（化工过程机械专业论文）制氢转化炉内温度分布的模拟与炉管热应力分析.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t e 9 6 3学科分类号5 3 0 3 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 5 7密级公丌 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化t 大学 作者姓名栗小蛟学号 2 0 0 9 0 0 0 6 5 7 获学位专业名称化t 过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自选项目研究方向制氢转化炉设计与研究 论文题目制氧转化炉内温度分布的模拟与炉管热j 、v 力分析 关键词制氧转化炉，温度场，流场，热通量，c f d ，热影力分析 论文答辩日期 2 0 1 2 0 6 0 1+ 论文类型 j 澎削研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师戴凌汉高t北京化t 大学化t 过程机械 评阅人1 范德顺教授北京化t 大学化t 过程机械 评阅人2 钱才富教授北京化t 大学化t 过程机械 答辩委员会主席钱才富教授北京化t 大学化t 过程机械 答辩委员1杨卫民教授北京化t 大学聚合物力i jt ：与设备 答辩委员2江波 教授，i b ；i 化t 大学橡塑机械与设备 答辩委员3薛、r 教授北京化丁大学聚合物向u _ r i 与设备 答辩委员4 张有忱教授北京化t 大学机械设计与原理 答辩委员5 周俊良教授北京化t 大学t 业设计 聚合物微纳制造，塑料 答辩委员6张弧军教授北京化t 大学 机械 答辩委员7工华庆教授北京化t 大学故障诊断 答辩委员8 答辩委员9 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 745 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 制氢转化炉内温度分布的模拟与炉管热应力分析 摘要 制氢转化炉是天然气水蒸汽重整制氢装置的关键设备，其辐射室 内的温度场对转化管寿命和氢气产率有重要影响。本论文首先对制氢 转化炉辐射室进行传热计算，对炉管进行壁厚计算和结构设计。然后 采用c f d 软件f l u e n t 对辐射室内的温度场和转化管外壁面的温度 分布进行数值模拟，最后采用有限元软件a n s y s 对转化管进行热结 构耦合分析，另外通过对弹簧支吊架进行接触分析来校核其强度。主 要结论如下： 1 辐射室流场受燃烧器喷嘴高速射流的影响较大。喷嘴高速射流 形成回流，使烟气向中间偏流并造成远离烟道出口的高速射流更快衰 减。辐射室下部流场分布较均匀。 2 辐射室温度场分布不均匀，燃烧器下方一定范围内温度较高， 到辐射室下部烟气温度较低且分布趋于均匀。远离烟道出口的燃烧器 的火焰较短，靠近烟道出口的燃烧器火焰较长，两个燃烧器的火焰均 向中间偏斜。大量吸热使转化管周围温度梯度较大。 3 转化管外壁面热通量沿高度方向分布不均匀，呈现先增大后减 小的规律。最大热通量出现在距离炉顶1 3 炉膛总高附近。位于中间 的转化管的热通量大于两边的转化管的热通量。 4 转化管外壁面温度沿高度方向分布不均匀，呈现先增大后减小 北京化t 大学坝| - 学位论文 的规律。最大温度出现在距离炉项1 3 炉膛总高附近。位于两边的两 根转化管，温度值明显低于中间的转化管，且温度梯度很大。 5 转化管热应力远大于压力引起的应力，最大热应力出现在内 壁面上且该位置内外壁温差最大。转化管在高温下发生较大轴向热变 形，上下尾管的s 形设计避免较大应力的产生。按压力容器分析设 计法对转化管和尾管应力进行校核，能够满足强度要求。 关键词：制氢转化炉，温度场，流场，热通量，c f d ，热应力分析 i i a b s t r a c t s i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r 置 d i s t r i b u t i o ni nah y d r o g e n m a n g f u r n a c ea n dt h e r m a ls t r e s sa n a l y s i s o ft h er e f o r m e rt u b e s a b s t r a c t h y d r o g e n 。m a k i n gf u r n a c ei s t h ek e ye q u i p m e n ti nt h en a t u r a lg a s a n ds t e a mr e f o r m e rp l a n t t h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h er a d i a t i o ns e c t i o n h a sas i g n i f i c a n te f f e c to nr e f o r m e rt u b el i f ea n d h y d r o g e np r o d u c t i o nr a t e i nt h i st h e s i s ，t e m p e r a t u r ef i e l di nt h er a d i a t i o ns e c t i o na n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na tt h eo u t e rw a l lo ft h er e f o r m e rt u b ew e r es i m u l a t e d b yu s i n g c f ds o f t w a r ef l u e n t t h e nt h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n g a n a l y s i sw a s p e r f o r m e dt oe v a l u a t et h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ed e f o r m a t i o na tt h e r e f o r m e rt u b eb yu s i n gf e as o f t w a r ea n s y s f i n a l l y , t h e s t r e n g t ho ft h e s p r i n gh a n g e rw a si n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 f l o wf i e l di nt h er a d i a t i o ns e c t i o ni s a f f e c t e d l a r g e l yb y h i g h s p e e dj e to fb u r n e r sn o z z l e h i g h s p e e dj e ti n d u c e sb a c k f l o w ，w h i c h p r o d u c e sb i a sf l o wt o w a r dt h em i d d l ea n dc a u s e sh i g h s p e e dj e tf a ra w a y f r o mf l u eo u t l e td i s s i p a t ev e r yq u i c k l y f l o wf i e l di nt h eb o t t o ma r e ao f t h er a d i a t i o ns e c t i o nw a su n i f o r m 2 t e m p e r a t u r e f i e l d i nt h er a d i a t i o ns e c t i o ni s n o n u n i f o r m t e m p e r a t u r ew a sh i g hb e l o wb u r n e r s ，t e m p e r a t u r ew a sl o wa n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nb e c a m eu n i f o r ma tt h eb o t t o mo fr a d i a t i o n i i i 北京化工人学颂 j 学位论文 s e c t i o n t h ef l a m ef a ra w a yf r o mt h ef l u eo u t l e ti s l o n g e rt h a nt h a tn e a r t h ef l u eo u t l e t ，a n di sd e f l e c t e dt o w a r dt h em i d d l e t e m p e r a t u r eg r a d i e n t i sl a r g ea r o u n dt h er e f o r m e rt u b e 3 h e a tf l u xd i s t r i b u t i o no fo u t e rw a l la l o n gt h eh e i g h to fr e f o r m e r t u b ei sn o n u n i f o r m ，w i t ha ni n c r e a s ef i r s ta n dt h e nd e c r e a s em a n n e r t h e m a x i m u mh e a tf l u xi sl o c a t e da t1 3t o t a lh e i g h to ff u r n a c ec h a m b e rf r o m f u r n a c et o p t h eh e a tf l u xo fr e f o r m e rt u b ei nt h em i d d l ei s g r e a t e rt h a n t h a to nb o t hs i d e s 4 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o fo u t e rw a l l a l o n g t h e h e i g h t o f r e f o r m e rt u b ei sa l s on o n u n i f o r m ，w h i c hi n c r e a s e df i r s t a n dt h e n d e c r e a s e d t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei sl o c a t e da t 1 3t o t a lh e i g h to f f u r n a c ec h a m b e rf r o mf u r n a c et o p t h et e m p e r a t u r eo fr e f o r m e rt u b eo n b o t hs i d e si sr e m a r k a b l ys m a l l e rt h a nt h a ti nt h em i d d l e ，a n dt e m p e r a t u r e g r a d i e n to fr e f o r m e rt u b eo nb o t hs i d e si sg r e a t 5 t h em a x i m u mt h e r m a ls t r e s si sf o u n di nt h el o c a t i o nw h e r et h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sl a r g e s t t h et h e r m a ls t r e s si sm u c hl a r g e rt h a n t h es t r e s si n d u c e db yp r e s s u r e ，b u tc a nb eg r e a t l yr e d u c e di fu s i n gs - b e n d t a i lt u b e t h es t r e n g t ho fr e f o r m e rt u b ea n dt a i lt u b ec a nm e e t t h e r e q u i r e m e n t so ft h ep r e s s u r ev e s s e ls t a n d a r db a s e do nd e s i g nb ya n a l y s i s k e y w o r d s ： m a n u f a c t u r i n gh y d r o g e nr e f o r m e r ,f l o w f i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，h e a tf l u x ，c f d ，t h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n g 戳 u 泶 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 天然气水蒸汽重整制氢技术简介l 1 2 1 天然气水蒸汽重整制氢工艺简介l 1 2 2 制氢转化炉简介3 1 3 本论文的主要研究内容6 第二章制氢传热计算及炉管组件的设计7 2 i 制氢转化炉辐射室传热计算7 2 j 1 辐射室的燃料燃烧计算7 2 1 2 辐射室的热平衡汁算8 2 1 3 辐射室出 - 1 烟气温度计算12 2 2 制氢转化炉炉管的设计15 2 2 1 转化管的宝口1 叫z l 义 jl 汁与汁算l5 2 2 2 尾管的结构设计17 2 3 燃烧器与弹簧吊架的设计1 9 2 3 1 燃烧器的数量与选用19 2 3 2 弹簧支吊架选型与结构设计2 0 2 4 本章小结2 2 第三章制氢转化炉c f d 分析2 5 3 1 数值模型和汁算方法2 5 3 1 1 制氢转化炉l f i 可模犁和网格划分2 5 3 1 2 制氢转化炉数值模型2 9 3 1 3 物性设置3 5 3 1 4 边界条件和求解控制3 6 3 1 5 辐射室和转化管耦合计算方法3 7 3 2 辐射室数值模拟结果分析3 7 3 2 i 辐射室流场3 7 3 2 2 辐射室温度场4 2 3 3 转化管数值模拟结果分析4 7 北京化工大。：硕士1 7 q c r 沦义 3 3 1 外壁而热通量分布4 8 3 3 2 外肇面温度分布5 0 3 4 本章小结5 2 第四章制氢转化炉炉管和支吊架有限元分析5 5 4 1 炉管热结构耦台分析5 5 4 1 1 有限元模型5 6 4 i 2 边界条件5 8 4 1 3 求解结果分析6 0 4 2 支吊架接触分析6 3 4 2 i 有限元模型6 4 4 2 2 边界条件6 6 4 2 3 求解结果分析6 7 4 3 本章小结6 9 第五章结论与展望7 l 5 i 主要结论7 l 5 2 课题展望7l 参考文献7 3 致谓j 7 5 研究成果及发表的学术论文7 7 作者和导师简介7 9 ( ：0 n t e n t s 一 c o n t e n t s c h a p t e r1o v e r v i e w 1 1 1b a c k g r o u n do f t h es t u d y - l 1 2i n t r o d u c t i o nt ot h eh y d r o g e n m a k i n gb y r e f o r m i n gn a t u r a lg a sa n d s t e a m 1 1 2 1i n t r o d u c t i o nt ot h eh y d r o g e n m a k i n gb y r e f o r m i n gp r o c e s s l 1 2 2i n t r o d u c t i o nt ot h eh y d r o g e n m a k i n gb y r e f o r m i n gp r o c e s sf u r n a c e 3 1 3c o n t e n t so ft h es t u d y c h a p t e r 2h e a t t r a n s f e rc a l c u l a t i o nf o rt h eh y d r o g e n _ m a k i n g p r o c e s sa n dd e s i g no ft h er e f o r m e rt u b ec o m p o s i t e 7 2 1h e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o nf o rt h er a d i a t i o ns e c t i o n 2 1 1f u e lc o m b u s t i o nc a l c u l a t i o n 7 2 1 2h e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o n 8 2 1 3t e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o nf o rt h eo u t l e tf t l m e 12 一 2 2d e s i g no f t h ef u r n a c et u b e l5 2 2 is t r u c t u r a ld e s i g na n dc a l c u l a t i o no fr e f o r m e rt u b e 15 2 2 2s t r u c t u r a ld e s i g no ft a i lt u b e 17 2 3d e s i g no f t h eb u r n e r sa n dc o n s t a n ts p r i n gh a n g e r 19 2 3 1n u m b e ra n ds e i e c t i o no fb u e n e r s l 9 2 3 2s t r u c t u r a ld e s i g na n ds e l e c t i o no f c o n s t a n ts p r i n gh a n g e r 2 0 2 4s u m m a r y 2 2 c h a p t e r 3c f da n a l y s i so fh y d r o g e n m a k i n gr e f o r m i n gf u r n a c e2 5 3 1n u m e r i c a lm o d e la n dc a l c u l a t i o nm e t h o d 2 5 3 1 1g e o m e t r vm o d e la n dm e s h 2 5 3 1 2n u m e r i c a lm o d e l 2 9 3 1 3p r o p e r t i e ss e t t i n g 3 5 3 1 4b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n ds o l v i n gc o n t r o l 3 6 3 1 5c o u p l i n gc a l c u l a t i o no f t h er a d i a t i o ns e c t i o n a n dr e f o r m e rt u b e 3 7 3 2r e s u l ta n a l y s e so fr a d i a t i o ns e c t i o n 3 7 3 2 1f i o wf i e l do f t h er a d i a t i o ns e c t i o n 3 7 3 2 2t e m p e r a t u r ef i e l do f t h er a d i a t i o ns e c t i o n 4 2 3 3r e s u i ta n a l y s e so ft h er e f o r m e rt u b e 4 7 北京化工大学倾士1 化沦义 一 3 3 1o u t e rw a l lh e a tf i t i xd i s t r i b u t i o n 4 8 3 3 2o u t e rw a l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 5 0 3 4s u m m a r y 5 2 c h a p t e r4f e a o ff u r n a c et u b ea n dh a n g e r 5 5 4 1t h e r m a l - s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i so ff u r n a c et u b e 5 5 4 i 1f i n i t ee l e m e n tm o d e l 5 6 4 1 2b o u n d a r yc o n d i t i o n s 5 8 4 1 3r e s u l ta n a l y s e s 6 0 4 2c o n t a c ta n a l y s i so f h a n g e r 6 3 4 2 1f i n i t ee l e m e n tm o d e l 6 4 4 2 2b o u n d a r yc o n d i t i o n s 6 6 4 2 3r e s u l ta n a l y s e s 6 7 4 3s u n a m a r y 6 9 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n 7 1 5 1m a i nc o n c l u s i o n s 71 5 2s u g g e s t i o n s 。7i r e f e r e n c e s 7 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 5 l i s t0 fp u b l i s h e dp a p e r so r p a t e n t s 7 7 b i o g r a p h y 7 9 v 符号说明 符号说明 燃烧用天然气总量，n m 3 h 1 单个燃烧器用天然气量，n m 3 h - 1 摩尔定压热容，j k 1 - m o l o 转化管外径，r n 转化管内径，m 炉墙有效面积，m 2 由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项 由于浮力引起的湍动能的产生项 当量绝对黑面面积，m 2 转化管有效长度，m 摩尔质量，g m o l j 燃料浓度 氧化剂浓度 产物浓度 单排转化管数目 转化管排数 设计压力，m p a 最大操作压力，m p a 天然气放热量，k j 1 1 - 1 燃烧用空气2 0 时的热量，k j h 以 经预热的天然气带入的热量，k j h o 重整反应吸热量，k j h - 1 辐射室热量损失，k j h - 1 烟气带走的热量，k j h j 未反应的水蒸汽和反应产物温升的吸热量，k j h 1 天然气低位发热值，k a l h 1 转化管内物料平均温度， 转化管外壁平均温度， 辐射段出口温度，k 摩尔流量，k m o l k l 质量流量，k g h 。 口研以西凡瓯g绣三m甄甄啄 晰砌p 功9 q 9 9 q办办q珞如乃 北京化工大学硕士学位论文 仅| i c 争 岛 6 玩 九 a b t r k a s p d h s z 3 1 5 4 r l u t e k l ， 对流传热系数，k j m - 2 h - 1 j 管排黑度 炉墙黑度 火焰黑度 延伸率， 转化管厚度，m 导热系数 抗拉强度，m p a 屈服强度，m p a 湍动能对应的普朗特常数 耗散率对应的普朗特常数 雷诺时均密度，k g - m 。3 温度为8 7 3 1 5 k 时的摩尔反应热，j k 1 m o l 1 辐射段传热温度校正数，k 湍动粘度，p a s 湍流脉动衰减系数 反应速率，m o l m - 3 h - 1 x 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 氢气在工业上有着广泛的应用。目前，全球生产的氢气7 0 用于合成氨。 在石油化工的工艺过程中要用到大量的氢气，比如加氢裂化、加氢脱硫等。许多 化学产品的生产都要消耗氢气，如生产甲醇、制造润滑脂等。在新技术领域，利 用液氢来制造低温环境。环境污染、全球气候变暖受到全世界的关注，改善能源 结构，减少化石燃料的使用，大量使用氢能之类的清洁能源对解决环境问题起着 重要的作用。 工业上制取氢气的方法有多种，应用较多的方法有电解水法、水煤气法、天 然气水蒸汽重整制氢法等 2 。电解水法多采用铁作为阴极，金属镍作为阳极，通 过电解含有钾或钠的水溶液在阴极得到氢气，这种方法生产的氢气纯度大，但成 本较高。水煤气法是利用煤或焦炭在高温下与水蒸汽反应来得到水煤气，通过一 定的方法将其中的一氧化碳除去得到氢气，这种方法成本低、产量大，但涉及的 设备较多。天然气水蒸汽重整制氢工艺流程简单，成本低，操作方便，在合成氨 厂和炼油厂得到了广泛的应用。目前，约有二分之一的氢气是采用天然气水蒸汽 重整法生产的【3 j 。天然气水蒸汽重整装置使用的主要设备有钴钼加氢反应器、氧 化锌脱硫槽、制氢转化炉、一氧化碳变换炉、吸附塔等，其中制氢转化炉是关键 设备。 2 0 世纪3 0 年代天然气水蒸汽重整制氢催化剂就已研制成功，但是天然气水 蒸汽重整制氢并没有得到大规模发展。2 0 世纪5 0 年代，转化炉制氢规模只有 1 7 0 m 3 h 到1 8 0 m 3 h 。随着离心压缩机的研制成功，建设大规模的合成氨厂成为 可能，制氢转化炉相应得到大规模发展。到2 0 0 6 年，制氢转化炉的规模达到 2 3 0 0 0 0 m 3 h 【4 j 。经过几十年的发展，制氢转化炉的规模日趋大型化，使之成为整 个制氢装置中投资最大和耗能最多的设备，其运行效率和可靠性直接影响到整个 制氢过程【5 j 。 1 2 天然气水蒸汽重整制氢技术简介 1 2 1 天然气水蒸汽重整制氢工艺简介 北京化t 大学硕士学位论文 1 化学反应 天然气水蒸汽重整制氢涉及到的主要化学反应有两个，如下所示 c h 4 + h 2 0 - - - - c o + 3 h 2 a h 2 9 8 k = + 2 0 5 7 k j m o l( 1 ) c o + h 2 0 - - c 0 2 + 2 h 2a h 2 9 8 k = 41k j m o l ( 2 ) 甲烷水蒸汽重整反应属于强吸热反应，温度和压力要维持在一定范围内，必 须使用催化剂。 2 工艺流程 天然气水蒸汽重整法制氢的基本工艺流程如图1 1 所示， 图1 - 1 天然气水蒸汽重整法制氢基本工艺流程 f i g 1 - 1t h ep r o c e s so f h y d r o g e np r o d u c t i o nb yn a t u r a lg a sa n ds t e a mr e f o r m i n g ( 1 ) 原料气处理 原料气经过分离器的处理将其中的灰尘颗粒进行脱除。除尘后的原料气与循 环氢在钻害h d i ：i 氢反应器中转化为硫化氢，之后含有硫化氢的原料气经过氧化锌脱 硫槽将其中的硫化氢脱除。原料气经过除尘和脱硫处理后硫含量可达到 o 1 m g m 3 6 1 。 ( 2 ) 重整 甲烷和水蒸汽在适当温度、压力和有催化剂存在的条件下经过重整生成一氧 化碳、氢气等混合气体。催化剂一般采用镍基催化剂，为了防止催化剂因积碳严 重而中毒，在催化剂中加入微量金属元素，比如钾、钙、镁等。实际操作中采用 过量水蒸汽，通常水蒸汽和甲烷的摩尔比控制在2 7 到3 5 7 o ( 3 ) 一氧化碳变换 一氧化碳变换是使来自转化炉的生成气在放置有催化剂的变换炉中发生水 煤气反应，使一氧化碳与水进一步发生反应，一氧化碳转化成二氧化碳。变换一 般先进行高温变换，再进行低温变换，变换后的气体被送往二氧化碳脱除系统， 经脱除后的气体进入氢气提纯工艺 8 o ( 4 ) 提纯氢气 氢气提纯采用最多的方法是变压吸附法，变压吸附是使用固体吸附剂，在 一定压力下将氢气中的杂质气体进行吸附。变压吸附工艺简单，在常温下 就能进行，允许的操作压力范围较宽，涉及的装置数量较少。净化后的氢气 可以达到很高的纯度，在9 9 9 以上 9 1 。 3 工艺参数 第一章绪论 天然气水蒸汽重整制氢的主要工艺参数有温度、热通量、压力、水碳比和空 速等。实际中，增大空速有利于产量的提高，减小水碳比可使水蒸汽消耗量减少， 提高压力有利于减少压缩功，降低温度和热通量将提高转化管的使用寿命。但是， 这些要求不能得到同时满足，这些工艺参数是相互依存又相互矛盾的。 ( 1 ) 温度 升高温度可以加快反应的进行，可以提高甲烷的转化率。但是，温度升高受 到管材耐热性能的限制。温度越高对转化管材料的耐热性要求越高，研究发现， 9 7 0 。c 时转化管的使用寿命只有9 0 0 。c 时的十分之一 m 】。现在转化管的出口温度， 国内一般在8 0 0 到8 6 0 。( 2 ，国外在8 8 0 。c 左右，也有高达9 2 0 。c 的【l l 】。 ( 2 ) 热通量 从转化炉设计的角度讲，热通量在转化管轴向和周向的分布是不均匀的，若 转化炉内温度场和流动场极不均匀，就会造成最高热通量处管壁温度超过转化管 材料的最高使用允许温度，使转化管发生破坏，因此，高的热通量需要转化管材 料有很高的高温强度。从工艺设计的角度讲，要想实现高热通量，催化剂必须具 备良好的高温性能，如高活性、高抗积碳性和高机械强度等。国内转化管的平均 热强度在5 0k w m 2 到6 0k w m 2 ，国外现在己达到了9 0k w m 2 1 2 。 ( 3 ) 压力 低压一方面可以促进反应的进行，另一方面可以减少析碳，但是低压会造成 甲烷的裂解。实际操作中还是尽量提高压力，这是因为，重整反应是分子增加的 反应，提高压力可以减少压缩功；提高压力可以减少阻力降，从而允许采用较大 空速。实际中将转化炉入口压力维持在2 m p a 左右 1 3 。 ( 4 ) 水碳比 高水碳可以提高甲烷的转化率。但是，水碳比的提高使水蒸汽消耗增加，同 时水蒸汽在转化管内流动时升温吸热，造成单位时间内穿过转化管的热量增加， 加大了转化管的热负荷。在技术上允许的情况下，总是力求降低水碳比。实际生 产中，通常将水碳比控制在2 7 到3 5 1 4 。 ( 5 ) 空速 空速提高可以增加产量，允许的话尽量采用高空速。提高空速，天然气和水 蒸汽反应时间减少，出口残余甲烷量会增加。提高空速，单位时间内产生的化学 反应热将增加，造成单位时间内穿过转化管的热量增加，缩短转化管使用寿命。 国内一般将空速控制在6 5 0h 。1 到1 0 0 0h ，国外在1 3 0 0h j 到2 0 0 0h - 1 1 5 】。 1 2 2 制氢转化炉简介 最早研究天然气水蒸汽重整的公司有法本公司、美孚公司和英国i c i 公司。 北京化t 人学颂卜学位论义 1 9 3 6 年英国建立了第一套制氢装置，1 9 5 9 年英国又建立了第一套石脑油蒸汽转 化装置，天然气水蒸汽重整制氢技术得到进一步发展。国内1 9 6 5 年大庆建立了 第一套油田气蒸汽转化制氢装置，随后的二十年新建的制氢装置并不多，到2 0 世纪9 0 年代由于对油品清洁和轻质要求的提高，促使制氢转化炉大规模发展【1 6 】。 1 炉型 制氢转化炉常用的炉型主要有三种，分别是顶烧炉、侧烧炉和梯台炉。 ( 1 ) 顶烧炉 顶烧炉辐射室主要由燃烧器、转化管、烟道和炉墙组成，整体为箱体结构， 燃烧器全部布置在炉子的顶部，按一排燃烧器一排转化管交错布置，烟道位于辐 射室的底部，炉子四周围由炉墙围成。顶烧炉炉顶烟气温度最高，烟气向下流动 转化管在短时间内被加热，可以使转化管材料得到充分利用。研究发现，从顶部 往下3 0 到4 0 的转化管管壁处温度最高，局部过热造成该处最易破裂 1 7 。燃 烧器全部布置在炉顶，周向辐射较为均匀，但是轴向温度无法自由调节。顶烧炉 结构紧凑，宽度不受产量限制，适宜大型化。 ( 2 ) 侧烧炉 侧烧炉在两面侧墙上布置有燃烧器，转化管竖直布置在辐射室的中间。侧烧 炉周向传热很不均匀，转化管朝向燃烧器的一面温度高，易烧坏，而且转化管周 向温差大，引起转化管弯曲变形，影响转化管使用寿命。侧烧炉燃烧器数量多， 结构复杂，采用双辐射室，炉子较长，占地多。 ( 3 ) 梯台炉 梯台炉与侧烧炉的主要区别在于燃烧器的布置不同，梯台炉中燃烧器一般布 置成两层梯台，其他结构与侧烧炉类似。 2 管系 制氢转化炉的管系包括三部分，分别是工艺气进口管系、转化管、生成气出 口管系。 ( 1 ) 进口集气管和进口尾管 在辐射室的顶部有一根进口集气管，它的一端与工艺气供应管道连接，另一 端用封头封死。由于工艺气进口温度不是很高，进气管材质一般选用低合金钢， 进口尾管的材料通常与进口集气管相同。进口尾管做成弯曲的猪尾状，这样做的 目的是补偿进口集气管与转化管之间存在的热膨胀差，进口尾管尽量采用比较小 的刚度。整个进口管系用恒力弹簧吊架悬吊，这样既能承载整个炉管部分重量， 又能吸收转化管在工作时的热膨胀。 ( 2 ) 转化管 转化管是天然气和水蒸汽发生反应生成氢气的场所，每一根转化管就是一个 4 第一章绪论 反应器。转化管管外受高温火焰和高温烟气的直接加热，管内发生着剧烈的强吸 热反应。转化管受热会发生较大的热膨胀，由于温度场的不均匀，造成局部温度 过高，引起壁面较大的热应力，要求其材料具备足够的高温强度。二十世纪6 0 年代以前转化管采用低碳不锈钢管，6 0 年代以后采用的材料为h k 4 0 ，7 0 年代 后期采用的材料为i n 5 1 9 ，8 0 年代到9 0 年代中期采用的材料为h p 4 0 n b ，目前 使用的材料为h p 4 0 n b 加稀有元素【l8 | 。 ( 3 ) 出口集气管和出口尾管 出口集气管系分为三种，热壁集气管系、冷壁集气管系和冷热壁混合集气管 系 1 引。热壁集气管系内部没有隔热耐火材料，承受生成气的高温和比较高的压力， 高温热膨胀问题是设计的难点。冷壁集气管系出口尾管采用直管但为了吸收变形 设计了相应的结构。出口尾管设计成一端固定，一段自由的内导管，内导管被包 在过渡管内，内导管与过渡管之间填充隔热材料。出口集气管由两管套在一起， 内外套管问填充隔热材料。内导管和内套管不受压力，只受高温。外套管和过渡 管只承受生成气的压力。冷热壁混合集气管系只把出口集气管做成冷壁管，出1 2 1 尾管还是热壁，尾管设计成猪尾状以吸收变形。 3 燃烧器 燃烧器一般包括三大部分，燃料喷嘴、配风器和燃烧道。 ( 1 ) 燃料喷嘴 燃料气喷嘴可分为预混式燃料气喷嘴、外混式燃料气喷嘴、半预混式燃料气 喷嘴。预混式燃料气喷嘴优点有燃烧强度高、过剩空气量少、无化学不完全燃烧， 缺点有燃烧稳定性差易回火，结构尺寸过大。外混式燃料气喷嘴优点是燃烧稳定 性好、结构简单、燃料气压力低，缺点是燃烧强度低、火焰过长、过剩空气量大、 存在不完全燃烧。 ( 2 ) 配风器 配风器的作用是输送和分配燃烧用空气，使燃料气与空气进行充分的混合避 免燃料高温缺氧裂解产生黑烟。目前国内顶烧炉使用的强制通风式燃烧器基本采 用平流式配风器，结构形式简单。 ( 3 ) 燃烧道 燃烧道的作用主要有三个，一是为火焰根部提供给足够的热量，燃料气在燃 烧前需要升温到着火温度，火焰根部的散热会导致着火困难和燃烧不稳定，设置 燃烧道后耐火材料能蓄积热量并辐射热量，保证了燃烧所需的热量。二是燃烧道 将空气与燃料气包裹在一定空间内便于进行充分混合。三是与配风器一起提供合 理的气流形状，离开燃烧道，配风器将失去作用。 制氢转化炉选用燃烧器应满足以下要求，一是满足规定的热负荷要求，并且 北京化工火学硕卜学位论文 能尽量节约燃料；二是具有一定的调节比，燃烧过程稳定，能够连续供热；三是 火焰形态符合炉型要求；四是结构简单，操作维修方便，能满足安全和满足环保 的要求。 4 弹簧吊架 转化炉的热膨胀是设计中必须认真考虑的问题，若热膨胀引起的轴向变形受 到约束，管壁将产生很大的热应力，严重时将导致管系的破坏。为解决这一问题， 转化炉采用了弹簧吊架将管排悬吊起来。另外，使用悬吊系统后，解决了必须停 炉切除已损管件的弊端，避免频繁停车，进一步延长炉管使用寿命。 悬