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1、制制 氢氢 炉炉 讲讲 座座- -1-1-一、概述n石化行业对氢气的需求量很大石化行业对氢气的需求量很大合成氨厂、甲醇厂等需要氢，炼油厂更需要大量的氢来改善油品品质。随着炼油加工含硫原油和重质原油比例的逐年增大，而油品需求结构又向轻质化转变，以及环保对清洁燃料的要求日渐提高，加氢装置已成为炼油厂提高产品品质，增加经济效益必不可少的加工手段。作为提供氢源的制氢装置及该装置的核心设备转化炉必将得到迅速发展。n工业氢气的生产方法很多工业氢气的生产方法很多煤或焦炭水煤气法，渣油或重油部分氧化法，烃类水蒸汽转化法，炼厂富氢气体净化分离法，电解水法等。由于轻烃蒸汽转化法工艺成熟可靠，投资低廉，操作方便，炼
2、油厂90%的制氢都采用此法。-2-n轻烃蒸汽转化制氢轻烃蒸汽转化制氢按粗氢气提纯方式分为常规法和PSA法。国内从前设计的小规模制氢都是常规法，1980年代以来设计的都是PSA法。轻烃蒸汽转化制氢的核心设备是转化炉。一则因为转化反应是在转化炉内进行的，二则转化炉的投资占全装置的2530%。n转化炉简介转化炉简介轻烃蒸汽转化炉的每一根炉管就是一个直接火焰加热的转化反应器，其炉管一般也称为转化管，管内装填有催化剂，工艺介质（烃和水蒸汽）在管内一边吸热，一边进行着复杂的化学反应。转化炉常用的炉型有顶烧炉（以I.C.I和 Kellogg为代表）、侧烧炉（Topse）和梯台炉（ Foster Wheele
3、r ）三种。-3-二、二、转化管内的化学反化管内的化学反应简介介三、转化炉主要工艺参数n残余甲烷残余甲烷残余甲烷指的是转化管出口处转化气中扣除水蒸气后的干基甲烷的含量。它是残余甲烷指的是转化管出口处转化气中扣除水蒸气后的干基甲烷的含量。它是衡量转化反应深度的重要指标。合成氨厂由于有二段转化炉，一段转化炉残衡量转化反应深度的重要指标。合成氨厂由于有二段转化炉，一段转化炉残余甲烷一般只要求余甲烷一般只要求8 81212mol%mol%。而制氢的残余甲烷一般要求而制氢的残余甲烷一般要求3 37 7mol%mol%。n温度温度因因为为烃烃类类蒸蒸汽汽转转化化反反应应是是吸吸热热反反应应，因因此此，不不
4、论论从从化化学学反反应应的的平平衡衡，还还是是从从化化学学反反应应的的速速度度来来讲讲，升升高高温温度度对对转转化化反反应应都都是是有有利利的的。温温度度升升高高的的限限制制主主要要在在于于炉炉管管材材质质的的耐耐热热性性能能，转转化化气气的的出出炉炉温温度度一一般般是是800800850850。国国外外转转化化气出炉温度有高达气出炉温度有高达915915的。的。n压力压力提高操作压力，对反应的平衡不利，残余甲烷会增加，但是在可能的条件下，提高操作压力，对反应的平衡不利，残余甲烷会增加，但是在可能的条件下，还是尽量提高操作压力还是尽量提高操作压力，因为这样会有一系列工程上的优点因为这样会有一系
5、列工程上的优点。制。制氢炉的入炉的入口口压力一般是力一般是2 23 3MPaMPa。n水碳比水碳比 制制氢炉的水碳比在炉的水碳比在3 34 4范范围内。内。n空速空速 有原料气空速、碳空速等有原料气空速、碳空速等。国内一般取国内一般取650(650(h h-1-1) ) 1000(h1000(h-1-1) )。 - -5 5- - -6-四、炉型选择四、炉型选择1.烃类蒸汽转化过程是伴有传热、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。因此，所选用的炉型、原料、催化剂和操作条件等应作为一个整体来考虑。2.制氢炉操作条件是炼油厂加热炉中最苛刻的，转化管系统使用的都是高铬镍合
6、金材料，因此应选用单排管双面辐射炉型 3.国内常用的是侧烧和顶烧两种。侧烧炉一般为双室立式炉，对流室置于两辐射室中间的上方，烟气上行，适宜于靠烟囱抽力自然通风。在两面侧墙的不同高度上布置梅花形辐射墙侧壁燃烧器。转化管布置在每个辐射室的中间。顶烧炉的辐射室为箱式结构，燃烧器布置在炉顶，一排燃烧器，一排炉管顺序布置。对流室布置在辐射室的下侧地面。烟气靠引风机抽出，炉膛负压也靠引风机形成，因此，引风机对顶烧炉是致关重要的，一般应采取一开一备。 -7-五、转化管管系五、转化管管系n制氢炉转化管管系一般采用单管型，包括转化管、上下尾管和上下集气管，见图。大型制氢炉的上、下集气管一般还分为总集气管和支集气
7、管。n转化管在炉膛内的为加热段，炉膛之外的为伸出段。管内设置有支持催化剂的伞形托架，两端设置有法兰和法兰盖，以便装卸催化剂，见图。n转化管均为内表面加工，外表面不加工的结构。内表面加工一则为去掉离心铸造的疏松层，二则便于内构件及催化剂的装卸；外表面不加工，一则因为离心铸造时外表面是致密层，二则是不平滑的表面相当于增加了传热面积，但是壁厚计算时应不包括外表面的铸造层，约0.8mm。n每根转化管都是独立的，其管心距不受弯头结构尺寸的限制。管心距增加，管子表面利用率增加，但到管心距为管径的二倍之后其利用率增加也不明显，见图。因此，制氢炉的管心距是根据结构设计在二至三倍管径之间选取。 -8-n转化管有
8、冷底和热底两种结构。冷底结构有上支撑、下支撑和上下支撑三种型式。现在常用的是下支撑上牵引结构。热底结构一般为下支撑。n尾管尾管尾管一般采用323.5或252.5的细管制成柔性结构。其作用除传送工艺介质外，主要是补偿高温下转化管和上、下集气管的热膨胀，尽可能地减少热变形应力。为了改善尾管与接头焊口处的受力状态，通常采用恒力弹簧将尾管悬吊起来。n上集气管上集气管由于工艺介质进口温度较低，上集气管直径一般较小，材质也较低。为了解决热膨胀引起的总集气管和支集气管三维位移问题，总集气管和支集气管宜采用恒力弹簧悬吊，并对支集气管采取适当的限位措施。-9- 六、下集气管和下尾管六、下集气管和下尾管2.1全热
9、壁结构全热壁结构 直连式直连式(Kellogg) 长尾管式长尾管式 短尾管短尾管+推动杆式推动杆式(Foster Wheeler) 2.2冷冷-热壁混合结构热壁混合结构分集气管为热壁，总集气管为冷壁。几乎都用长尾管式。分集气管为热壁，总集气管为冷壁。几乎都用长尾管式。2.3全冷壁结构全冷壁结构直连式直连式（德国（德国UHDE）短尾管式短尾管式（法国（法国TECHNIP） -13-七、国内全冷壁下集气管的研发七、国内全冷壁下集气管的研发近年来，烃-蒸汽转化制氢技术迅猛发展：一方面表现在规模大型化，目前单台转化炉产氢量已达120000Nm3/h；另一方面表现在操作条件越来越苛刻，转化气出炉温度目前
10、最高已达915国外早在1960年代末期就出现了全冷壁结构（德国UHDE公司），为适应大型化和苛刻的操作条件，国外一些从事制氢和合成氨的大工程公司，如Lurgi,Topsoe, Foster Wheeler等已先后采用全冷壁下集气管。但国内一直未掌握这门技术。随着国内制氢转化炉大型化和操作条件越来越苛刻的要求，开发和研制全冷壁下集气管制氢转化炉已势在必行。SEI2000年以来研发的全冷壁下集气管已在高桥和沧州先后建造和投用了三台转化炉，1.53.5年来使用良好，填补了国内在这方面的技术空白。-17-八、SEI全冷壁下集气管技术特点n直连式全冷壁结构直连式全冷壁结构转化管直接座落在冷壁下集气管上。
11、转化管下部呈套管结构，内管直接插入冷壁下集气管的内衬套内自由膨胀，并将转化气引入集气管内；内管与外管之间，以及冷壁集气管和内衬套之间填塞隔热耐火材料，以降低外壁温度；内衬套采用无支撑自动定位的承插式结构，可自动补偿高温热膨胀。见附图n滑板式炉底密封结构滑板式炉底密封结构转化管穿过炉底处采用滑板式密封结构，既防止漏风，又允许转化管适度位移，以补偿冷壁下集气管并不太大的热膨胀。 18n事故封头事故封头采用快装式事故封头，作为个别转化管破裂时的应急措施。 n催化剂吸出系统催化剂吸出系统采用包括水环式真空泵、催化剂沉淀罐和气水分离器等组成的催化剂吸出系统。以解决检修时催化剂卸出问题。 19-20-九、
12、转化管管系选材n上集气管、上尾管 P22 P5 TP321n转化管 HP40Nb HP50NbTin下尾管 Incoloy800Hn热壁下集气管 Incoloy800H,也可选用低碳的2525Cr-32Ni-Cr-32Ni-NbNb离心铸造管。 n冷壁下集气管 碳钢 16MnR 15CrMon冷壁下集气管内衬套 2525Cr-20NiCr-20Ni或Incoloy800HIncoloy800H，也可选用低碳的2525Cr-32Ni-Cr-32Ni-NbNb离心铸造管。 -21- 十、冷壁下集气管内耐火隔热材料的特点 硅迁移硅迁移 耐火隔热材料中的SiO2在高温氢气流中被还原成挥发性的SiO。而
13、在温度低于700时，SiO又被氧化成固态的SiO2。 氯离子和氟离子限制氯离子和氟离子限制 奥氏体不锈钢在应力、水和氯离子的共同作用下将会产生氯离子应力腐蚀开裂。耐火隔热材料中的氯离子和氟离子含量，应符合GB/T 17393 覆盖奥氏体不锈钢用绝热材料规范的规定。热导率增加热导率增加 耐火隔热材料由于显气孔的存在，热导率会受其工作气氛的影响。空气、氮气、二氧化碳及水蒸汽对耐火隔热材料热导率的影响都差不多，唯独氢气的影响特别显著，因此临氢作业耐火隔热材料的传热计算不能直接引用空气气氛下测定的热导率。-22-23十一、转化管管系焊接材料的选用十一、转化管管系焊接材料的选用 n同种材质的焊接应选用化
14、学成份和力学性能与母材相当的焊接材料。1.不同强度级别的低碳钢、碳锰低合金钢、铬钼耐热钢之间的异种钢焊接，宜选用与合金含量较低一侧的母材相匹配的焊接材料，并保证焊接接头的力学性能应不低于两种母材标准规定值的较低者。焊前预热温度应按淬硬倾向大的母材要求来确定。焊后热处理温度应按合金含量较高的母材确定，且不得高于合金成份较低一侧母材的下临界点。2.不同奥氏体钢的焊接，宜选用保证熔敷金属中合金元素含量不低于合金含量较低一侧母材标准规定的下限值的焊材，焊后一般不进行热处理。n奥氏体钢与铁素体钢焊接，当使用温度在450550，且焊接接头承受高应力水平时，应选用高铬镍奥氏体焊条（如A502，A507）；当使用温度高于550，且焊接接头承受较高应力水平时，应选用镍基焊接材料。焊后一般不进行热处理。n-24-十二、转化管管系的应力计算 n转化管管系的工作温度都很高，温差也很大 ，且在三维空间内位移，因此，其弹簧吊架的选取、固定和活动支座的设置，以及尾管补偿能力等均应经详细的应力计算后，方可确定。-25- 十三、其他注意事项n炉内温度场和烟气流动场的均匀性n耐火隔热材料要适应高温炉膛的要求n应充分重视炉顶的遮雨和通风n应充分重视炉顶各种设备和管道的布置n应充分重视通引风机，特别是引风机的安全运行-26-
