合成氨装置变换炉设计探讨

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2、&T6W合成氨装置变换炉设计探讨摘要：变换炉为合成氨装置中变换单元的关键设备。本文针对变换炉入口介质的特性及操作条件，对变换炉的选材和结构型式进行了分析、对比，并结合实例对变换炉的设计、制造、检验等进行了较为详细的描述，对此类变换炉的设计、制造具有指导意义。关键词：变换炉轴径向轴向腐蚀氢腐蚀前言氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业用氮肥、冷冻剂和化工原料的生产都是以氨为主要原料的。氨主要由氢和氮在高温高压和催化剂的作用下通过合成氨的方法

3、制取。以煤为原料的合成氨工艺由煤气化、净化和氨合成三部分组成，煤气化得到的粗煤气经由净化单元，通过变换、脱硫脱碳和精制过程得到纯净且比例合适的合成气后进入合成单元生成氨。变换反应在变换炉内进行，其作用是将粗煤气中的与水蒸气通过化学反应，生成和，其中的在合成单元与合成氨。其反应方程式为：（1）此反应为一放热且可逆反应，由反应方程式可以看出，温度越高，变换反应的速度越快；但温度越高，的反应完全程度就越低。因此，为了既保证变换的速度又能将反应较完全，变换反应通常采用三段式变换，即由预变换、中温变换和低温变换

4、组成。由煤气化而来的粗煤气含有较多的杂质气体和少量的固体颗粒，可能会在变换反应中引起催化剂的中毒，使催化剂丧失活性。预变换的目的就是除去粗煤气中的杂质气体和固体颗粒并进行适度的变换反应。接下来为了提高变换反应的速度，通常采用中温变换。为了使变换反应更完全，降低合成气中的含量，生成更多的，在中温变换后，通常再进行低温变换。变换反应的流程图如图1所示。1.介质特点变换反应的特点是高温高压，煤经由煤气化得到粗煤气，粗煤气中除了含有、、外，还含有少量的、等杂质气体。其中的在有水存在的情况下会发生硫化氢应力腐蚀

5、，而则容易引起氢腐蚀。1.1硫化氢腐蚀机理湿环境中腐蚀产生的氢原子渗入钢的内部固溶于晶格中，使钢的脆性增加，在外加拉应力或残余应力作用下形成的开裂，叫做硫化氢应力腐蚀。硫化图1变换反应流程氢应力腐蚀开裂通常发生在中高强度钢中或焊缝及其热影响区等硬度较高的区域。硫化氢应力腐蚀开裂的特征是，在含湿的酸性介质中，由H2S腐蚀阴极反应所析出的氢原子（如方程式2，3所示）：（2）（3）氢原子在的催化下进入钢中后，发生电化学腐蚀（如方程式4，5所示）：阳极：（4）阴极：（5）其中的表示钢表面吸附的氢原子，表示向钢

6、中扩散的氢。发生电化学腐蚀的阳极产物是，与钢铁表面的粘结力差，易脱落，易氧化。阴极产物是，在存在拉伸应力或残余应力作用时，氢通过扩散，在冶金缺陷提供的三向拉伸应力区富集，而导致的开裂，开裂垂直于拉伸应力方向。硫化氢应力腐蚀开裂是金属在应力（拉应力）和腐蚀共同作用下（并有一定的温度条件）所引起的破坏。当应力不存在时，腐蚀甚微，当有应力后，材料会在腐蚀并不严重的情况下发生破裂。硫化氢应力腐蚀开裂属低应力破裂，发生硫化氢应力腐蚀的应力值通常远低于钢材的抗拉强度。一般说来，随着钢材强度(硬度)的提高，硫化氢应

7、力腐蚀开裂越容易发生。硫化氢应力腐蚀属于延迟破坏，开裂可能在钢材接触后很短时间内(几小时、几天)发生，也可能在数周、数月或几年后发生。由于破裂是脆性的，没有明显预兆，容易造成灾难性事故。1.2氢腐蚀机理处于临氢状态下操作的压力容器，氢会侵入钢中，在钢中的平衡浓度与氢分压的平方根成正比，与温度成一指数关系，随着温度的升高而增加。钢中的渗碳体（）和不稳定碳化物析出的碳与侵入钢中的氢原子反应生成甲烷，使其强度、韧性明显降低，并且是不可逆的，这种现象叫做氢腐蚀。氢腐蚀的历程用图2来表示：图2氢腐蚀的历程氢分子

8、扩散到钢的表面并产生物理吸附（a-b），被吸附的部分氢分子分离为氢原子和氢离子，经化学吸附（b-c-d），然后直径很小的氢原（离）子透过表面层，固溶到金属内（d-e）。因溶入的氢原子通过晶格和晶界（主要是晶界）向钢内扩散（e-f），这些固溶的氢和钢中的碳发生如下化学反应：(6)或(7)而反应生成的甲烷，在钢中的扩散能力很低，只能聚集在分层、夹杂物等缺陷中和晶界原有的微观空隙内。反应进行过程中，降低了该区域的碳浓度。其它位置上的碳通过扩散不断补充（g-h为渗碳体中的碳原子的扩散补充；g’-h’为固溶碳原

9、子的扩散补充）。这样甲烷量不断增多形成局部压力，使该处发展为裂纹，最终使设备失效。此外，大多数氢腐蚀常伴有脱碳现象，从而使钢的组织产生脱碳，使钢的性能变坏。影响高温氢腐蚀的主要因素有温度、压力和暴露时间。温度越高或者压力越高发生高温腐蚀的起始时间就越早，腐蚀速率越大。氢腐蚀的机理是不稳定碳化物的分解，所以在钢材中添加能形成稳定碳化物的元素（铬、钼、钒、钛、钨）就可使碳的活性降低，减少和防止钢中甲烷的生成，从而提高钢材抗氢腐蚀的能力。2.材料的选择由于变换