天然氣制氫裝置轉(zhuǎn)化爐介紹

1、G科瑞工程韻辯.輛工參天然氣制氫裝置轉(zhuǎn)化爐介紹天然氣制氫轉(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。一、天然氣制氫轉(zhuǎn)化爐的爐型及結(jié)構(gòu)1.1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

2、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(duì)流室均布置在輻射室旁邊。2）側(cè)燒爐：這種爐型以丹麥TOPSE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)FOSTERWH

3、EELER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(duì)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。1.2爐型結(jié)構(gòu)比較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(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

4、熱。底燒爐為逆流傳熱。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(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

5、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(duì)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7G科瑞工程韻辯.輛工參的平均熱強(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。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

6、在輻射室側(cè)墻，燃料配管及空氣配管較多。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)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(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。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)

7、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)。二、天然氣制氫轉(zhuǎn)化爐的爐管2.1工藝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。2.2轉(zhuǎn)化管部件

8、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)。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25、32等規(guī)格。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。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Alloy800H5）下集合管G科

9、瑞工程韻辯.輛工參根據(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Alloy800H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。三、對(duì)流段部件對(duì)流段主要用來預(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(duì)流段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。四、天然氣制氫轉(zhuǎn)化爐的主要工藝參數(shù)4.1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

10、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。4.2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。4.3出口溫度烴類蒸汽轉(zhuǎn)化

11、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°C至900°C之間。4.4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°C至650°C之間。45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°C至500°C之間。五、天然氣制氫轉(zhuǎn)化爐的發(fā)展方向隨著技術(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