制氢蒸汽转化炉的设计

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：　ＣｎＨｍ（ｇ）＋ｎＨ２Ｏ＋热量一ｎＣＯ（ｇ）＋（ｍ／２　＋ｎ）Ｈ２（ｇ）　（１）　ＣＯ（ｇ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）＝ＣＯ２（ｇ）十Ｈ２（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ＣＯ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ＣＯｚ。　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２２１℃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（ＰＳＡ）系统，一般都将　ＰＳＡ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。　

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维普资讯 http://www.cqvip.com ｌｇｇ６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ＰＳＡ系统提纯　ＰＳＡ系统在高压下效率更高。　ＰＡＳ操作的最低压力一般在１　５　２００ｐｓｉｇ，最优的操作压力是３００一　００ｐｓｉｇ，因　此，为了适应ＰＡＳ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　８５４℃，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　００ｐｓｌｇ左右。遗相当　于制氢压力大约在３５０ｐｓｉｇ．因此，许多制氢　转化炉设计压力在３５０ｐｓｉｇ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ＰＳＡ装置　压力，ＰＳＡ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　ｌ５０－－４００ｐｓｉｇ。　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７９８—　８５，１℃。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５３８℃显　著提高　因此，转化炉进口温度设计值在　５３８℃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５１０℃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５４８＂（２，超过此温度，将　影响进口管子材质。５４８＂（２以下，２．２　５Ｃｒ，１Ｍｏ　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５４８℃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 http://www.cqvip.com ＳＯ　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２００００到２３０００Ｂｍ／ｈ　ｆｔ　，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３５００到４０００Ｂｔｕ／ｈ－－ｆｔ　。　３５Ｏ００　３０Ｃ￣０　２５Ｏ０Ｏ　如Ｏｏｏ　１５０００　ｌ０ｏ００　５０００　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４０到６０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，　般认为在饪何时候部处于平衡状志。　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８５４—９０９℃，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３５／２５　ＮＩ／Ｃｒ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９６—１＿２７ｍｍ。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６．３５ｍｍ。管子较长可　以提供较长的热传输过程．可　降低烟气的　出Ｅ１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　般在１２．２－－１３．７ｍ。　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ＰＳＡ臆放气和辛卜充燃料．为了　

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