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1、煤制油天然气制氢烃类蒸汽转化炉设备操作规程一、简介 以烃类为原料，用蒸汽转化法生产合成氨原料气和氢气，在合成氨、炼油、石油化工、冶金等工业部门具有特定的地位。炼油厂的制氢炉、甲醇厂的制氢转化炉合成氨厂的一段转化炉等都属于烃类蒸汽转化炉。其工作原理、操作参数和结构设计等都大致相同。所不同的是合成氨厂因有二段转化炉，因此其一段转化炉的转化率要低一些，残余甲烷比制氢炉高一倍左右，一段转化炉的残余甲烷一般是12%-15%，而制氢炉的仅5%-7%。就合成氨工业而言，目前世界上应有该法生产的原料气占其总产量的80%以上。天然气蒸汽转化最早由德国法本公司，英国I.C.I公司和美国美孚公司进行研究，1936年
2、英国建立了第一套生产装置，1959年英国又建立了第一套石脑油蒸汽转化装置，该技术得到了进一步的发展并日趋完善。烃类蒸汽转化制氢的路线具有工艺流程短、投资省、能量利用合理、自控程度高、环境污染少等优点，因此，应用极为普遍。 为多生产化肥支持农业，我国在上世纪70年代引进薄8套以天然气为原料的大型合成氨装置，建于大庆、辽河、沧州、齐鲁二化、泸天化、赤天化、云天化；80年代迄今又引进8套以天然气为原料的大型合成氨装置，建于濮阳、锦西、涪陵、合江、海南、乌石化。二、烃类蒸汽转化概述1.烃类蒸汽转化热力学1.1化学反应 主要反应： CH4+H2OCO+3H2-206288kjkgmol CH4+2H2O
3、CO+4H2-185098kjkgmol CH4+CO22CO+2H2-247478 kjkgmol CO+H2OCO2+H2-41190kjkgmol析碳反应： CH4C+2H2-74898 kjkgmol 2COC+CO2+172580 kjkgmol CO+H2C+H2O+131390 kjkgmol对于烃类混合物（包括轻油）转化时，通过换算，用下列统式表示：CH+（a+b）HOAco+bCO(1-a-b)CH（3a4b4m2）H1.2 影响平衡甲烷含量的因素根据反应式，用平衡转移的原理进行分析。温度：因为是吸热反应，温度升高，则平衡甲烷含量降低，反之则升高。压力：因为是增分子反应，压力
4、升高，则平衡甲烷含量升高，反之，则降低。水碳比：水碳比增加，相当于向系统中加入水蒸气。平衡向生成一氧化碳的方向移动，甲烷含量减少，反之，则升高。氢碳比：原料的氢碳比增加，相当于向系统加入氢气，则平衡向生成甲烷饿方向移动，平衡甲烷含量省锆，反之，则降低。三、烃类蒸汽转化流程1、凯洛格流程天然气首先被压缩至3.6MPa，通过对流段预热至350左右进入钴钼反应器和氧化脱硫槽，将硫脱至小于后与中压蒸汽混合（水碳比为2.7-3.5），再入对流段预热至520左右，通过上集气管，猪尾管从辐射段顶部进入转化炉管，在转化炉管内边反应边吸热，当离开炉管底部时温度达820，甲烷含量为10左右，压力3.1MPa，经炉
5、底分集气管和上升管，0.5ppm温度升至850左右，出炉顶汇集子集气总管再入二段炉。工艺空气压缩至3.3-3.5MPa并混入少量蒸汽经对流段预热至450后进入二段炉，与一段炉转化气混合、燃烧、进一步转化、出二段炉的温度达1000左右，甲烷含量小于0.4，二段炉出来的工艺气经第一，第二废热锅炉温度降至370以后进入变换炉。辐射段出来的烟气温度为1000左右，经对流段预热工艺混合气，工艺空气，动力蒸汽，原料气锅炉给水等使温度降至240左右后由引风机排入大气。流程设置中的关键设备为一段转化炉，烃类蒸汽转化反应主要在此进行，为了维持正常操作，必须使转化反应和传热相适应，在满足工艺要求的前提下，力求降低
6、对转化炉管的要求和节约高温合金钢的使用。就合成氨生产而言，它要求转化后的甲烷含量越低越好，一般不大于0.5%,如果这任务全由一段炉来承担，则出口温度为1000左右，这无疑对炉管材料的要求太苛刻了。由于制合成氨原料气时需要氮。因而又引出了二段炉流程，一段炉反应所需的热量是通过管壁从高温烟气中传入的，因此对炉管要求较高，因二段炉是绝热反应，高温的或得是靠工艺气中的氢、一氧化碳和甲烷与空气中的氧燃烧，不需传热的高合金材料，只需耐火衬里就行了。对于制氢，就不能没二段炉，它的操作条件也不一样，所得气体中甲烷含量也远大于0.5%，对流段的设置，一方面是充分利用废热，另一方面也是减少辐射段的热负荷，以就可节
7、省高温材料。脱硫设备的设置是由于转化催化剂的要求。二段炉气废热锅炉的设置也是充分回收能量。四、一段转化炉炉型4、1 烃类蒸汽转化炉的要求：（1）烃类蒸汽转化炉的工作条件比较苛刻，使用的都是耐高温的镍铬的合金材料，因此在炉子设计时要求合理使用炉管及尽量降低对炉管的要求，防止局部过热，使周向和轴向温度分布均匀。（2）烃类蒸汽转化是伴有传热、传质、动量传递和复杂化学反应的综合过程，要求传热与反应必须相适应，对于并行的复杂反应，能够控制其反应的进程。设计时所选用的炉型、原料、催化剂和操作条件是一个整体，不能乱套，我国两湖的气改油工程中出现的问题就是一个教训。（3）力求炉子结构简单、紧凑。（4）热能利用
8、率高。4、2 现目前世界上有代表性的I.C.I、Topse、kellogg和Foster Wheeler四种炉型。现结合神华天然气装置，主要介绍Kellogg型转化炉。4、2、1、 Kellogg型转化炉引进的年产30*104t合成氨装置中的转化炉，如图：1） 转化炉结构尺寸为13m（长）*17m（宽）*10m（高）。炉内装有378根炉管、分为9排、每排42根。每排炉管下端与一个下集气管焊接，下集气管外面有轻质绝热材料保温，集气管的中间又焊上一根上升管，九个上升管伸出炉顶与集气总管连接，集气总管内衬耐火材料。这种炉管排列又称竖琴式，增加产量，只需增加排数即可。2） 催化剂管及下集气管的重量是由
9、固定在炉顶钢架上的189个弹簧支架承担，上升管和输气总管的重量由几个输气管弹簧承担，因此，九排炉管及输气总管均处在弹簧支架的弹性吊挂状态。这种全部采用钢性焊接的管排在操作时因热膨胀差而产生热应力就可以大部分被这种弹簧吊挂系统所吸收。 、3） 辐射室顶部共装有200个自吸式烧嘴，炉底下烟道内都设置一个辅助烧嘴，以供给对流段热量不足。4） 脱硫后的工艺混合气预热至510由上集气管经上猪尾管通入转化炉内，气流从上向下流动，边加热边反应，转化炉管出口处温度达823，进入下集气管经上升管再加热至868，进炉顶的集气总管后再进入二段炉。燃料天然气经烧嘴燃烧后垂直向下，出辐射段温度为1025左右，经对流段，
10、最后由引风机引出，其温度为252.5） 炉管规格为112mm（外径）*71 mm（内径）*9582 mm（总长）材质为HK-40，设计温度为932，设计压力为3.4，操作时，管外壁最高温度为899，进口压力为3.6，进出口压差为0.5.传热面为1286.7，炉管热负荷为73。5MW，传热强度为55700W催化剂装载量为15.3m3，催化剂型号为C-119.规格为：上层15.9（外圆）*6.4（内圆）*6.4（高）；下层15.9 *6.4*9.5或15.9）*6.4*15.9。下集气管材质为Incoloy-800;上升管材质为Superthem（超热合金钢），规格为123*91*9536，传热面
11、为32.5.4、2 、2 Kellogg型转化炉的特点：1） Kellogg型转化炉的特点之一：是采用了竖琴式炉管结构，取消下猪尾管，一排垂直地焊接在下集气管上，而由上升管经工艺气引出炉外，炉管和上升管都置于炉内，都处于高温下工作，虽然上升管的温度稍高于转化炉管，但材料的线膨胀系数前者略小于后者，因此热膨胀相差不大所产生的热应力全由炉顶的弹簧支架承担。这一结构可节约炉管材料，提高管材料利用率，避免了炉底空气的漏入，降低了烟气含氧量，由于炉管和集气管都置于炉内，减少了热损失，对前面两种炉型讲，一段炉出来进入二段炉，温降达2030，而该炉通过上升管，反而温升30，和Topse一样，卸催化剂不方便，
12、必须从炉顶抽出。一旦损失，必须停车，将整排炉管吊出更换，为了维持正常操作，要求更苛刻，设计时必须留有更大的安全系数。2） Kellogg转化炉的特点之二：是采用小直径的转化炉管，其径内只有71mm，是目前使用的各种炉型中最小的。在此，我们讨论一下最佳化管径的选取问题，最佳化的标准是在同样的生产能力下，生产氨的成本最低。对转化炉这一局部问题来讲，应该是同样生产能力下，使生产能力下，生产氨的成本最低。对转化管这一布局问题来讲，应该是同样生产能力下，使用的转化管材最少，影响的因素较多，烃类蒸汽转化是强吸热过程。Kellogg转化炉也是顶烧炉，像I.C.I炉一样，保留了顶烧炉的一切优点。Kellogg
13、转化炉的操作空速为1800h，接近I.C.I的二倍，因此一段炉炉管阻力降大，阻力降达0.5MPa，动力损耗较大。4、3 Kellogg型转化炉结构与材料4、3、1、Kellogg型转化炉结构Kellogg型转化炉又称为排管型顶烧炉1） 炉管结构转化炉在辐射段有九段转化管，每排有一根上集气管、42根猪尾管、42根转化管、底部有一根下集气管和一根从下集气管中点通向炉顶输气管的上升管。42根转化管对称地分布于上升管两侧，每侧21根，组成转化管排结构（亦称竖琴管系），见图11-17.气体经对流段混合原料器加热到510，然后进入进气总管，再分配到九根并列的上集气管中（见图11-18）。每根上集气管则通过
14、42根挠性的入口猪尾管与42根转化管相通，组成原料气进气系统。进气总管构成尺寸很大的“门”形，以解决管系的热膨胀，因为由常温下安装到开工后加热操作，进气总管、进气支管、上集气管均有相当达的热膨胀量，这种三维空间的热膨胀势必再进气管系中引起数值很大的热应力。为了吸收这以热应力，进气总管采用六个弹簧支架支撑。进气总管尺寸为305mm，总长度为35.87m，管材为含碳0.3%的碳钢（ASTM106GrB）。九根上集气管的直径为152mm，材质与进气总管相同。每根上集气管的末端都用盲板法兰封死，必要时可以拆开检查或清理内部。每根上集气管用三个支座支撑在炉顶钢梁上（见图11-19）。考虑到上集气管热膨胀
15、量较大，三个支座中只有中间那个支座用螺栓固定死，其余两个都是活动支座。这样，受热后上集气管可以从中间支座处向两端伸长，比只向一端热膨胀移动量小。上集气管与猪尾管间采用承插管座焊接，藉以对管子开孔进行补强，管座材料为ASTMA105Gr段件。2）猪尾管采用猪尾管的目的：是用来补偿上集气管与转化管之间的热膨胀之差，因此在满足承压、耐温、阻力降的条件下，应尽可能减少猪尾管的钢度。采用猪尾管等于增加了弹簧吊架的弹簧常数。为了增加挠性，猪尾管采用薄壁合金管，并尽可能弯制成挠性好又紧凑的形状，（见图11-20）。猪尾管的规格为26.72.87mm，材质5/4Cr1/2Mo(ASTM A335GrP11)。猪尾管与转化管或上集气管的焊接接头详图见图11-21，都采用承插管座焊接，而且在尾管端头一定要空出1.5mm的间隙，作为施焊中的膨胀间隙，以防填角焊缝根部微裂。为了现场焊接时便于组对，不至由于安装或制造误差给管系带来附加的应力，猪尾管在与上集气管相焊接的一端，多预留了50mm长，以便安装时按实际需要进行切割。猪尾管采用矿渣棉单管保温。3） 转化管
