制氫轉(zhuǎn)化爐設(shè)計(jì)探討

滿曉偉

(中石化洛陽(yáng)工程有限公司 設(shè)備室,河南 洛陽(yáng)市 471003)

隨著國(guó)內(nèi)煉油裝置大型化的發(fā)展趨勢(shì)，煉油廠對(duì)氫氣的需求量增大，制氫裝置作為全廠氫氣的主要來源，而制氫轉(zhuǎn)化爐又是制氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備，它的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行對(duì)全廠的穩(wěn)定生產(chǎn)十分重要。國(guó)外擁有大型制氫轉(zhuǎn)化爐技術(shù)的公司主要有德西尼布、法液空(魯奇)、托普索和伍德等，國(guó)內(nèi)主要有LPEC和SEI等[1]。本文以國(guó)內(nèi)某煉廠制氫轉(zhuǎn)化爐為例，主要介紹一些關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)方案。

1 概述

該制氫裝置轉(zhuǎn)化原料為天然氣和水蒸汽，水碳比為3:1，轉(zhuǎn)化爐為頂燒式的方箱爐，最大工況下輻射段反應(yīng)熱為70.5 MW，燃燒器采用低Nox氣體燃燒器，主要燃料為PSA單元的脫附氣，不足部分補(bǔ)充管網(wǎng)高壓燃料氣，助燃空氣溫度高達(dá)500 ℃。輻射室轉(zhuǎn)化氣入口溫度達(dá)550 ℃，提高了催化劑的利用率，轉(zhuǎn)化氣出口溫度達(dá)870 ℃，轉(zhuǎn)化深度增加。轉(zhuǎn)化管內(nèi)徑100 mm，爐管有效傳熱長(zhǎng)度12 m，全爐共6排，每排44根，共計(jì)264根爐管。

與其他管式加熱爐不同，轉(zhuǎn)化爐的爐管內(nèi)存在劇烈的吸熱化學(xué)反應(yīng)，輻射爐管表面熱強(qiáng)度較高，達(dá)到57154 W/m2，爐管管壁最高溫度達(dá)974 ℃。

2 轉(zhuǎn)化爐管路系統(tǒng)

轉(zhuǎn)化爐管路系統(tǒng)是轉(zhuǎn)化爐的核心部分，管路系統(tǒng)的可靠性影響著整個(gè)轉(zhuǎn)化爐的安全運(yùn)行。大型管系應(yīng)力計(jì)算軟件CaesarII的應(yīng)用，為轉(zhuǎn)化爐管系的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了很大的幫助，圖1為轉(zhuǎn)化爐管系的CaesarII模型，管路系統(tǒng)可分為入口管系、轉(zhuǎn)化爐管、出口管系三部分。

圖1 轉(zhuǎn)化爐管系CaesarII模型

2.1 管系應(yīng)力校核準(zhǔn)則

壓力荷載和持續(xù)外荷載在管道上產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力。管道承受荷載所產(chǎn)生的一次應(yīng)力是非自限的，只要一次應(yīng)力值不超過管材的許用應(yīng)力即認(rèn)為是可靠的。

管道由安裝狀態(tài)過渡到運(yùn)行狀態(tài)，由于介質(zhì)的溫度變化，管道產(chǎn)生熱脹使之變形。這些變形使管道承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸和剪切等應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力。對(duì)于二次應(yīng)力，則用熱脹許用應(yīng)力范圍來判斷。

只要一次應(yīng)力不超過設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，二次應(yīng)力不超過熱脹許用應(yīng)力范圍，則認(rèn)為管系的靜力分析是合格。通常主要通過支吊架的設(shè)置來降低管系的一次應(yīng)力，利用管系所具有的柔性來補(bǔ)償管系的熱膨脹來降低二次應(yīng)力。

2.2 入口管系

入口管系主要包括轉(zhuǎn)油線、入口集合管和豬尾管，由于管內(nèi)介質(zhì)溫度高，不銹鋼管道膨脹量大。在較高的應(yīng)力作用下，入口管系應(yīng)力集中部位容易產(chǎn)生再熱裂紋，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)過多次相似事故[2-3]，入口管系的設(shè)計(jì)應(yīng)以降低一次應(yīng)力和二次應(yīng)力為主要目的。

制氫轉(zhuǎn)化爐入口管系介質(zhì)設(shè)計(jì)溫度580 ℃，設(shè)計(jì)壓力為3.3 MPa，材料選用TP321H。本次設(shè)計(jì)的入口管系采用“一分為三”的結(jié)構(gòu)，如圖二所示，由一根轉(zhuǎn)油線分出三個(gè)入口集合管，每個(gè)入口集合管則通過豬尾管與兩排爐管相連。

圖2 轉(zhuǎn)油線和入口集合管示意圖

轉(zhuǎn)油線的水平管線位于三個(gè)標(biāo)高平面內(nèi)，對(duì)流室的原料預(yù)熱段出口集合管位于EL+11180平面，向上依次在EL+13000、EL+21540平面內(nèi)。在EL+13000平面內(nèi)的轉(zhuǎn)油線上設(shè)1個(gè)可變彈簧吊架和1個(gè)滑動(dòng)支座，在EL+21540平面內(nèi)的轉(zhuǎn)油線上設(shè)6個(gè)恒力彈簧吊架，每個(gè)入口集合管設(shè)4個(gè)恒力彈簧吊架。

在轉(zhuǎn)油線的節(jié)點(diǎn)10處z向設(shè)為位移約束，限制該點(diǎn)沿z向的位移，x向設(shè)為約束間隙。分別在入口集合管中間位置處，即節(jié)點(diǎn)15、16、17處X向設(shè)位移約束，Z向設(shè)置約束間隙，使入口集合管以中間為固定點(diǎn)向兩邊膨脹；節(jié)點(diǎn)12～14、18～20設(shè)Z約束間隙，保障集合管兩端在Z向限位的情況下沿X向自由膨脹。

入口集合管與爐管通過豬尾管相連，傳統(tǒng)的豬尾管柔性較好，目的是為了補(bǔ)償集合管與爐管之間高度上的膨脹差，吸收爐管的膨脹量，由于本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)油線柔性較好，當(dāng)爐管向上膨脹時(shí)，通過豬尾管將入口集合管抬升，利用轉(zhuǎn)油線的空間走向產(chǎn)生的柔性來解決高度方向的膨脹差。另外，采用杠桿支撐來平衡豬尾管的自重，來降低豬尾管的一次應(yīng)力。

入口管系中最大的一次應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)4彎頭處，應(yīng)力比為20.3 %；最大的二次應(yīng)力位于第一個(gè)三通(節(jié)點(diǎn)8)處，許用應(yīng)力比為40.9 %，豬尾管各處的一次應(yīng)力與二次應(yīng)力比均小于15 %，入口管系都在安全許用范圍內(nèi)。

2.3 轉(zhuǎn)化爐管

通過轉(zhuǎn)化爐工藝計(jì)算軟件Reform-3計(jì)算得出，爐管管壁最高溫度為974 ℃，考慮40 ℃溫度裕量，取設(shè)計(jì)溫度為1014 ℃，設(shè)計(jì)壓力3.15 MPa，采用離心鑄造爐管，材料為25Cr35NiNbMA，按照API530標(biāo)準(zhǔn)中斷裂設(shè)計(jì)的計(jì)算公式可計(jì)算得到爐管最小密實(shí)層厚度12 mm。

催化劑從爐管上部裝卸，轉(zhuǎn)化爐管頂部未裝填催化劑的部分采用內(nèi)插式保溫塞結(jié)構(gòu)，減少上部爐管的散熱。在爐管露出爐頂?shù)牟糠?，采用LPEC軟密封專利技術(shù)的伸縮保溫套，進(jìn)一步減小散熱，減少頂部漏風(fēng)[4]。

爐管的懸吊系統(tǒng)采用滑輪組取代恒力彈簧，滑輪組主要由動(dòng)滑輪、靜滑輪、鋼絲繩以及配重組成，滑輪組與管排方向垂直，每個(gè)動(dòng)滑輪可以吊兩根爐管，每個(gè)滑輪組共有3個(gè)動(dòng)滑輪可以吊6根爐管，根據(jù)滑輪系統(tǒng)的力學(xué)特點(diǎn)，每個(gè)滑輪組對(duì)6根爐管的拉力完全相同。采用滑輪組懸吊結(jié)構(gòu)可以明顯的減少裝置投資，節(jié)約了爐頂上部空間，另外可以通過調(diào)節(jié)配重塊的數(shù)量來調(diào)節(jié)滑輪組對(duì)爐管的拉力，降低爐管對(duì)出口管系的附加力，降低出口管系的應(yīng)力水平?；喗M系統(tǒng)的缺點(diǎn)是滑輪系統(tǒng)自身存在摩擦力，特別是在爐管開始降溫時(shí)，滑輪組對(duì)爐管的拉力會(huì)突然增大，此時(shí)拉力會(huì)大于爐管的自重，因此會(huì)對(duì)出口管系產(chǎn)生額外的拉力。

2.4 出口管系

出口管系采用LPEC專利技術(shù)的冷熱壁結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，爐管通過出口直管與熱壁集合管相連，取消了傳統(tǒng)的下豬尾管，下豬尾管易發(fā)生金屬塵化腐蝕[5]，而且在下豬尾管與爐管焊縫處以及下豬尾管與冷壁集合管的焊縫處容易出現(xiàn)裂紋，在一些轉(zhuǎn)化爐改造設(shè)計(jì)中由于結(jié)構(gòu)限制仍然采用下豬尾管結(jié)構(gòu)[6]，但在新建裝置中不推薦使用帶有下豬尾管結(jié)構(gòu)的出口管系。

圖3 出口管系示意圖

如圖3所示為L(zhǎng)PEC專利結(jié)構(gòu)形式，每排轉(zhuǎn)化爐管對(duì)應(yīng)2根熱壁集合管，全爐共12根熱壁集合管，各熱壁集合管相互獨(dú)立、自由膨脹，熱壁集合管布置在爐底的保溫箱內(nèi)，降低了散熱損失。通過熱壁集合管中間的三通與冷壁集合管相連，冷壁集合管共2根，一起并入冷壁輸氣總管，冷壁輸氣總管與轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器相連。熱壁集合管與爐管以管排形式在工廠模塊化制造，減小了現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，縮短了現(xiàn)場(chǎng)施工工期，提高工作效率。

圖4 熱壁集合管示意圖

圖3給出了熱壁集合管示意圖，每根熱壁集合管的重量由四個(gè)杠桿支撐，熱壁集合管三通焊縫處是最危險(xiǎn)的區(qū)域，該結(jié)構(gòu)的一次應(yīng)力值只有3.5 MPa,應(yīng)力比為20 %左右，二次應(yīng)力值僅有1 MPa，從應(yīng)力結(jié)果上看，該結(jié)構(gòu)安全可靠。

與每排爐管對(duì)應(yīng)一根熱壁集合管的出口管系相比，在單排爐管數(shù)量相同、管心距相同的情況下，能夠降低熱壁管兩端爐管底部的水平位移，降低爐管下部出口短管的應(yīng)力水平。另外，熱壁管采用杠桿方式支撐，降低了熱壁管三通處的彎矩，改善了三通處焊縫的受力。在轉(zhuǎn)化爐升溫、降溫過程中，不會(huì)因?yàn)闊岜诠芟蛏弦苿?dòng)而導(dǎo)致支撐力的降低。

3 對(duì)流段

轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段位于地面的鋼結(jié)構(gòu)框架上，煙氣水平流動(dòng)，對(duì)流段生產(chǎn)4.1 MPa過熱蒸汽，大部分蒸汽作為轉(zhuǎn)化氣的原料，多余的蒸汽外送。沿著煙氣的流動(dòng)方向，對(duì)流段各部分依次為：原料預(yù)熱段、蒸汽過熱段、高溫空氣預(yù)熱器、產(chǎn)汽段和低溫空氣預(yù)熱器。

原料預(yù)熱段和蒸汽過熱段爐管均為光管，排管宜采用順排方式，煙氣的流向與管內(nèi)介質(zhì)的流向一致，雖然傳熱效率降低，但這樣能有效的降低管壁溫度，提高爐管使用壽命。另外，也可以在原料預(yù)熱段之前增加水保護(hù)段，來降低原料預(yù)熱段入口的煙氣溫度，以降低爐管管壁溫度。

在燃燒器能夠滿足環(huán)保排放指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能增大高溫空氣預(yù)熱器的負(fù)荷，來提高助燃空氣溫度，這樣能有效的降低燃料氣量，節(jié)約裝置運(yùn)營(yíng)成本。高溫空氣預(yù)熱器的形式可以選用不銹鋼板式或者管束式。不銹鋼板式空氣預(yù)熱器特點(diǎn)是傳熱效率高，占地面積小，但因?yàn)榕蛎浟看?，容易產(chǎn)生泄露。管束式空氣預(yù)熱器特點(diǎn)是可靠性高，管束的膨脹問題容易解決，但傳熱效率低，體積大。

產(chǎn)汽段采用翅片管強(qiáng)化會(huì)熱，產(chǎn)汽段的排管面積要足夠大，盡量降低產(chǎn)汽段煙氣出口溫度，這樣能夠降低低溫空氣預(yù)熱器的煙氣入口溫度，有助于降低最終的排煙溫度。

不同于其他的管式加熱爐，制氫轉(zhuǎn)化爐沒有煙道旁路，低溫空氣預(yù)熱器不能切出去檢修或更換，因此低溫空氣預(yù)熱器要安全可靠，宜選用碳鋼板式+鑄鐵板式空氣預(yù)熱器，相對(duì)高溫的部分采用板式預(yù)熱器能夠提高傳熱效率，降低成本，相對(duì)低溫的部分采用鑄鐵板式空氣預(yù)熱器能夠有效的提高煙氣側(cè)抗露點(diǎn)腐蝕能力，延長(zhǎng)預(yù)熱器的使用壽命，保證裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

4 其他設(shè)計(jì)方案

4.1 爐頂取風(fēng)結(jié)構(gòu)

制氫轉(zhuǎn)化爐爐頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱源較多，爐頂雨棚內(nèi)的環(huán)境溫度較高，夏季時(shí)最高可達(dá)到60℃，采用爐頂取風(fēng)結(jié)構(gòu)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可加快雨棚內(nèi)空氣流通，降低雨棚內(nèi)的環(huán)境溫度，改善車間人員的操作環(huán)境；(2)回收這部分空氣含有的熱量，節(jié)約燃料；(3)提高了空氣預(yù)熱器空氣入口溫度，從而降低了空氣預(yù)熱器最冷端金屬壁溫，降低煙氣側(cè)發(fā)生露點(diǎn)腐蝕的可能性，提高低溫空氣預(yù)熱器的壽命，保證轉(zhuǎn)化爐長(zhǎng)周期操作。

但是雨棚內(nèi)管系復(fù)雜，入口管系存在管道失效泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，轉(zhuǎn)化原料、脫附氣以及高壓燃料氣都是可燃?xì)怏w，一旦發(fā)生泄露，這些可燃?xì)怏w都會(huì)經(jīng)爐頂取風(fēng)結(jié)構(gòu)引入爐膛，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)，因此在設(shè)爐頂取風(fēng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，應(yīng)該在雨棚內(nèi)增設(shè)多個(gè)可燃?xì)怏w報(bào)警儀，一旦有可燃?xì)怏w泄漏，應(yīng)及時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖停爐，保證裝置安全。

4.2 爐膛監(jiān)控系統(tǒng)

爐膛視頻監(jiān)控系統(tǒng)是采用先進(jìn)的視覺處理技術(shù)，將爐膛內(nèi)的經(jīng)處理過的實(shí)時(shí)圖像遠(yuǎn)傳到控制室專用顯示器上，如圖5所示為爐膛視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫圖，對(duì)轉(zhuǎn)化爐管、燃燒器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)爐管出現(xiàn)紅管、亮斑、明顯變形或泄露時(shí)，車間操作人員可通過爐膛視頻監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，第一時(shí)間采取措施。

圖5 爐膛視頻監(jiān)控系統(tǒng)畫圖

5 小結(jié)

目前，6萬標(biāo)m3/h及以下規(guī)模的制氫轉(zhuǎn)化爐中，采用LPEC出口管系專利技術(shù)的裝置已接近十套，投入時(shí)間最長(zhǎng)的已經(jīng)運(yùn)行近十年，實(shí)踐證明該出口管系技術(shù)安全可靠，現(xiàn)已全面推廣應(yīng)用。

國(guó)產(chǎn)制氫轉(zhuǎn)化爐大型化是發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于LPEC專利結(jié)構(gòu)的出口管系，可通過增加每排爐管數(shù)量或增加管排的方式，來提高轉(zhuǎn)化爐裝置規(guī)模，但同時(shí)入口管系中轉(zhuǎn)油線的外徑會(huì)增大，壁厚增厚，轉(zhuǎn)油線的柔性變差，二次應(yīng)力會(huì)增大，另外，不銹鋼厚壁管道的焊接會(huì)產(chǎn)生一些問題，因此，入口管系的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)大型轉(zhuǎn)化爐國(guó)產(chǎn)化至關(guān)重要。