制氫裝置轉(zhuǎn)化爐簡介
一,、概述
隨著煉油廠加氫裝置的逐漸增多，所需要的氫氣也越來越多,，使得制氫裝置相應(yīng)的發(fā)展很快,。目前大型工業(yè)裝置采用的制氫方法均為烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化法,，利用的原料主要有天然氣、煉廠氣,、石腦油等輕質(zhì)烴類,。這些烴類在特定的溫度、壓力以及催化劑存在的條件下與水蒸汽發(fā)生反應(yīng),，生成氫氣及一氧化碳,。烴類化合物的水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)平衡系統(tǒng)，高分子烴類先裂解或轉(zhuǎn)化成甲烷,，*終與水蒸汽進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng),。大體上可用下列反應(yīng)式表達(dá)：
CnHm + 2H2O → Cn-1Hm-2 + CO2 + 3H2 – Q 
CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 – Q4 
CO2 + H2 = CO + H2O - Q
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),。, `3 q% k% s  i$ j0 Y' y" V
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、煙氣流動及分配,、耐火材料等各方面都必須精心考慮,。

二、爐型及結(jié)構(gòu)
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,。這種爐型的對流室均布置在輻射室旁邊,。
2)
側(cè)燒爐：這種爐型以丹麥TOPSφE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,，對流室置于輻射室頂部，大型裝置的對流室考慮到結(jié)構(gòu)及檢修等原因,，對流室經(jīng)常放置在輻射室旁邊,。
3)
梯臺爐：這種爐型以美國FOSTER WHEELER公司為代表。這種爐子的輻射室側(cè)墻呈梯臺形,，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。

2.爐型結(jié)構(gòu)比較,
2.1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,，煙氣流動方向與轉(zhuǎn)化管內(nèi)介質(zhì)流動方向相同，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，通過輻射墻對轉(zhuǎn)化管傳熱,，煙氣流動方向與管內(nèi)介質(zhì)流動方向相反,，傳熱方式錯(cuò)流傳熱,。梯臺爐的燃燒器排數(shù)比側(cè)燒爐要少，是一種改進(jìn)的錯(cuò)流傳熱,。底燒爐為逆流傳熱,。
2.2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*高。*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,。對于側(cè)燒和梯臺轉(zhuǎn)化爐，由于燃燒器均勻分布在沿管長方向的不同標(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)燒爐和梯臺爐可以允許較大的總平均管壁熱強(qiáng)度,，這樣傳熱面積會相應(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*大,，特別是爐底處爐管壁溫是所有爐型中*高，對爐管壽命十分不利,，為了控制*高管壁熱強(qiáng)度不超標(biāo),，只能選用很低的平均熱強(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,。 
2.3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,，分布在輻射室側(cè)墻，燃料配管及空氣配管較多,。) 
2.4對工況的適應(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)*激烈處能供給*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)燒爐和梯臺爐可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)沿爐管長度方向受熱的負(fù)荷,，對不同工況的適應(yīng)情況較好。
2.5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)節(jié)燃燒器有一定難度,。側(cè)燒爐和梯臺爐的燃燒器均布置在側(cè)墻，操作條件和緩,，對正常操作好處較大,。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,。

三,、轉(zhuǎn)化管系
1.轉(zhuǎn)化管系流程
中壓蒸汽與原料氣混合后進(jìn)對流室的原料預(yù)熱段預(yù)熱，然后出對流室,，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.轉(zhuǎn)化管系零件
2.1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),。 |
2.2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φ25,、φ32等規(guī)格,。
2.3轉(zhuǎn)化管5
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,。
2.4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Alloy 800H,。
2.5下集合管
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Alloy 800H,，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,。

3.轉(zhuǎn)化管系的膨脹與補(bǔ)償

由于裝置的大型化,，制氫轉(zhuǎn)化爐管路系統(tǒng)的熱膨脹問題越來越突出。大量的熱膨脹問題要通過尾管和彈簧支吊架等熱膨脹吸收元件和預(yù)留有足夠的熱膨脹空間來解決,。

3.1下集合管的膨脹
下集合管的膨脹分為分集合管的縱向膨脹和總集合管的水平膨脹,。對于每排爐管分集合管較短的情況,，分集合管和總集合管均可采用熱壁管，分集合管的縱向膨脹和總集合管的水平膨脹所形成的轉(zhuǎn)化管和集合管之間的相對位移可由下尾管吸收,。轉(zhuǎn)化管直接與下集合管相連時(shí),，下集合管的膨脹量可以通過安裝前對轉(zhuǎn)化管進(jìn)行一定的冷拉量來吸收。對于每排爐管根數(shù)較多,，分集合管較長的情況,，可以通過以下途徑解決管路系統(tǒng)的膨脹問題：
1)
采用冷壁的總集合管，分集合管的出口設(shè)在中部并通過總集合管引出,。這樣熱壁分集合管的膨脹量比從端部引出減少至原來的二分之一,。
2)
采用復(fù)合式分集合管，既將整根熱壁集合管分成若干根口徑較小的小熱壁集合管,，進(jìn)一步減少熱壁管的膨脹,，并節(jié)約高合金熱壁管的投資。
3)
采用帶尾管的全冷壁集合管,。
4)
采用不帶尾管的全冷壁集合管,。
從經(jīng)濟(jì)性來看，以上以上方案的優(yōu)劣次序?yàn)椋翰粠补艿娜浔诩瞎?，帶尾管的全冷壁集合管,，?fù)合式分集合管，冷壁總集合管熱壁分集合管,，全熱壁集合管

不帶尾管的全冷壁集合管主要用于轉(zhuǎn)化氣出口溫度大于880℃的情況,。因?yàn)樵谠摴r下，Cr20Ni32材質(zhì)的尾管的熱態(tài)許用應(yīng)力為9MPa以下,。為滿足二次應(yīng)力的強(qiáng)度要求,，在880℃以上的高溫下要求較長的尾管，為滿足一次應(yīng)力的強(qiáng)度要求,，長的尾管和低的許用應(yīng)力導(dǎo)致繁雜的甚至是無法實(shí)現(xiàn)的支撐結(jié)構(gòu),。但不帶尾管的全冷壁集合管催化劑的裝卸都得通過轉(zhuǎn)化管頂端法蘭完成，當(dāng)催化劑積碳時(shí),，從頂端真空吸出催化劑是有困難的,。當(dāng)某根轉(zhuǎn)化管發(fā)生泄露時(shí)，也無法通過同時(shí)卡死上下尾管的方式將泄露轉(zhuǎn)化管切除,。
3.2 轉(zhuǎn)化管和轉(zhuǎn)油線的膨脹
為減少轉(zhuǎn)化管底部和下集合管的位移差,，減少高合金下尾管的長度，節(jié)約投資,，轉(zhuǎn)化管一般采用底部支撐,，向上膨脹的方式。同樣為減少轉(zhuǎn)化管頂部和上集合管的位移差,，減少上尾管的長度,，轉(zhuǎn)油線也采用底部支撐,，向上膨脹的方式。與轉(zhuǎn)油線相連的上集合管則由彈簧吊架懸掛,，并隨上升的膨脹向上移動,。轉(zhuǎn)化管盡管采用底部支撐，但為減小轉(zhuǎn)化管底部的軸向壓應(yīng)力,，防止轉(zhuǎn)化管彎曲,，在轉(zhuǎn)化管頂部增設(shè)彈簧吊架。
3.3上集合管的膨脹' 

上集合管除隨轉(zhuǎn)油線向上移動以外,，還沿軸向膨脹,。轉(zhuǎn)化管向上膨脹、上集合管隨轉(zhuǎn)油線向上移動以及沿軸向膨脹所形成的轉(zhuǎn)化管與上集合管的位移差由上尾管補(bǔ)償,。

四,、對流室管系
對流室管系主要用來預(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流室管系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,。

五,、轉(zhuǎn)化爐主要工藝參數(shù)
1.1 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,。
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。
3.出口溫度
烴類蒸汽轉(zhuǎn)化是吸熱反應(yīng),，溫度增加,，反應(yīng)向正方向移動，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℃至900℃之間,。*
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℃至650℃之間,。
5.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℃至500℃之間,。
六、發(fā)展趨勢
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大概有“五高一低”,，即轉(zhuǎn)化出口溫度高、原料預(yù)熱溫度高,、原料空速高,、管壁熱強(qiáng)度高、空氣預(yù)熱溫度高,、以及水碳比低,。
應(yīng)該指出的是，轉(zhuǎn)化出口溫度的提高和管壁熱強(qiáng)度的提高是和轉(zhuǎn)化管材料的進(jìn)步分不開的,，早期爐管采用HK40時(shí),，由于材料限制，管壁平均熱強(qiáng)度只有40000W/m2,，而現(xiàn)在采用改良的爐管材料,，管壁平均熱強(qiáng)度已經(jīng)可以取到80000W/m2以上。
由于現(xiàn)在有的采用石腦油為原料的裝置配備了預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器,，將石腦油預(yù)先在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器內(nèi)轉(zhuǎn)化為甲烷,，所以轉(zhuǎn)化爐原料的預(yù)熱溫度也可以提高。由于原料中沒有了重組分,，轉(zhuǎn)化爐管的上層也不必采用抗積碳的催化劑,，原料也可以采用較低的水碳比。