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(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。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(yīng)，生成氫氣及一氧化碳。
    烴類化合物的水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)平衡系統(tǒng)，高分子烴類先裂解或轉(zhuǎn)化成甲烷，最終與水蒸汽進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。大體上可用下列反應(yīng)式表達(dá)：
    C_nH_m + 2H₂O → C_n-1H_m-2 + CO₂ + 3H₂ – Q
    CH₄ + 2 H₂O = CO₂ + 4H₂ – Q
    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)通過爐管內(nèi)的催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。
    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。
2. 爐型及結(jié)構(gòu)
2.1 爐型
    制氫裝置轉(zhuǎn)化爐按輻射室供熱方式進(jìn)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(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輻射室。這種爐型的對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，對流室置于輻射室頂部，大型裝置的對流室考慮到結(jié)構(gòu)及檢修等原因，對流室經(jīng)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(cè)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(zhuǎn)化管輻射傳熱。與側(cè)燒爐類似，轉(zhuǎn)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(fēng)，沒有引風(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。
2.2爐型結(jié)構(gòu)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(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，通過輻射墻對轉(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。
2.2.2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最高。最高管壁溫度和熱強(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。對于側(cè)燒和梯臺轉(zhuǎn)化爐，由于燃燒器均勻分布在沿管長方向的不同標(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(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。
2.2.3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。
2.2.4對工況的適應(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)最激烈處能供給最多的熱量，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)燒爐和梯臺爐可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)沿爐管長度方向受熱的負(fù)荷，對不同工況的適應(yīng)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?shù)牟僮鳁l件比較惡劣，由于爐頂?shù)臏囟确浅８撸瑺t頂布置又非常緊密，正常操作過程中調(diào)節(jié)燃燒器有一定難度。側(cè)燒爐和梯臺爐的燃燒器均布置在側(cè)墻，操作條件和緩，對正常操作好處較大。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。
3. 轉(zhuǎn)化管系
3.1 轉(zhuǎn)化管系流程
    中壓蒸汽與原料氣混合后進(jìn)對流室的原料預(yù)熱段預(yù)熱，然后出對流室，經(jīng)過轉(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)化爐沒有下豬尾管，轉(zhuǎn)化管直接與下集合管連接。
3.2 轉(zhuǎn)化管系零件
3.2.1 上集合管
    上集合管是進(jìn)氣總管，主要用來將進(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)。
3.2.2 上豬尾管
    上豬尾管是進(jìn)氣支管，除了用來分配進(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。
3.2.3 轉(zhuǎn)化管
    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。
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(zhì)主要為Alloy 800H。
3.2.5 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。
3.3 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(yù)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(zhuǎn)化管和集合管之間的相對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安裝前對轉(zhuǎn)化管進(jìn)行一定的冷拉量來吸收。對于每排爐管根數(shù)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(shè)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(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的尾管，為滿足一次應(yīng)力的強(qiáng)度要求，長的尾管和低的許用應(yīng)力導(dǎo)致繁雜的甚至是無法實(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)，也無法通過同時(shí)卡死上下尾管的方式將泄露轉(zhuǎn)化管切除。
3.3.2 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。
3.3.3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。
4. 對流室管系
    對流室管系主要用來預(yù)熱原料、發(fā)生及過熱反應(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(yù)熱段。
5. 轉(zhuǎn)化爐主要工藝參數(shù)

5.1 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，過剩蒸汽量則越大，輻射室熱負(fù)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(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。
5.2 壓力
    烴類蒸汽轉(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。
5.3 出口溫度
    烴類蒸汽轉(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。
5.4 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。
5.5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(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。

6. 發(fā)展趨勢
    隨著技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)化爐越來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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