制氢蒸汽转化炉的设计.pdf

必须注意这些重要 因素 在进行蒸 汽转 化炉设计 时 一些参 数对 产 品产 量 原 料类 型和 具 备 的 燃料决 定后 对最优化 投资费用 至关 重 要 这些参数包 括 压 力 温度 热流量 水碳 比 催化剂种类 炉管 材质 直径 长度 厚度和 间距 烧 嘴 流体分布 余热 回收 投资 效益 在众多的制氢 蒸汽 转化方法 中投 资效 益 最佳 蒸 汽转 化炉 的主要 功能是制氢 烃 原料 气和 蒸汽 混合后 通过 填 充催 化剂 的炉 管 经 过 以下化学 反应 生成氢和二 氧化 碳 C n Hm g n H2 O 热 量 一n C O g m 2 n H2 g 1 C O g H2 O g C O2 g 十H 2 g 热量 2 式 l 为转化反应 式 2为变换反应 在热 平 衡条 件下 两个 反 应 都 产 生氢 气 并 受热 平 衡限制 该 反应 为吸热 反应 在仔细控 制炉 管 外 部燃 烧 的情况 下 火 箱 中的燃烧 向装有 催 化剂炉 管 内工 艺气传 送 热量 发 生 上述反 应 产物中 C O在下 游催 化 反应 中进 一步利 用转 化反应 几乎全部生成 氢气和 C O z 原料 蒸 汽转化 反应 的原 料 包括天 然 气 炼 厂 气 丙 烷 液 化 石 油气 和 丁烷 干 点 2 2 1 以 燃料 蒸 汽转 化炉的常用燃料是 轻组分 碳烃 化 合 物 如天 然气 和 炼 厂气 有 时 也 使 用 馏分 油 因为渣油 含有 金属 杂质对炉管 有损 害 所 以一般 不用它作燃料 大 多数制氢 厂家部有 提 纯 氢 的 变 压 吸 附 P S A 系 统 一 般 都 将 P S A 系统 驰放气 作为转 化炉 的燃 料 轻烃作 为补 充燃料 设 计 转化炉燃 烧的热量维持着工 艺气 出 口温 度 大 多数现代转化炉都是顶 烧式 在该类型 的转 化炉 中 烧 嘴置 于炉顶 朝下 喷 出火焰 工艺 气在装有催化剂 的炉 管 中流过 顶烧炉 的特 点是工 艺气和烟气流 向相 同 它 有 以下 优 点 当管 内工 艺气温度 最 低时烟 气温度 最 高 当 管内工艺气温度最高 时姻 气温度 最低 这样 整个管 长内具 备适 宜的管壁温 度 由于 这 种型 式 的转化炉 平均管 壁 温度较 低 所 以 可减少炉管 的成本 增加炉管 的寿命 煞 谨 炉 霄下降 离 图 转 化炉 温度 分布 同 向流动 的另一特 点是 随着硒气温 瘦降 低 它就 按其流动的 同一方 向下 沉 使炉 子操 作特 别 稳定 避 免 了其 它设计 中 出现 烟料气 反混 现象 因此 烟 气的 出 口温度更接近工艺 气的出rn 温度 这样就提高了转 化炉的效率 l 维普资讯 l g g 6年 第二期 这些 特点 如 图 l和 2所示 它 们显示 了 顶烧 炉的 温度和 热量方面 的优 点 管壁 的最 高 温 度 处 在 管 子 的 出 口 这 是此 种炉 型 的 一 般特 点 在炉管 出 口管 壁的 出口温度很接近 工艺气 指标 这 是因为 在管子 的 2 3处热流 量开 始下 降 因此要求工 艺 气 出 口温度达 到 指标的管壁 温度 最低 可以 降低管 壁的厚度 另外 在管子的 2 3处烟气 温度逐 渐降低 到 出 口处温度 最低 必须用加热炉提高烟气 的 出 口温度 由于燃 烧 温度 相对较 低 这就 意 味着需要的燃 料最 少 管子 一般 安装在炉顶 部 上面有顶 棚 它可以保护烧嘴进 口管和 阀 门 烟气 收 集在转 化炉底 部耐火 砖制集 气管 集 中 经地上的废热 回收 装置 回收废热后 经 烟道排人大气 废 热 回收装置 和风扇安装在 地面上 操 作维护十分方便 综合 上述 优点 工业界一致赞成顶烧 炉 下面讨论的蒸气转 化炉工艺参数 主要 针对制 氧厂 当然 其 中的 许多 参 数也 可以应用 到其 它类型 的厂家 如 合成气 氮厂和 甲醇厂 设计 上的考虑 压 力 变换反应平 衡 式 2 不受压 力 支配 而低 压则 有利于 转化反 应平衡 因此 从 整个反应平衡 来看 低压下操作是最好的 有 利于提高制氢的转化率 当然也要考虑其 它条件 例如典 型的氨厂 都有 P S A系统提纯 P S A系统在 高压下 效率 更高 P AS操 作 的 最 低 压 力 一 般 在 1 5 2 0 0 p s i g 最 优 的操作 压力是 3 0 0 一 0 0 p s i g 因 此 为 了适 应 P A S系统 转 化 炉操 作 压力 需 要作 相应调 整 另外需 要考虑是制氢所需要 的 压力 在许 多工 艺中 例如j 末油 加氢 氢气 需要 压缩 到很 高压力 在这 种情况 下 高 压下 制 氢可 以减 少压缩成本 制 氡 转 化 炉 工 艺 气 出 口 温 度 一 般 在 8 5 4 在此 温度下 考虑到 出 口管 材的限制 转化炉出 口压力控制在 4 0 0 p s l g 左 右 遗相当 于 制氢压力大约在 3 5 0 p s i g 因此 许多制氢 转化炉设计压力在 3 5 0 p s ig 左右 虽然这样会 降低转 化率 但是对整个 厂的效益是 有和的 相 反 如 果氢 的 出 口压力要 求低 于 P S A装置 压力 P S A 系统 压 力就是 最 低压 力运 行 因 此 对 于 制 氢 厂 来 说 转 化 炉 出 口 压 力 在 l 50 4 00 p s i g 出 口温度 高 温 对 转 化 反应 平 衡有 利 转 化 炉 工 艺 气 出 口温 度 一 般 在 7 9 8 8 5 1 低温会降低转 他率 高温则增 加管材 要 求 管壁厚度和 燃料消耗 进 口温度 转化 反应速率 在 5 3 8 显 著提 高 因 此 转 化 炉 进 口 温 度 设 计 值 在 5 3 8 左 右 般 在废热 回收装置 由热废 预热 转 化炉原料气 来实 现 转 化炉进 口温度高 减 少了 吸热 负荷 因此 减 少 了炉管 数 目 减 小 了炉 子尺寸 降低 了燃料消耗 同时 它也降 低了废热 回收系统的蒸汽 产量 如 果蒸 汽价格 比燃 料 价格高 那 么降低 转化 炉进 口温 度 使废 热 回收系统 的产汽量 最大 可 能是 经济的 在一般 情况下 最佳进 口 温 度 在 5 1 0 左 右 这 既 可 以使蒸 汽 产 量昂 高 也 使转 化炉尺寸 最 小 如果 蒸 汽 价格不 高 最 佳进 口 温度 在 5 4 8 2 超过 此 温度 将 影响进 口管子 材质 5 4 8 2 以下 2 2 5 C r 1 Mo 材料 所制 管子可 以满足要 求 在更 高度温下 通常使用不 锈钢 但是 由于氯的腐 蚀性 一 般认为 不能用于转化炉 因为原料蒸 汽可能 含有汽包带出来的含氯水滴 因康合金可以 进一步 提高材质 防止氯腐 蚀 但是 价格限制 了使用 由于 这些 原因 转化炉进 口最 高温度 应该 在 5 4 8 左右 水碳 比 烃 原料必须含有一 定的蒸汽 以避 免在催化 剂上积炭 水碳 比就是 蒸汽和 永 的 比例 关系 它决定 了水蒸 汽和烃 中的碳 原子 的摩 尔 比 水碳 比一般设计为 3 0左右 也 有低 于 3 0的 但 是操 作不 正常 时水 碳 比 可 能进一步 降低 潜在着积炭的风险 原料成份越 重越容 易积炭 碱性 催化剂 可 以抑制积 炭 只有选择适当的催化剂 水碳 比才能 在 3 0 否则 承碳 比要高一些 传热率 它的定义是单位对 问单 位炉 维普资讯 S O 石化译文 管内表 面积所吸收 的热 量 在一定的热 负荷 情况下 传 热量决定于炉 管 的表 面积 传热量 低使催化荆量增大 管壁温 度降 低 这样有 以 下优 点 催化剂体 积增大 提 高 了转化 率 管 壁温度低 可 以降低管壁 的厚度 因此降低 了 投资 延长炉管寿命 管壁温度低 可以降低 燃料 消耗 传热速 率高有 不利 因 紊 但是 它 的优点 是可 以减少 炉管 的数 量 权 衡这些 园素 商业 上制 氢厂 的传热速率从 2 0 0 0 0到 2 3 0 0 0 B m h f t 这 是整个炉 膛传热速率 的平 均值 如图 2所示 在放热 量最大 的 区域传 热速 率最 高 然后沿暂子 出口方 向逐渐降 低 传热速率最 高 点一般在 3 5 0 0到 4 0 0 0 B t u h f t 3 5 O 0 0 3 0 C 0 2 5 O 0 O 如 O o o 1 5 0 0 0 l 0 o 0 0 5 0 0 0 0 l l I l I I I I l l l f f f 一 l I j I l l l l 卜 l l l l 护皆 下裤 距 离 图 2 转化炉传热率分布 压降 转 化炉 的压力降主要决定于炉 管 的数 量 炉管的直径和催 化剂 的选择 典型 的设 计是 整个炉子 的压 力降从 4 0到 6 0帕的 范围 内 催化 荆 转化催化荆一般制成环型或 改进后 的环型 改进 后的 环 型催化 剂在 同样 压力下具有更高 的表 面积 更高 的活性 但是 价格 也要 高一些 转化 催 化剂的主要成份是 镩 对子组分较重的原辩 必须使用碱性助摧 化荆 防止积炭 当传热速率 较高时 必须使用 改进形状 的催化荆 维持转 化反应的转化率 转化率一般按接近平 衡计算 一般设计 值靠近平衡值为 7 C 也就是转化反应式 l 达到平衡 时的温度 比实际平 衡温度低一7 C 这 是典 型 的催化 荆寿命 的 条件 新鲜 催 化剂 在平衡 温 度下 反应 也就 是 转化反 应 在反应 平 衡 温度 变换 反应 方 程 式 2 速度很 快 一 般 认为在 饪何 时候 部处 于平 衡状志 一 般 催化剂寿命 为 4至 5年 如果 要 延 长催化剂 的寿命 必须选 择 与 设计 值相 一致 的热流量和 压力降 对 于较高热 流量的转化 炉 可以装填 两种催化剂 炉管上半部 装填高 活性催 化剂 防止高 热 区积炭 炉 管下 半 部可 以装 填常规的 比较 便宜 的催 化剂 催化剂的 压力降也是 一个重要 的因素 令 人高兴 的是 改进后 的环型催化剂在 同样的压力降 可 以获 得更高 的活性 如果 要显 著地 提高催 化剂的 活性 就必须提高 压力降 炉管 转化炉管一 般运行 的昂高温废 在 8 5 4 9 0 9 设 计运行 的寿 命 最低 十万小 时 选择材质为经过铌和微 量元 素 包 括钛和 锆 改性 的 3 5 2 5 N I C r 合金 较小直径 的炉 管 有利于 管 内热传输 管 壁温度较 低 因此可 降低管 壁的厚度 降低管 子 的成本 增 加炉管 的寿命 降低燃料 的消耗 然而管子 的数 目要 增 加 压力降 也提 高了 综 台考虑 这些 困索 炉管 内径 最好在 9 6 1 2 7 mm 由于开 停车及 操作 不正常时管 壁较薄则 受到热流 量的 冲击 较 小 因此寿命增加 了 在满足强 度要 求的条 件 下 应该 尽量减少管壁 的厚度 在 许多的实 际应用 中 最 薄处 只有 6 3 5 m m 管子较 长可 以提 供较 长 的热传输过 程 可 降低 烟气 的 出 E 1 温度 节 约燃料 长管 也可 以减少管 子的 数量 然而 管子 的压降增高 丁 最佳 的管长 一 般 在 1 2 2 1 3 7 m 增 加管子的 问距可 以减少管子相 互屏蔽 效 应 降低管子的 环向温度 差 相对于 间距较 短的炉管 这是一个 显著的 改善 但是管 距也 不能太短 如果管距太 短 必须改正 以免法兰 重叠 最佳管距一般是两到三 倍管 径的距 离 管 排之间 的间隙必须充足 防止烧唏 的火焰 舔 到 炉 管 一 般 问距 是 1 8 2 m 烧嘴 烧 嘴装在 管 排 之问 增 加 烧嘴 的数量可 以减 少每个烧唏 所释放 的热 量 可 以减 小烧 唏火焰 的直径 降低管排 的何距 设 计 和实践证 明炉管与烧 唏 的 比莉在 2到 2 5 比较 好 绝大 多 数的制氢 厂的烧 嘴 可 以燃烧 混合燃抖 耶 P S A臆放气和辛 卜 充燃料 为 了 醉壤孥 维普资讯 i 9 9 6年 第二期 5 1 适应现 代环 境保护 的需要 可 以使用 低 NO x 烧 嘴 在一 些烧嘴设 计 中 为 了减少天 燃 气的 使用 加入了施放气 也降低了火焰的温度和 N o x的 排 放 使 用 设计 完 善 的烧 嘴 可 以 使 N O 的排 放 水平 低 至 O 0 3 i b m r L B T U 低 温 位热量的放 空也 比预期值 低 蝈 气 出 口梳 量 图 3 转他 炉烟 道 气流 量 流量 分布 获得 最佳 的汽 量分布 对 于 所有 的蒸汽转 化炉 都是非 常重 要的 流 至 管道和 烧 嘴的流量差距不 能超 过 2 5 另 外 炉管 壁的 温度 也要 一致 要特别注 意 P S A 施放气 因为它到烧嘴 处的压力 只有 3帕 如 果 使用 预热 燃烧空 气就要更 加 注意 因为 不 同气体 通 过烧 嘴的压 差不 能超 过 2 mmH O 为了保证 获 得最佳 的气体 分布 管道 应该 对 称 应该详 细地计 算和分析压力降 设 计合理 的烟道 气 烟 道是 非常重要的 烟 道是 耐火砖 砌 成 的长方 形结构 设备 安装 在转化 炉 的底 部 沿翅道底部选择性地抽出耐火砖 形成烟 道气 出E 1 再水平抽 出烟道 气 这 些开 E 1 必须 设计合 理 使 炉膛进 入 烟道 的 气体 流 量分 布 必须均 匀 因此要进 行 详 细的 流体 计 算和分 析 图 3是烟道 开 口流量的设计 值和实 际流 量的 比较 热回收 烟 道气 在炉膛 出 口的温 度为 9 6 5 一 l 0 2 0 没 有废热 回收 装置 回收这些 热 量 一般废 热 回收系 统包括转 化炉 原料预 热 盘 管 蒸汽过 热管 如果使 用的话 副产蒸 汽 盘 管和 锅炉水预热 盘管 如果 使用预热 空气 那 幺它就 替代了锅 炉给水 预热盘管 烟 道气 在 废 热回 收盘 管 的 出 口温 度大 约 j 4 9 热 损 失为热 负荷 的 3 整个转 化炉 热效 率 辐 射 热加废 热回收 9 l 蒸 汽也 可以 由腹 热 锅炉 产 生 它 取 出转 化炉 出口工 艺气的 热量 废热 锅护 和废 热 回 收单 元常 常共用 一 个汽 包 产 生蒸 气 的 压力 必 须 满足转 化炉连 口要 求 一般 要 高 于制 氢 产品压力 l 0 0 1 5 0帕 这 取决 于 各厂的 压力 降 通常压 力稍高 比较合理 在工 艺 上转化 产 生 5 0 0帕 的蒸气是 不成 问题 的 摘译 自 烃加工 1 9 9 4年第 7期 上接第 l页 冷凝作用 因此 我们更愿意用塔炯分析 图而 不是 塔 的 温一 焓 曲线来分析