煤制油天然气制氢烃类蒸汽转化炉设备操作规程

煤制油天然气制氢烧类蒸汽转化炉设备操作规程

一、简介

以煌类为原料，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煌类蒸汽转化炉。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%o

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LC.I公司和美国美孚公司进行研究，1936年英国

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。煌

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、烧类蒸汽转化概述

1.煌类蒸汽转化热力学

1.1化学反应

主要反应：

CH4+H20->C0+3H2-206288kj/kg•mol

CH4+2H20-C0+4H2-185098kj/kg•mol

CL+CO2f2c0+2压-247478kj/kg•mol

CO+H2O->CO2+H2-4H90kj/kg•mol

析碳反应：

C+2H2-74898kj/kg•mol

2C0-*C+C02+172580kj/kg•mol

C0+H2-*C+H20+131390kj/kg•mol

对于烧类混合物(包括轻油)转化时，通过换算，用下列统

式表示：

CHm+(a+b)HzC)fAco+bCC)2+(1-a-b)CH4+(3a+4b—4—m

/2)H2

1.2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，平衡甲烷含量省错，反之，

则降低。

三、烧类蒸汽转化流程

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℃

左右进入钻铝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.IMPa,经炉底分集气管和上

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450C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1000C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

1000C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。

过

重

汽

空气

原料天然气

锅炉蛤水

图11-2天然气蒸汽转化凯洛格工艺流程

1一钻铜加氢反应器；2一氧化锌脱硫罐；3—对流段；4辑射段（一段炉灯£-二段转化炉;

6一第一废蒸螭炉；7一第二废热锅炉；8一汽包；9一辅助镉炉；10一排风机；11-烟囱

流程设置中的关键设备为一段转化炉，烧类蒸汽转化反

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1000C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煌类蒸汽转化炉的要求：

（1）烧类蒸汽转化炉的工作条件比较苛刻，使用的都是

耐高温的馍铭的合金材料，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）烧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）热能利用率高。

4、2现目前世界上有代表性的I.C.I、Topse、kellogg和

FosterWheeler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*10、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1025C左右，经

对流段，最后由引风机引出，其温度为252℃.

5）炉管规格为$112mm（外径）*71mm（内径）*9582

mm（总长）材质为HK-40,设计温度为932℃,设计压力为

3.4MPa,操作时，管外壁最高温度为899℃,进口压力为

3.6MPa,进出口压差为0.5MPa.传热面为1286.7m2,

炉管热负荷为73。5MW,传热强度为55700W/itf催化剂装载

量为15.3m3,催化剂型号为C-U9.规格为：上层$15.9（外

圆）*06.4（内圆）*6.4（高）；下层$15.96.4*9.5或

§15.9）*06.4*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f123*0

91*9536,传热面为32.5rtf.

4、2、2Kellogg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20~30℃,而该炉通过上升管，反而温升30℃,

和Topsfe一样，卸催化剂不方便，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，烧类

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、3Kellogg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11T7.

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（见图每根上集气

管则通过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)o

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

（见图考虑到上集气管热膨胀量较大，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ASTMA105GrII段件。

活动支座固定支座活动支座

图11-19上集气管的支承方式

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$26.7X2.87mm,材质5/4Cr—l/2Mo(ASTM

A335GrPll)o

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。

图11-20猪尾管及其安装方位ffi11-21接头

猪尾管采用矿渣棉单管保温。

3）转化管

转化炉管由加热段和伸出段组成。处于炉膛内的加热段,

采用离心浇铸的高碳金各镇不锈钢HK40.（辐射段的竖琴管

排根据原厂记录在88年时转化管和上升管的材料已

更换为HP-Mod,下集气管的材料更换为INC0L0Y800H）

处于炉膛之外的为伸出段，材质为低铝低合金钢管C-1/2MO,

牌号为ASTMA161GrTl.要求伸出段与加热段的连接焊缝位于

炉膛之外，一般在炉顶吊砖底面以上2nm至保温层顶面之间

（见图11-20）。伸出段管子尺寸为1105X8.75mm（最小壁

厚)，长度为1.17m,管外用63.5mm厚的硅酸钙珍珠岩或石

棉进行保温。

转化管的加热段长度为9582mm,管子尺寸为f113X

21mm。内壁疏松层约有1.6mm,外壁疏松层约为0.8mm,因

此有效的密实壁厚仅为18.5mmo离心浇铸管的内、外壁均不

作机械加工。管段焊前、焊后均不需热处理。但在开焊缝坡

口时，应切去影响焊接质量的内壁疏松层。

转化管顶部法兰为高颈对焊法兰，材质为焊钢(ASTM

A105GrII)，采用金属缠绕石棉垫片。为防止入口处的法兰

和密封垫片加热。引起损坏和泄露，在法兰盲板上带有一段

用陶瓷纤维充填的隔热柱。在距离顶部法兰228mm处，焊有

二个$63mm的碳钢管支撑耳，供弹簧吊架悬吊转化管之用。

转化管下端通过锻造的Incoloy-800合金管座，与下集

气管相连。

图11-22转化管详图

4）下集气管

下集气管的作用：是将42根转化管的气体汇集起来，送

入上升管（见图它处于高温下，除承受介质压力外,

还要承受上升管与转化管、转化管与转化管之间的热膨胀之

差，以及自身向两端热膨胀引起的热应力，因此受力情况较

为恶劣。

转化管HK40

0

健形管座

/Incoloy-800

肉瓷纤维毡

二层，总厚51

陶纤维温毡

一层，厚12.5

1叼«6.35

oy-800

图11-23下集气管

过去，下集气管用HK40,由于高温时效、碳化物的严重

析出，材质变脆，不能承受操作中由于膨胀造成的弯曲应力,

曾发生过一系列事故。下集气管除要求在操作温度波动情况

下仍保持较好的塑性外，其上开孔较多，并需节能型大量焊

接，还要求材质可焊性好。根据这些要求，目前都采用延性

和焊接性能优于HK40铸材的Incoloy-800轧材来制造下集

气管，但其热强性不如HK40,故在管外采取了隔热措施（见

图11-23所示），避免烟气直接加热，使下集气管壁温不致

升高，同时避免了焊缝在炉内因接受高温热辐射的破坏。

隔热措施：是在下集气管外壁，包卷上二层厚度各为

25.4mm的陶瓷纤维保温毡，其外再卷一层12.5mm的真空成

型耐火纤维湿毯，总厚度为63.5加，湿毯搭接处涂以胶质含

硅水泥，并用20-22#软钢丝扎紧。这些保温隔热材料的比重

很轻，使因其重量引起的下集气管中的弯曲应力保持较小

值。

下集气管在制造和现场组装中焊接量很大，它与转化管

及上升管的连接均是通过锥形管座，进行对接焊，焊缝要作

X光透视及着色检查。下集气管与转化管焊接处，为了能支

撑转化管中的催化剂，不使催化剂颗粒落到下集气管中，又

能使转化反应的气体顺利通过，在下集气管上与转化管锥形

管座连接区内钻有6.35mm的小孔19个（见图11-23）,这样

对下集气管开孔削弱的程度减小，同时锥形管座也起了开孔

补强的作用，但卸催化剂得从转化管顶部用真空抽吸，较为

不便。

下集气管的外景为0141nlm,壁厚为18.3mm,下集气管总

长12.2m。两端用45mm厚的盲板封焊。

5）上升管

上升管由受热段、外伸段及带衬里和水夹套的过渡段构

成，其下端通过管座焊在下集气管上，结构如图11-24所示。

上升管的受热段处于炉膛中，它的壁温比转化管更高，

达916以上（转化管虽然接受炉内热辐射，但有进行西热反

应的气体大量带走了热）；它的直径也比转化管大，故应力

状况较转化管恶劣；一旦破裂后果也更严重。如原料（天然

气）中含氮量很低（3%-4%）时，上升管材质可与转化管一

样，采用HK40；当含氮量大于上述数值，则需提高砖温度,

上升管的温度相应也更高了。因此，目前都采用热强性更高

的材料——离心铸造的高鸨超热合金Cr265Ni35Col5W（美

国商品牌号为Supertherm）.采用这种炒热合金后，上升管受

热段壁厚减薄，由壁厚引起的温差热应力可相应减少。但它

的可焊性较差，需作焊后热处理，现场施焊很不方便，因此

宜在制造厂预先完成上升管下端与材质为Incoloy-800的管

座的焊接，只留下底部管座与下集气管之间的一道焊缝（均

为Incoloy-800）,在现场组焊。

上升管受热段尺寸为124X16.1mm（最小密实金属壁

厚）。上升管内表面应节能型机械加工，以除去内表面的疏

松层（因上升管温度较转化管高，内壁将该后对防止气体侵

蚀有利）o

由于超热合金的延展性差，对温度变化敏感，耐热冲击

的性能差，容易发生脆性开裂，所以上升管伸出炉膛的部分

---外伸段，改用了延展性较好的耐热合Incoloy-800（见

图11-24）。

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