煤制油天然氣制氫燒類蒸汽轉化爐設備操作規程

一、簡介

以煌類為原料，用蒸汽轉化法生產合成氨原料氣和氫

氣，在合成氨、煉油、石油化工、冶金等工業部門具有特定

的地位。煉油廠的制氫爐、甲醇廠的制氫轉化爐合成氨廠的

一段轉化爐等都屬于煌類蒸汽轉化爐。其工作原理、操作參

數和結構設計等都大致相同。所不同的是合成氨廠因有二段

轉化爐，因此其一段轉化爐的轉化率要低一些，殘余甲烷比

制氫爐高一倍左右，一段轉化爐的殘余甲烷一般是12%-15%,

而制氫爐的僅5%-7%o

就合成氨工業而言，目前世界上應有該法生產的原料氣

占其總產量的80%以上。天然氣蒸汽轉化最早由德國法本公

司，英國LC.I公司和美國美孚公司進行研究，1936年英國

建立了第一套生產裝置，1959年英國又建立了第一套石腦油

蒸汽轉化裝置，該技術得到了進一步的發展并日趨完善。煌

類蒸汽轉化制氫的路線具有工藝流程短、投資省、能量利用

合理、自控程度高、環境污染少等優點，因此，應用極為普

遍。

為多生產化肥支持農業，我國在上世紀70年代引進薄

8套以天然氣為原料的大型合成氨裝置，建于大慶、遼河、

滄州、齊魯二化、瀘天化、赤天化、云天化；80年代迄今又

引進8套以天然氣為原料的大型合成氨裝置，建于濮陽、錦

西、涪陵、合江、海南、烏石化。

二、燒類蒸汽轉化概述

1.煌類蒸汽轉化熱力學

1.1化學反應

主要反應：

CH4+H20->C0+3H2-206288kj/kg?mol

CH4+2H20-C0+4H2-185098kj/kg?mol

CL+CO2f2c0+2壓-247478kj/kg?mol

CO+H2O->CO2+H2-4H90kj/kg?mol

析碳反應：

C+2H2-74898kj/kg?mol

2C0-*C+C02+172580kj/kg?mol

C0+H2-*C+H20+131390kj/kg?mol

對于燒類混合物(包括輕油)轉化時，通過換算，用下列統

式表示：

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

/2)H2

1.2影響平衡甲烷含量的因素

根據反應式，用平衡轉移的原理進行分析。

溫度：因為是吸熱反應，溫度升高，則平衡甲烷含量降

低，反之則升高。

壓力：因為是增分子反應，壓力升高，則平衡甲烷含量

升高，反之，則降低。

水碳比：水碳比增加，相當于向系統中加入水蒸氣。平

衡向生成一氧化碳的方向移動，甲烷含量減少，反之，則升

高。

氫碳比：原料的氫碳比增加，相當于向系統加入氫氣，

則平衡向生成甲烷餓方向移動，平衡甲烷含量省錯，反之，

則降低。

三、燒類蒸汽轉化流程

1、凱洛格流程

天然氣首先被壓縮至3.6MPa,通過對流段預熱至350℃

左右進入鉆鋁反應器和氧化脫硫槽，將硫脫至小于后與中壓

蒸汽混合（水碳比為2.7-3.5）,再入對流段預熱至520℃左

右，通過上集氣管，豬尾管從輻射段頂部進入轉化爐管，在

轉化爐管內邊反應邊吸熱，當離開爐管底部時溫度達820℃,

甲烷含量為10%左右，壓力3.IMPa,經爐底分集氣管和上

升管，0.5ppm溫度升至850℃左右，出爐頂匯集子集氣總管

再入二段爐。工藝空氣壓縮至3.3-3.5MPa并混入少量蒸汽

經對流段預熱至450C后進入二段爐，與一段爐轉化氣混合、

燃燒、進一步轉化、出二段爐的溫度達1000C左右，甲烷含

量小于0.4%,二段爐出來的工藝氣經第一，第二廢熱鍋爐

溫度降至370℃以后進入變換爐。輻射段出來的煙氣溫度為

1000C左右，經對流段預熱工藝混合氣，工藝空氣，動力蒸

汽，原料氣鍋爐給水等使溫度降至240℃左右后由引風機排

入大氣。

過

重

汽

空氣

原料天然氣

鍋爐蛤水

圖11-2天然氣蒸汽轉化凱洛格工藝流程

1一鉆銅加氫反應器；2一氧化鋅脫硫罐；3—對流段；4輯射段（一段爐燈￡-二段轉化爐;

6一第一廢蒸螭爐；7一第二廢熱鍋爐；8一汽包；9一輔助鎘爐；10一排風機；11-煙囪

流程設置中的關鍵設備為一段轉化爐，燒類蒸汽轉化反

應主要在此進行，為了維持正常操作，必須使轉化反應和傳

熱相適應，在滿足工藝要求的前提下，力求降低對轉化爐管

的要求和節約高溫合金鋼的使用。就合成氨生產而言，它要

求轉化后的甲烷含量越低越好，一般不大于0.5%,如果這任

務全由一段爐來承擔，則出口溫度為1000C左右，這無疑對

爐管材料的要求太苛刻了。由于制合成氨原料氣時需要氮。

因而又引出了二段爐流程，一段爐反應所需的熱量是通過管

壁從高溫煙氣中傳入的，因此對爐管要求較高，因二段爐是

絕熱反應，高溫的或得是靠工藝氣中的氫、一氧化碳和甲烷

與空氣中的氧燃燒，不需傳熱的高合金材料，只需耐火襯里

就行了。對于制氫，就不能沒二段爐，它的操作條件也不一

樣，所得氣體中甲烷含量也遠大于0.5%,對流段的設置，一

方面是充分利用廢熱，另一方面也是減少輻射段的熱負荷，

以就可節省高溫材料。脫硫設備的設置是由于轉化催化劑的

要求。二段爐氣廢熱鍋爐的設置也是充分回收能量。

四、一段轉化爐爐型

4、1煌類蒸汽轉化爐的要求：

（1）燒類蒸汽轉化爐的工作條件比較苛刻，使用的都是

耐高溫的饃銘的合金材料，因此在爐子設計時要求合理使用

爐管及盡量降低對爐管的要求，防止局部過熱，使周向和軸

向溫度分布均勻。

（2）燒類蒸汽轉化是伴有傳熱、傳質、動量傳遞和復雜

化學反應的綜合過程，要求傳熱與反應必須相適應，對于并

行的復雜反應，能夠控制其反應的進程。設計時所選用的爐

型、原料、催化劑和操作條件是一個整體，不能亂套，我國

兩湖的氣改油工程中出現的問題就是一個教訓。

（3）力求爐子結構簡單、緊湊。

（4）熱能利用率高。

4、2現目前世界上有代表性的I.C.I、Topse、kellogg和

FosterWheeler四種爐型。現結合神華天然氣裝置，主要介

紹Kellogg型轉化爐。

4、2、1、Kellogg型轉化爐

引進的年產30*10、合成氨裝置中的轉化爐，如圖:

1）轉化爐結構尺寸為13m（長）*17m（寬）*10m（高）。

爐內裝有378根爐管、分為9排、每排42根。每排爐管下

端與一個下集氣管焊接，下集氣管外面有輕質絕熱材料保

溫，集氣管的中間又焊上一根上升管，九個上升管伸出爐頂

與集氣總管連接，集氣總管內襯耐火材料。這種爐管排列又

稱豎琴式，增加產量，只需增加排數即可。

2）催化劑管及下集氣管的重量是由固定在爐頂鋼架上

的189個彈簧支架承擔，上升管和輸氣總管的重量由幾個輸

氣管彈簧承擔，因此，九排爐管及輸氣總管均處在彈簧支架

的彈性吊掛狀態。這種全部采用鋼性焊接的管排在操作時因

熱膨脹差而產生熱應力就可以大部分被這種彈簧吊掛系統

所吸收。、

3）輻射室頂部共裝有200個自吸式燒嘴，爐底下煙道

內都設置一個輔助燒嘴，以供給對流段熱量不足。

4）脫硫后的工藝混合氣預熱至510℃由上集氣管經上

豬尾管通入轉化爐內，氣流從上向下流動，邊加熱邊反應，

轉化爐管出口處溫度達823℃,進入下集氣管經上升管再加

熱至868℃,進爐頂的集氣總管后再進入二段爐。燃料天然

氣經燒嘴燃燒后垂直向下，出輻射段溫度為1025C左右，經

對流段，最后由引風機引出，其溫度為252℃.

5）爐管規格為$112mm（外徑）*71mm（內徑）*9582

mm（總長）材質為HK-40,設計溫度為932℃,設計壓力為

3.4MPa,操作時，管外壁最高溫度為899℃,進口壓力為

3.6MPa,進出口壓差為0.5MPa.傳熱面為1286.7m2,

爐管熱負荷為73。5MW,傳熱強度為55700W/itf催化劑裝載

量為15.3m3,催化劑型號為C-U9.規格為：上層$15.9（外

圓）*06.4（內圓）*6.4（高）；下層$15.96.4*9.5或

§15.9）*06.4*15.9。下集氣管材質為Incoloy-800;上升

管材質為Superthem（超熱合金鋼），規格為f123*0

91*9536,傳熱面為32.5rtf.

4、2、2Kellogg型轉化爐的特點：

1）Kellogg型轉化爐的特點之一：是采用了豎琴式爐

管結構，取消下豬尾管，一排垂直地焊接在下集氣管上，而

由上升管經工藝氣引出爐外，爐管和上升管都置于爐內，都

處于高溫下工作，雖然上升管的溫度稍高于轉化爐管，但材

料的線膨脹系數前者略小于后者，因此熱膨脹相差不大所產

生的熱應力全由爐頂的彈簧支架承擔。這一結構可節約爐管

材料，提高管材料利用率，避免了爐底空氣的漏入，降低了

煙氣含氧量，由于爐管和集氣管都置于爐內，減少了熱損失,

對前面兩種爐型講，一段爐出來進入二段爐，

溫降達20~30℃,而該爐通過上升管，反而溫升30℃,

和Topsfe一樣，卸催化劑不方便，必須從爐頂抽出。一旦

損失，必須停車，將整排爐管吊出更換，為了維持正常操作,

要求更苛刻，設計時必須留有更大的安全系數。

2)Kellogg轉化爐的特點之二：是采用小直徑的轉化

爐管，其徑內只有71mm,是目前使用的各種爐型中最小的。

在此，我們討論一下最佳化管徑的選取問題，最佳化的標準

是在同樣的生產能力下，生產氨的成本最低。對轉化爐這一

局部問題來講，應該是同樣生產能力下，使生產能力下，生

產氨的成本最低。對轉化管這一布局問題來講，應該是同樣

生產能力下，使用的轉化管材最少，影響的因素較多，燒類

蒸汽轉化是強吸熱過程。

Kellogg轉化爐也是頂燒爐，像I.C.I爐一樣，保留了

頂燒爐的一切優點。

Kellogg轉化爐的操作空速為1800h,接近I.C.I的二

倍，因此一段爐爐管阻力降大，阻力降達0.5MPa,動力損耗

較大。

4、3Kellogg型轉化爐結構與材料

4、3、1、Kellogg型轉化爐結構

Kellogg型轉化爐又稱為排管型頂燒爐

1）爐管結構

轉化爐在輻射段有九段轉化管，每排有一根上集氣管、

42根豬尾管、42根轉化管、底部有一根下集氣管和一根從

下集氣管中點通向爐頂輸氣管的上升管。42根轉化管對稱地

分布于上升管兩側，每側21根，組成轉化管排結構（亦稱

豎琴管系），見圖11T7.

氣體經對流段混合原料器加熱到510℃,然后進入進氣總管,

再分配到九根并列的上集氣管中（見圖每根上集氣

管則通過42根撓性的入口豬尾管與42根轉化管相通，組成

原料氣進氣系統。

進氣總管構成尺寸很大的“門”形，以解決管系的熱

膨脹，因為由常溫下安裝到開工后加熱操作，進氣總管、進

氣支管、上集氣管均有相當達的熱膨脹量，這種三維空間的

熱膨脹勢必再進氣管系中引起數值很大的熱應力。為了吸收

這以熱應力，進氣總管采用六個彈簧支架支撐。進氣總管尺

寸為$305mm，總長度為35.87m,管材為含碳0.3%的碳鋼

(ASTM106GrB)o

九根上集氣管的直徑為$152mm,材質與進氣總管相同。

每根上集氣管的末端都用盲板法蘭封死，必要時可以拆開檢

查或清理內部。每根上集氣管用三個支座支撐在爐頂鋼梁上

（見圖考慮到上集氣管熱膨脹量較大，三個支座中

只有中間那個支座用螺栓固定死，其余兩個都是活動支座。

這樣，受熱后上集氣管可以從中間支座處向兩端伸長，比只

向一端熱膨脹移動量小。

上集氣管與豬尾管間采用承插管座焊接，藉以對管子開

孔進行補強，管座材料為ASTMA105GrII段件。

活動支座固定支座活動支座

圖11-19上集氣管的支承方式

2）豬尾管

采用豬尾管的目的：是用來補償上集氣管與轉化管之間

的熱膨脹之差，因此在滿足承壓、耐溫、阻力降的條件下,

應盡可能減少豬尾管的鋼度。采用豬尾管等于增加了彈簧吊

架的彈簧常數。為了增加撓性，豬尾管采用薄壁合金管，并

盡可能彎制成撓性好又緊湊的形狀，(見圖11-20)。豬尾管

的規格為$26.7X2.87mm,材質5/4Cr—l/2Mo(ASTM

A335GrPll)o

豬尾管與轉化管或上集氣管的焊接接頭詳圖見圖11-21,

都采用承插管座焊接，而且在尾管端頭一定要空出1.5mm的

間隙，作為施焊中的膨脹間隙，以防填角焊縫根部微裂。為

了現場焊接時便于組對，不至由于安裝或制造誤差給管系帶

來附加的應力，豬尾管在與上集氣管相焊接的一端，多預留

了50mm長，以便安裝時按實際需要進行切割。

圖11-20豬尾管及其安裝方位ffi11-21接頭

豬尾管采用礦渣棉單管保溫。

3）轉化管

轉化爐管由加熱段和伸出段組成。處于爐膛內的加熱段,

采用離心澆鑄的高碳金各鎮不銹鋼HK40.（輻射段的豎琴管

排根據原廠記錄在88年時轉化管和上升管的材料已

更換為HP-Mod,下集氣管的材料更換為INC0L0Y800H）

處于爐膛之外的為伸出段，材質為低鋁低合金鋼管C-1/2MO,

牌號為ASTMA161GrTl.要求伸出段與加熱段的連接焊縫位于

爐膛之外，一般在爐頂吊磚底面以上2nm至保溫層頂面之間

（見圖11-20）。伸出段管子尺寸為1105X8.75mm（最小壁

厚)，長度為1.17m,管外用63.5mm厚的硅酸鈣珍珠巖或石

棉進行保溫。

轉化管的加熱段長度為9582mm,管子尺寸為f113X

21mm。內壁疏松層約有1.6mm,外壁疏松層約為0.8mm,因

此有效的密實壁厚僅為18.5mmo離心澆鑄管的內、外壁均不

作機械加工。管段焊前、焊后均不需熱處理。但在開焊縫坡

口時，應切去影響焊接質量的內壁疏松層。

轉化管頂部法蘭為高頸對焊法蘭，材質為焊鋼(ASTM

A105GrII)，采用金屬纏繞石棉墊片。為防止入口處的法蘭

和密封墊片加熱。引起損壞和泄露，在法蘭盲板上帶有一段

用陶瓷纖維充填的隔熱柱。在距離頂部法蘭228mm處，焊有

二個$63mm的碳鋼管支撐耳，供彈簧吊架懸吊轉化管之用。

轉化管下端通過鍛造的Incoloy-800合金管座，與下集

氣管相連。

圖11-22轉化管詳圖

4）下集氣管

下集氣管的作用：是將42根轉化管的氣體匯集起來，送

入上升管（見圖它處于高溫下，除承受介質壓力外,

還要承受上升管與轉化管、轉化管與轉化管之間的熱膨脹之

差，以及自身向兩端熱膨脹引起的熱應力，因此受力情況較

為惡劣。

轉化管HK40

0

健形管座

/Incoloy-800

肉瓷纖維氈

二層，總厚51

陶纖維溫氈

一層，厚12.5

1叼?6.35

oy-800

圖11-23下集氣管

過去，下集氣管用HK40,由于高溫時效、碳化物的嚴重

析出，材質變脆，不能承受操作中由于膨脹造成的彎曲應力,

曾發生過一系列事故。下集氣管除要求在操作溫度波動情況

下仍保持較好的塑性外，其上開孔較多，并需節能型大量焊

接，還要求材質可焊性好。根據這些要求，目前都采用延性

和焊接性能優于HK40鑄材的Incoloy-800軋材來制造下集

氣管，但其熱強性不如HK40,故在管外采取了隔熱措施（見

圖11-23所示），避免煙氣直接加熱，使下集氣管壁溫不致

升高，同時避免了焊縫在爐內因接受高溫熱輻射的破壞。

隔熱措施：是在下集氣管外壁，包卷上二層厚度各為

25.4mm的陶瓷纖維保溫氈，其外再卷一層12.5mm的真空成

型耐火纖維濕毯，總厚度為63.5加，濕毯搭接處涂以膠質含

硅水泥，并用20-22#軟鋼絲扎緊。這些保溫隔熱材料的比重

很輕，使因其重量引起的下集氣管中的彎曲應力保持較小

值。

下集氣管在制造和現場組裝中焊接量很大，它與轉化管

及上升管的連接均是通過錐形管座，進行對接焊，焊縫要作

X光透視及著色檢查。下集氣管與轉化管焊接處，為了能支

撐轉化管中的催化劑，不使催化劑顆粒落到下集氣管中，又

能使轉化反應的氣體順利通過，在下集氣管上與轉化管錐形

管座連接區內鉆有6.35mm的小孔19個（見圖11-23）,這樣

對下集氣管開孔削弱的程度減小，同時錐形管座也起了開孔

補強的作用，但卸催化劑得從轉化管頂部用真空抽吸，較為

不便。

下集氣管的外景為0141nlm,壁厚為18.3mm,下集氣管總

長12.2m。兩端用45mm厚的盲板封焊。

5）上升管

上升管由受熱段、外伸段及帶襯里和水夾套的過渡段構

成，其下端通過管座焊在下集氣管上，結構如圖11-24所示。

上升管的受熱段處于爐膛中，它的壁溫比轉化管更高，

達916以上（轉化管雖然接受爐內熱輻射，但有進行西熱反

應的氣體大量帶走了熱）；它的直徑也比轉化管大，故應力

狀況較轉化管惡劣；一旦破裂后果也更嚴重。如原料（天然

氣）中含氮量很低（3%-4%）時，上升管材質可與轉化管一

樣，采用HK40；當含氮量大于上述數值，則需提高磚溫度,

上升管的溫度相應也更高了。因此，目前都采用熱強性更高

的材料——離心鑄造的高鴇超熱合金Cr265Ni35Col5W（美

國商品牌號為Supertherm）.采用這種炒熱合金后，上升管受

熱段壁厚減薄，由壁厚引起的溫差熱應力可相應減少。但它

的可焊性較差，需作焊后熱處理，現場施焊很不方便，因此

宜在制造廠預先完成上升管下端與材質為Incoloy-800的管

座的焊接，只留下底部管座與下集氣管之間的一道焊縫（均

為Incoloy-800）,在現場組焊。

上升管受熱段尺寸為124X16.1mm（最小密實金屬壁

厚）。上升管內表面應節能型機械加工，以除去內表面的疏

松層（因上升管溫度較轉化管高，內壁將該后對防止氣體侵

蝕有利）o

由于超熱合金的延展性差，對溫度變化敏感，耐熱沖擊

的性能差，容易發生脆性開裂，所以上升管伸出爐膛的部分

---外伸段，改用了延展性較好的耐熱合Incoloy-800（見

圖11-24）。

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建

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一

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