制氫轉(zhuǎn)化爐技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

韓 健，張小筠

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

近10年來(lái)，化石能源日益短缺，原油處理重質(zhì)化趨勢(shì)顯著，尤其是重金屬和硫等有害雜質(zhì)含量顯著增加，加之日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求，煤、汽、柴油等石油產(chǎn)品正面臨全方位的升級(jí)換代。為實(shí)現(xiàn)油品輕質(zhì)化，脫硫和以提高油品質(zhì)量為目的的多種加氫工藝實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，成為近10年來(lái)煉油工業(yè)的關(guān)鍵工藝技術(shù)。

加氫工藝的原料主要是氫氣。隨著該工藝的飛速發(fā)展，氫氣的需求量也隨之大幅度增加。各煉廠的副線產(chǎn)氫和回收煉廠氣中的氫還不到氫氣供給量的1/3，遠(yuǎn)無(wú)法滿足全廠對(duì)氫氣的需求，供給缺口主要由各種類(lèi)型制氫裝置來(lái)填補(bǔ)(約占 2/3 強(qiáng))，這也使得制氫技術(shù)得到迅速發(fā)展。

目前，全球煉油廠制氫裝置主要采用輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化和部分氧化制氫技術(shù)，其中部分氧化法制氫的投資較大、產(chǎn)氫成本高、經(jīng)濟(jì)性較差，而烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化制氫投資較少、生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較高、技術(shù)成熟度高、操作相對(duì)安全穩(wěn)定，在各大煉廠中占據(jù)主要地位。

1 烴類(lèi)蒸氣制氫轉(zhuǎn)化爐

煉油廠廣泛采用烴類(lèi)水蒸氣轉(zhuǎn)化法制氫，其轉(zhuǎn)化反應(yīng)的原料基本產(chǎn)自煉廠氣、天然氣或石腦油等輕烴介質(zhì)，在較高的溫度和壓力條件下，借助催化劑與蒸氣發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳。烴類(lèi)水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)平衡過(guò)程，烴類(lèi)先轉(zhuǎn)化為甲烷，然后再與水蒸氣進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

制氫轉(zhuǎn)化爐本質(zhì)上是1臺(tái)管式反應(yīng)器，是整套裝置的核心設(shè)備。這種反應(yīng)器以轉(zhuǎn)化爐的形式顯現(xiàn)，爐內(nèi)設(shè)置裝填了催化劑的轉(zhuǎn)化爐管，在爐膛內(nèi)直接接受燃燒器火焰的輻射傳熱，以滿足轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需要的強(qiáng)吸熱及高溫等要求。原料混合氣(輕烴和水蒸氣)通過(guò)爐管內(nèi)的催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。

原料混合介質(zhì)進(jìn)轉(zhuǎn)化爐前，一般先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段預(yù)熱至500～650 ℃。轉(zhuǎn)化爐出口合成氣溫度一般為820～870 ℃。合成氣以及轉(zhuǎn)化爐煙氣的高溫余熱需通過(guò)發(fā)生蒸汽、加熱余熱鍋爐給水、預(yù)熱原料和預(yù)熱空氣等多種方式盡量回收。轉(zhuǎn)化爐燃料氣主要成分為PSA尾氣，但由于其熱值低，一般無(wú)法滿足轉(zhuǎn)化爐的反應(yīng)熱需求，仍要補(bǔ)充少量高熱值燃料氣。

由于轉(zhuǎn)化爐的爐膛操作溫度高達(dá)1 000 ℃，相較于一般煉油裝置火焰加熱爐，操作條件更為苛刻，且由于其爐型具有特殊性，在爐體結(jié)構(gòu)、爐管材質(zhì)、管道應(yīng)力系統(tǒng)、爐頂熱風(fēng)道和管道吊掛系統(tǒng)、燃燒器布置、爐膛煙氣流動(dòng)分配和耐火材料等方面都要精心考慮，特殊設(shè)計(jì)。

2 制氫爐爐型

2.1 爐型簡(jiǎn)介

制氫爐主要在輻射爐膛中進(jìn)行輻射傳熱，按其供熱方式分類(lèi)可分為以下4種。

2.1.1 頂燒爐

法國(guó)和德國(guó)多家專(zhuān)利商和工程公司【1】普遍采用頂燒爐型。該爐型采用多排轉(zhuǎn)化爐管束垂直布置在爐膛中、燃燒器布置在輻射室頂部、轉(zhuǎn)化管排在兩側(cè)的結(jié)構(gòu)，火焰垂直向下燃燒，與爐管平行，對(duì)每排轉(zhuǎn)化管束進(jìn)行雙面輻射傳熱。高溫?zé)煔庠谖挥跓煔庀掠我L(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下向下流動(dòng)，通過(guò)爐膛下部轉(zhuǎn)化爐管排之間的長(zhǎng)形煙氣隧道離開(kāi)輻射室，進(jìn)入位于輻射室底部端墻旁邊的對(duì)流室，對(duì)對(duì)流段盤(pán)管進(jìn)行對(duì)流傳熱。典型的頂燒爐結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 頂燒爐結(jié)構(gòu)示意

2.1.2 側(cè)燒爐

側(cè)燒爐【1】是另一種典型的轉(zhuǎn)化爐型。該爐型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：?jiǎn)闻呸D(zhuǎn)化管束布置在狹長(zhǎng)形輻射爐膛的中間，垂直放置；沿爐管不同高度設(shè)置多排燃燒器，布置在輻射室的側(cè)墻；火焰附墻發(fā)散燃燒，對(duì)轉(zhuǎn)化管束形成雙面輻射；煙氣上行，從位于頂部的煙道離開(kāi)輻射室。對(duì)流室多設(shè)置在輻射室頂部，直接接納高溫?zé)煔膺M(jìn)行對(duì)流傳熱。大型裝置的對(duì)流室考慮到結(jié)構(gòu)及檢修等原因，可放置在輻射室旁邊，落地?cái)[放，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)長(zhǎng)行程的高溫?zé)煹酪雽?duì)流室。典型的側(cè)燒爐結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

2.1.3 階梯爐

階梯爐的使用主要以美國(guó)多家公司【1-3】為典型代表。這種轉(zhuǎn)化爐側(cè)墻形似臺(tái)階，并且傾斜朝向爐膛中央，燃燒器布置在每層臺(tái)階上，燃燒產(chǎn)生的火焰沿附墻燃燒，依靠?jī)A斜的爐墻與爐管進(jìn)行輻射傳熱。該爐型轉(zhuǎn)化管一般為雙排或單排，以單排管雙面輻射為主。其對(duì)流段位于輻射爐膛頂部，煙氣向上流動(dòng)，通常采用自然引風(fēng)，不設(shè)置引風(fēng)機(jī)。典型的階梯爐結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。

圖2 側(cè)燒爐結(jié)構(gòu)示意

圖3 階梯爐結(jié)構(gòu)示意

2.1.4 底燒爐

該爐型燃燒器位于輻射室底部，煙氣向上流動(dòng)。其在大型裝置上應(yīng)用不多。

2.2 爐型比較

2.2.1 傳熱方式

爐型的不同使得其供熱方式存在差異。頂燒爐的燃燒器布置在爐膛頂部，火焰自爐頂垂直向下燃燒，煙氣和轉(zhuǎn)化管內(nèi)介質(zhì)垂直向下流動(dòng)，因此產(chǎn)生了并流傳熱。側(cè)燒爐和階梯爐的燃燒器設(shè)置在爐膛側(cè)墻或者貼墻的臺(tái)階上，產(chǎn)生的火焰直接附墻燃燒，形成一面大面積的輻射幕簾，對(duì)轉(zhuǎn)化管進(jìn)行輻射傳熱，其轉(zhuǎn)化管內(nèi)的介質(zhì)垂直向下流動(dòng)，而燃燒產(chǎn)生的煙氣在爐膛中垂直向上流動(dòng)，與介質(zhì)流動(dòng)方向相反，因此傳熱方式為錯(cuò)流傳熱。底燒爐的火焰燃燒方向和煙氣流動(dòng)方向均垂直向上，與轉(zhuǎn)化介質(zhì)產(chǎn)生逆流傳熱。

2.2.2 熱強(qiáng)度及管壁溫度

爐型和傳熱方式不同，其熱強(qiáng)度和管壁溫度分布也有差異。頂燒爐的燃燒區(qū)域位于輻射段頂部，該區(qū)域輻射傳熱能力非常強(qiáng)，局部熱強(qiáng)度和管壁溫度均處于高值，導(dǎo)致頂部轉(zhuǎn)化管設(shè)計(jì)壁溫較高(見(jiàn)圖4)。側(cè)燒爐和階梯爐沿著側(cè)墻垂直高度方向均勻布置數(shù)排燃燒器，產(chǎn)生了一面均勻的幕簾輻射源，對(duì)轉(zhuǎn)化管在全高度方向產(chǎn)生均勻傳熱，有效避免了長(zhǎng)度方向的管壁溫差，從而降低了設(shè)計(jì)壁溫(見(jiàn)圖5)，使轉(zhuǎn)化管設(shè)計(jì)厚度減薄，節(jié)省高合金用量；或在相同設(shè)計(jì)壁溫情況下，提高側(cè)燒爐和階梯爐的平均熱強(qiáng)度，降低傳熱面積，減少轉(zhuǎn)化管數(shù)量。而小型化底燒爐的頂部熱強(qiáng)度低，底部熱強(qiáng)度高，爐管高度方向的壁溫溫差較大，尤其是爐底處的爐管壁溫，是所有爐型中最高的，對(duì)爐管壽命十分不利，必須配置數(shù)量較多的爐管，擴(kuò)大傳熱面積，才能達(dá)到控制熱強(qiáng)度不超標(biāo)的目的，因其高合金爐管用量大，因此，大型化制氫轉(zhuǎn)化裝置均不設(shè)置底燒爐。

圖4 頂燒爐熱強(qiáng)度和管壁溫度分布

圖5 側(cè)燒爐熱強(qiáng)度和管壁溫度分布

頂燒爐輻射傳熱在爐頂處相對(duì)較多，在反應(yīng)強(qiáng)度最高處提供所需的熱量，沿轉(zhuǎn)化管高度方向的放熱曲線與反應(yīng)吸熱曲線相吻合，與轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)匹配。但其沿爐膛高度方向的溫度無(wú)法調(diào)節(jié)，在操作末期或催化劑積碳時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頂部反應(yīng)逐漸遲緩、傳熱速率變慢、介質(zhì)溫度和管壁溫度均升高，因此其設(shè)計(jì)壁溫應(yīng)考慮一定裕量。

側(cè)燒爐和階梯爐可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)沿爐管長(zhǎng)度方向受熱的負(fù)荷，對(duì)不同工況的適應(yīng)情況較好。

2.2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

上述典型的頂燒型制氫爐，通常其轉(zhuǎn)化管高度和爐膛高度很高，約達(dá)14 m，高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)路徑直接影響了爐膛輻射傳熱的均勻性、轉(zhuǎn)化爐管熱強(qiáng)度的均勻性以及管內(nèi)反應(yīng)的均勻性。尤其是大型化的轉(zhuǎn)化爐，其配套的對(duì)流段通常落地設(shè)置在輻射爐膛的一端下部。高溫?zé)煔馊绻麤](méi)有良好的流動(dòng)分配，燃燒器火焰產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈺?huì)向?qū)α鞫嗡诙藟Φ姆较騼A斜偏流，使整個(gè)爐膛溫度沿爐膛的高度和長(zhǎng)度方向分配不均勻，爐管管壁溫度不均勻性及管內(nèi)反應(yīng)不均勻性大大增加。

為了盡可能地導(dǎo)流高溫?zé)煔庋貭t管垂直方向平行流動(dòng)，頂燒爐通常在爐膛內(nèi)部設(shè)置多排高溫?zé)煔馑淼?。隧道位于爐底板之上、相鄰2排轉(zhuǎn)化管之間，高度2～4 m。隧道側(cè)墻一般采用帶有若干煙氣流通孔洞的花式側(cè)墻導(dǎo)流高溫?zé)煔?，或者采用花式?cè)墻結(jié)合煙道內(nèi)部階梯式導(dǎo)流板的方法導(dǎo)流高溫?zé)煔饩鶆虼怪毕蛳铝鲃?dòng)，防止發(fā)生偏流。

側(cè)燒爐和梯形爐的對(duì)流室一般設(shè)置在輻射段頂部，煙氣垂直向上流動(dòng)，不需要設(shè)置高溫?zé)煔馑淼馈?/p>

2.2.4 外部結(jié)構(gòu)

各爐型的外部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較如下：

1) 頂燒爐內(nèi)容納的轉(zhuǎn)化管密度較大，呈矩形布陣，結(jié)構(gòu)緊湊，占地小，適用于大型化裝置。側(cè)燒爐和階梯爐是多個(gè)單獨(dú)的輻射室并排布置，每個(gè)輻射室中轉(zhuǎn)化管呈一字形排列，在轉(zhuǎn)化管數(shù)量相同時(shí)，這2種爐型的占地面積較大。

2) 頂燒爐的燃燒器數(shù)量相對(duì)較少，全部設(shè)置在輻射爐頂，同時(shí)，入口集合管、上尾管等(包括其對(duì)應(yīng)的彈簧吊架、轉(zhuǎn)化管吊架等)也布置在爐頂，導(dǎo)致頂部管線及爐管構(gòu)件密集龐雜，工程設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。側(cè)燒爐的燃燒器數(shù)量較多，全部設(shè)置在輻射側(cè)墻，燃料管線、閥門(mén)及熱風(fēng)道等布置較多，但爐頂比較寬松。

3) 頂燒爐的所有燃燒器全部設(shè)置在輻射室頂部，所有轉(zhuǎn)化管全部從爐頂板伸出，這會(huì)造成燃燒器、轉(zhuǎn)化管拆卸法蘭以及轉(zhuǎn)化管由于熱膨脹伸出頂板脖頸部位的周?chē)h(huán)境溫度非常高，導(dǎo)致高溫區(qū)疊加，如果各高溫部件的外保溫設(shè)置不合理，其環(huán)境溫度甚至?xí)哂?0 ℃，使得檢維修條件較為惡劣；由于上尾管、燃料氣管線等占用大量爐頂空間，使得檢維修和操作人員調(diào)節(jié)燃燒器和閥門(mén)也有一定難度。側(cè)燒爐和階梯爐的燃燒器均布置在側(cè)墻，這樣可使該處產(chǎn)生的高溫與轉(zhuǎn)化管頂部的高溫環(huán)境分開(kāi)，因此，其檢維修操作條件較好，但由于燃燒器數(shù)量較多，點(diǎn)火操作時(shí)間較頂燒爐更長(zhǎng)。

3 管系

3.1 管系流程

在制氫轉(zhuǎn)化裝置流程中，反應(yīng)原料一般先經(jīng)過(guò)對(duì)流室的原料預(yù)熱段，利用輻射段出口的高溫?zé)煔膺M(jìn)行預(yù)熱，然后經(jīng)過(guò)對(duì)流轉(zhuǎn)輻射轉(zhuǎn)油線到達(dá)轉(zhuǎn)化爐頂，由爐頂閣樓處的入口集合管將原料分配至各上尾管，再經(jīng)上尾管進(jìn)入轉(zhuǎn)化管頂部，下行途經(jīng)催化劑發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)；轉(zhuǎn)化合成氣從爐管底部流出，經(jīng)下尾管進(jìn)入下集合管。下集合管將轉(zhuǎn)化合成氣輸送至轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐，利用轉(zhuǎn)化氣的高溫發(fā)生蒸汽。

某些出口操作溫度較高的制氫爐沒(méi)有下尾管，轉(zhuǎn)化管直接與下集合管相連接。

3.2 管系要件

3.2.1 轉(zhuǎn)化管

轉(zhuǎn)化管是轉(zhuǎn)化爐的核心部件，由于在爐膛內(nèi)直接被高溫火焰輻射加熱，因此必須采用耐高溫且具有抗高溫蠕變性能的高合金材料。轉(zhuǎn)化管采用離心澆鑄制造工藝，其早期的材質(zhì)主要為HK40，后來(lái)又逐漸發(fā)展為HP40Nb及加注微合金，這些年又出現(xiàn)了一系列新的改進(jìn)型鋼種，改進(jìn)的終極目標(biāo)是盡可能提高管材的高溫力學(xué)性能以適應(yīng)不斷提高的管壁溫度要求。

3.2.2 下集合管

下集合管是轉(zhuǎn)化爐的重要部件，有熱壁、冷壁和冷熱壁結(jié)合3種形式。熱壁集合管既要承受轉(zhuǎn)化氣的高溫(800～900 ℃)，又要承受轉(zhuǎn)化氣的壓力(2～4 MPa)，還需吸收高溫?zé)崤蛎洠试陂L(zhǎng)期高溫條件下容易破裂。國(guó)內(nèi)目前較少采用該形式。而冷壁集合管的內(nèi)壁采用耐高溫的襯里材料，可使外壁溫度僅處于200～300 ℃之間。該型式的集合管不僅熱膨脹量大幅減小，而且殼體材質(zhì)也可采用低合金鋼，這樣不僅可以大大延長(zhǎng)使用壽命，還可降低材料費(fèi)用的投入。國(guó)內(nèi)有代表性的是中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司開(kāi)發(fā)的直插式冷壁集合管技術(shù)和中國(guó)石化洛陽(yáng)工程公司開(kāi)發(fā)的一種烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化氣出口系統(tǒng)【4】。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 頂燒爐型的變革

目前國(guó)際上的制氫轉(zhuǎn)化爐仍以頂燒爐和側(cè)燒爐為主導(dǎo)，尤其是頂燒爐，各大專(zhuān)利商和工程公司均將其作為大型化發(fā)展方向中的基礎(chǔ)爐型。在各自開(kāi)發(fā)的頂燒型專(zhuān)利爐中，爐膛內(nèi)部無(wú)一例外均設(shè)置了煙氣流程曲折、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大(高約3 m,寬約1 m，長(zhǎng)約10 m)的砌磚煙氣隧道。雖然各專(zhuān)利爐的煙氣隧道結(jié)構(gòu)各具特色，但歸結(jié)起來(lái)都是通過(guò)隧道側(cè)墻開(kāi)孔數(shù)量的設(shè)置及形式變化，達(dá)到均勻分配爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔饬鲃?dòng)、防止發(fā)生煙氣偏流和避免爐管受熱不均勻的目的。但煙氣隧道的設(shè)置帶來(lái)了諸多工程應(yīng)用上的劣勢(shì)，如耗費(fèi)大量耐高溫的高強(qiáng)度耐火磚和預(yù)制塊；需要大量特殊加工的異型耐火磚；詳細(xì)工程圖紙異常復(fù)雜；砌磚墻、建隧道只能現(xiàn)場(chǎng)施工，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的整爐模塊化交付，增加了高溫操作條件下磚墻塌陷的風(fēng)險(xiǎn)；檢維修施工難度大等。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，高溫?zé)煔馑淼酪殉蔀楸姸囗敓D(zhuǎn)化爐專(zhuān)利商的標(biāo)準(zhǔn)配置，但至今鮮有相關(guān)報(bào)道或新發(fā)明專(zhuān)利可對(duì)其隧道進(jìn)行有效改進(jìn)乃至提供根本的解決方法。如何創(chuàng)造性地優(yōu)化甚至取消高溫?zé)煔馑淼?，同時(shí)又能保證煙氣的均勻流動(dòng)，或?qū)⑹俏磥?lái)頂燒爐型的變革發(fā)展方向。

4.2 制氫爐的大型模塊化

在運(yùn)輸條件允許的前提下，將轉(zhuǎn)化爐鋼結(jié)構(gòu)(含管系、襯里和煙氣隧道等)以最大化尺寸分割成若干片、塊或組件，在工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，有利于減少施工周期、保障機(jī)械設(shè)備加工制造精度和爐管系統(tǒng)的安裝質(zhì)量，而模塊化的最高水平是制氫轉(zhuǎn)化爐的整爐模塊化。

如前所述，國(guó)內(nèi)的制氫轉(zhuǎn)化爐仍以頂燒爐為主，其爐型方正，體量過(guò)大，運(yùn)輸條件往往超限，而模塊化制造又較為復(fù)雜，因此目前仍以現(xiàn)場(chǎng)制造施工或制造廠分片模塊化制造(見(jiàn)圖6)、現(xiàn)場(chǎng)拼裝為主，大量的管系拼接以及爐內(nèi)耐火材料仍需現(xiàn)場(chǎng)安裝。但國(guó)際上有些大型頂燒制氫爐項(xiàng)目，在滿足最大運(yùn)輸條件限制下，將頂燒爐分為若干大模塊和若干爐頂雨棚分模塊，實(shí)現(xiàn)了最大化模塊制造和運(yùn)輸(見(jiàn)圖7，來(lái)源于轉(zhuǎn)化爐供貨商ITT S.p.A.網(wǎng)站http://ittki.it/?page_id=784)。

圖6 頂燒制氫爐分片式模塊化

圖7 頂燒制氫爐大型模塊化

側(cè)燒爐由于其輻射段寬度較小，適于分段式模塊化制造(見(jiàn)圖8)，但國(guó)際上鮮見(jiàn)側(cè)燒制氫爐整爐模塊化的工程案例。歐洲某公司有整爐大型模塊化的案例(見(jiàn)圖9)，但其出口管系包含下豬尾管及出口集合管，推測(cè)現(xiàn)場(chǎng)仍需要進(jìn)行下部管系拼接以及外部鋼結(jié)構(gòu)和保溫箱等散件施工。

圖8 側(cè)燒制氫爐分段式模塊化

由中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司總承包的某制氫裝置正處于詳細(xì)工程階段，其轉(zhuǎn)化爐采用側(cè)燒爐型。此制氫裝置突破性地采用整爐模塊化技術(shù)，將運(yùn)輸條件允許范圍內(nèi)的制氫爐本體鋼結(jié)構(gòu)，入口管系，轉(zhuǎn)化管系，管系吊架，出口冷壁集合管，內(nèi)、外襯里材料，燃燒器，熱風(fēng)道等制氫爐配件全部納入整爐模塊范圍內(nèi)，在工廠預(yù)制并組裝，經(jīng)海、陸運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)土建基礎(chǔ)之上，幾乎不需要現(xiàn)場(chǎng)管系拼裝，僅有少量的鋼結(jié)構(gòu)散件、儀表和燃料管線需要現(xiàn)場(chǎng)施工，預(yù)期可實(shí)現(xiàn)更高水平的整爐模塊化。

圖9 側(cè)燒制氫爐整爐大型模塊化