方向的不同標(biāo)高,輻射傳熱比較均勻,可避免該峰值,從而降低設(shè)計(jì)壁溫,減少轉(zhuǎn)化管壁厚,節(jié)約高合金爐管,或允許較高的轉(zhuǎn)化氣出口溫度,以降低殘余甲烷,提高氫的產(chǎn)率。在管壁設(shè)計(jì)溫度相同時(shí),側(cè)燒爐和梯臺(tái)爐可以允許較大的總平均管壁熱強(qiáng)度,這樣傳熱面積會(huì)相應(yīng)減少,轉(zhuǎn)化管數(shù)量有所下降。底燒爐在傳熱性能上,具有爐頂熱強(qiáng)度低,爐底熱強(qiáng)度高的特性,因而爐管壁溫變化*大,特別是爐底處爐管壁溫是所有爐型中*高,對(duì)爐管壽命十分不利,為了控制*高管壁熱強(qiáng)度不超標(biāo),只能選用很低的平均熱強(qiáng)度,造成管材的巨大浪費(fèi),所以大型裝置都不采用底燒爐。 
2.3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
頂燒爐的所有轉(zhuǎn)化管排均在同一爐膛內(nèi),排列比較緊湊,節(jié)省占地面積,適于大型化。側(cè)燒爐和梯臺(tái)爐由于是兩個(gè)輻射室并列排列,所以在爐管數(shù)量相同時(shí),占地面積較大,大型化有一定的困難。
頂燒爐的燃燒器數(shù)量較少,密集排列在爐頂,燃料配管及空氣配管相應(yīng)簡(jiǎn)化,但爐頂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。側(cè)燒爐燃燒器數(shù)量較多,分布在輻射室側(cè)墻,燃料配管及空氣配管較多。) 
2.4對(duì)工況的適應(yīng)情況
頂燒爐由于在上部供熱較多,所以在轉(zhuǎn)化管內(nèi)采用抗積碳性能好的催化劑時(shí),可以很好的和轉(zhuǎn)化反應(yīng)相匹配,在反應(yīng)*激烈處能供給*多的熱量,燃料放熱分布與反應(yīng)吸熱分布較協(xié)調(diào)。但爐管縱向溫度不能調(diào)節(jié),在操作末期或催化劑積碳情況下,由于上部反應(yīng)較少,管內(nèi)介質(zhì)溫度升高很快,造成轉(zhuǎn)化爐管的管壁溫度升高,對(duì)爐管壽命有影響,設(shè)計(jì)管壁溫度也需要取較大的裕量。
側(cè)燒爐和梯臺(tái)爐可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)沿爐管長(zhǎng)度方向受熱的負(fù)荷,對(duì)不同工況的適應(yīng)情況較好。
2.5操作情況
頂燒爐的燃燒器都集中在爐頂,造成爐頂?shù)牟僮鳁l件比較惡劣,由于爐頂?shù)臏囟确浅8?,爐頂布置又非常緊密,正常操作過(guò)程中調(diào)節(jié)燃燒器有一定難度。側(cè)燒爐和梯臺(tái)爐的燃燒器均布置在側(cè)墻,操作條件和緩,對(duì)正常操作好處較大。但側(cè)燒爐由于燃燒器數(shù)量較多,點(diǎn)火時(shí)花費(fèi)的時(shí)間比頂燒爐要長(zhǎng)。

三、轉(zhuǎn)化管系
1.轉(zhuǎn)化管系流程
中壓蒸汽與原料氣混合后進(jìn)對(duì)流室的原料預(yù)熱段預(yù)熱,然后出對(duì)流室,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)油線至輻射室頂部的上集合管,從上集合管分配進(jìn)入各上豬尾管,再經(jīng)過(guò)上豬尾管進(jìn)入裝有催化劑的轉(zhuǎn)化管進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng),轉(zhuǎn)化反應(yīng)完畢的轉(zhuǎn)化氣從轉(zhuǎn)化管底部經(jīng)下豬尾管導(dǎo)出,下豬尾管與下集合管相連,在下集合管內(nèi)匯集的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化爐沒(méi)有下豬尾管,轉(zhuǎn)化管直接與下集合管連接。

2.轉(zhuǎn)化管系零件
2.1上集合管
上集合管是進(jìn)氣總管,主要用來(lái)將進(jìn)料分配至各支管,根據(jù)原料預(yù)熱溫度的不同,上集合管可以采用鉻鉬鋼、304、321等材質(zhì)。 |
2.2上豬尾管
上豬尾管是進(jìn)氣支管,除了用來(lái)分配進(jìn)料外,主要作用是吸收轉(zhuǎn)化管和上集合管以及轉(zhuǎn)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(zhì)。其管徑主要有φ25、φ32等規(guī)格。
2.3轉(zhuǎn)化管5
該管直接置于爐膛內(nèi)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(zhì)主要為HK40,后來(lái)又發(fā)展為HP40,這些年又出現(xiàn)了一系列新的改進(jìn)型鋼種。
2.4下豬尾管
主要用來(lái)吸收下集合管的膨脹,采用的材質(zhì)主要為Alloy 800H。
2.5下集合管
根據(jù)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(zhì)主要為Alloy 800H,冷壁下集合管的內(nèi)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.轉(zhuǎn)化管系的膨脹與補(bǔ)償

由于裝置的大型化,制氫轉(zhuǎn)化爐管路系統(tǒng)的熱膨脹問(wèn)題越來(lái)越突出。大量的熱膨脹問(wèn)題要通過(guò)尾管和彈簧支吊架等熱膨脹吸收元件和預(yù)留有足夠的熱膨脹空間來(lái)解決。


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(duì)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(zhuǎn)化管和集合管之間的相對(duì)位移可由下尾管吸收。轉(zhuǎn)化管直接與下集合管相連時(shí),下集合管的膨脹量可以通過(guò)安裝前對(duì)轉(zhuǎn)化管進(jìn)行一定的冷拉量來(lái)吸收。對(duì)于每排爐管根數(shù)較多,分集合管較長(zhǎng)的情況,可以通過(guò)以下途徑解決管路系統(tǒng)的膨脹問(wèn)題:
1)
采用冷壁的總集合管,分集合管的出口設(shè)在中部并通過(guò)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(lái)的二分之一。
2)
采用復(fù)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(jìn)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(jīng)濟(jì)性來(lái)看,以上以上方案的優(yōu)劣次序?yàn)椋翰粠补艿娜浔诩瞎?,帶尾管的全冷壁集合管,?fù)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(zhuǎn)化氣出口溫度大于880℃的情況。因?yàn)樵谠摴r下,Cr20Ni32材質(zhì)的尾管的熱態(tài)許用應(yīng)力為9MPa以下。為滿足二次應(yīng)力的強(qiáng)度要求,在880℃以上的高溫下要求較長(zhǎng)的尾管,為滿足一次應(yīng)力的強(qiáng)度要求,長(zhǎng)的尾管和低的許用應(yīng)力導(dǎo)致繁雜的甚至是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的支撐結(jié)構(gòu)。但不帶尾管的全冷壁集合管催化劑的裝卸都得通過(guò)轉(zhuǎn)化管頂端法蘭完成,當(dāng)催化劑積碳時(shí),從頂端真空吸出催化劑是有困難的。當(dāng)某根轉(zhuǎn)化管發(fā)生泄露時(shí),也無(wú)法通過(guò)同時(shí)卡死上下尾管的方式將泄露轉(zhuǎn)化管切除。
3.2 轉(zhuǎn)化管和轉(zhuǎn)油線的膨脹
為減少轉(zhuǎn)化管底部和下集合管的位移差,減少高合金下尾管的長(zhǎng)度,節(jié)約投資,轉(zhuǎn)化管一般采用底部支撐,向上膨脹的方式。同樣為減少轉(zhuǎn)化管頂部和上集合管的位移差,減少上尾管的長(zhǎng)度,轉(zhuǎn)油線也采用底部支撐,向上膨脹的方式。與轉(zhuǎn)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(dòng)。轉(zhuǎn)化管盡管采用底部支撐,但為減小轉(zhuǎn)化管底部的軸向壓應(yīng)力,防止轉(zhuǎn)化管彎曲,在轉(zhuǎn)化管頂部增設(shè)彈簧吊架。
3.3上集合管的膨脹' 

上集合管除隨轉(zhuǎn)油線向上移動(dòng)以外,還沿軸向膨脹。轉(zhuǎn)化管向上膨脹、上集合管隨轉(zhuǎn)油線向上移動(dòng)以及沿軸向膨脹所形成的轉(zhuǎn)化管與上集合管的位移差由上尾管補(bǔ)償。

四、對(duì)流室管系
對(duì)流室管系主要用來(lái)預(yù)熱原料、發(fā)生及過(guò)熱反應(yīng)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(duì)流室管系的布置方式略有不同,主要有原料/蒸汽混合過(guò)熱段、蒸汽過(guò)熱段、蒸汽發(fā)生段、燃燒用空氣預(yù)熱段。

五、轉(zhuǎn)化爐主要工藝參數(shù)
1.1 水碳比
水碳比是指反應(yīng)進(jìn)口氣體中水蒸汽分子數(shù)與烴類(lèi)原料中碳原子數(shù)的比,常以S/C表示,它表征了轉(zhuǎn)化操作所耗蒸汽的量。工業(yè)上采用的水碳比要比按化學(xué)平衡計(jì)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(guò)剩蒸汽量則越大,輻射室熱負(fù)荷也越大,增大了裝置無(wú)用的燃料消耗。
水碳比和原料種類(lèi)、催化劑類(lèi)型、下游路線的選擇以及經(jīng)濟(jì)因素有關(guān),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。
2.壓力

烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化是體積增大的可逆反應(yīng),所以壓力增加,逆反應(yīng)隨著增加。但為了減少壓縮功、強(qiáng)化后續(xù)設(shè)備的生產(chǎn)以及為使結(jié)構(gòu)緊湊等等,目前的蒸汽轉(zhuǎn)化仍然是加壓蒸汽轉(zhuǎn)化。
轉(zhuǎn)化爐操作壓力和下游設(shè)備的要求(如變壓吸附等)、原料供應(yīng)壓力、轉(zhuǎn)化管設(shè)計(jì)溫度、轉(zhuǎn)化管材料有關(guān),目前制氫裝置的操作壓力大概在3.0MPa左右。
3.出口溫度
烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化是吸熱反應(yīng),溫度增加,反應(yīng)向正方向移動(dòng),殘余甲烷平衡含量下降。
轉(zhuǎn)化管出口溫度與操作壓力、轉(zhuǎn)化管設(shè)計(jì)溫度、轉(zhuǎn)化管材料以及經(jīng)濟(jì)因素有關(guān),制氫裝置的轉(zhuǎn)化出口溫度在780℃至900℃之間。*
原料預(yù)熱溫度
原料預(yù)熱溫度即是入轉(zhuǎn)化管的溫度,提高原料預(yù)熱溫度可降低輻射室熱負(fù)荷,減少燃料消耗,但原料預(yù)熱溫度和原料類(lèi)型、管路材料、以及經(jīng)濟(jì)因素有關(guān),采用天然氣為原料時(shí)可以采用較高的預(yù)熱溫度,采用石腦油為原料時(shí),由于原料會(huì)裂解,所以不宜采用太高的預(yù)熱溫度。原料預(yù)熱溫度大約在450℃至650℃之間。
5.空氣預(yù)熱溫度
空氣預(yù)熱溫度和外輸蒸汽的量有關(guān),由于轉(zhuǎn)化爐發(fā)生的蒸汽量供自己使用仍然過(guò)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(lái)回收,這樣空氣的預(yù)熱溫度就會(huì)提高,但空氣預(yù)熱溫度受NOx生成量以及經(jīng)濟(jì)因素的限制。目前空氣預(yù)熱溫度在200℃至500℃之間。
六、發(fā)展趨勢(shì)
隨著技術(shù)的進(jìn)步,轉(zhuǎn)化爐越來(lái)越趨向于采用一些先進(jìn)的工藝參數(shù),目前采用的一些主要手段概括起來(lái)大概有“五高一低”,即轉(zhuǎn)化出口溫度高、原料預(yù)熱溫度高、原料空速高、管壁熱強(qiáng)度高、空氣預(yù)熱溫度高、以及水碳比低。
應(yīng)該指出的是,轉(zhuǎn)化出口溫度的提高和管壁熱強(qiáng)度的提高是和轉(zhuǎn)化管材料的進(jìn)步分不開(kāi)的,早期爐管采用HK40時(shí),由于材料限制,管壁平均熱強(qiáng)度只有40000W/m2,而現(xiàn)在采用改良的爐管材料,管壁平均熱強(qiáng)度已經(jīng)可以取到80000W/m2以上。
由于現(xiàn)在有的采用石腦油為原料的裝置配備了預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器,將石腦油預(yù)先在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器內(nèi)轉(zhuǎn)化為甲烷,所以轉(zhuǎn)化爐原料的預(yù)熱溫度也可以提高。由于原料中沒(méi)有了重組分,轉(zhuǎn)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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