制氢装置转化炉简介

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1、制氢装置转化炉简介一、概述随着炼油厂加氢装置的逐渐增多，所需要的氢气也越来越多，使得制氢装置相应的发展很快。目前大型工业装置采用的制氢方法均为烃类水蒸汽转化法，利用的原料主要有天然气、炼厂气、石脑油等轻质烃类。这些烃类在特定的温度、压力以及催化剂存在的条件下与水蒸汽发生反应，生成氢气及一氧化碳。烃类化合物的水蒸汽转化反应是一个复杂的反应平衡系统，高分子烃类先裂解或转化成甲烷，最终与水蒸汽进行转化反应。大体上可用下列反应式表达：CnHm+2H2O→Cn-1Hm-2+CO2+3H2–QCH4+2H2O=CO2

2、+4H2–QCO2+H2=CO+H2O-Q转化炉是制氢装置中转化反应的反应器，属于装置的心脏设备。这是一种非常特殊的外热式列管反应器，由于转化反应的强吸热及高温等特点，这种反应器被设计成加热炉的形式，催化剂装在一根根的转化炉管内，在炉膛内直接加热，反应介质通过炉管内的催化剂床层进行反应。转化炉苛刻的操作条件，使得这种炉子有很多有别于其它加热炉的特殊性，在炉子结构、炉管材料、管路系统支撑、管路系统应力、管路系统膨胀及补偿、燃烧、烟气流动及分配、耐火材料等各方面都必须精心考虑。二、炉型及结构1.炉型制氢装置转

3、化炉按辐射室供热方式进行分类，可分为以下四种方式：1)顶烧炉：这是很多公司都采用的一种炉型。这种炉型的燃烧器布置在辐射室顶部，转化管受热形式为单排管受双面辐射，火焰与炉管平行，垂直向下燃烧，烟气下行，从炉膛底部烟道离开辐射室。这种炉型的对流室均布置在辐射室旁边。2)侧烧炉：这种炉型以丹麦TOPSφE公司为代表。这种炉子的燃烧器布置在辐射室的侧墙，火焰附墙燃烧。早期转化管的受热形式多为炉膛中间的双排管受侧墙的双面辐射，由于受热形式不好，操作条件苛刻时，炉管易弯曲，现在大部分都改为单排管受双面辐射的形式。这种

4、炉子的烟气上行，对流室置于辐射室顶部，大型装置的对流室考虑到结构及检修等原因，对流室经常放置在辐射室旁边。3)梯台炉：这种炉型以美国FOSTERWHEELER公司为代表。这种炉子的辐射室侧墙呈梯台形，燃烧器火焰沿倾斜炉墙平行燃烧，通过炉墙向转化管辐射传热。与侧烧炉类似，转化管可以为双排或单排。这种炉子的对流室全部置于辐射室顶部，烟气上行，采用自然抽风，没有引风机。4)底烧炉：这种炉型目前多用于小型装置。燃烧器位于辐射室底部，烟气上行。2.炉型结构比较2.1传热方式顶烧炉的燃烧器安装在辐射室顶部，火焰从上往

5、下烧，烟气流动方向与转化管内介质流动方向相同，传热方式为并流传热。侧烧炉燃烧器安装在辐射室侧墙，火焰附墙燃烧，通过辐射墙对转化管传热，烟气流动方向与管内介质流动方向相反，传热方式错流传热。梯台炉的燃烧器排数比侧烧炉要少，是一种改进的错流传热。底烧炉为逆流传热。2.2热强度及管壁温度温度分布由于不同的传热方式，所以不同炉型具有不同的热强度和管壁温度分布。顶烧炉火焰集中在炉膛顶部，所以该处辐射传热能力非常强，具有非常高的局部热强度，同时该处的管壁温度也为最高。最高管壁温度和热强度同时在转化管顶部出现峰值是顶烧

6、式转化炉的特点。该特点造成转化管有较高的设计壁温。对于侧烧和梯台转化炉，由于燃烧器均匀分布在沿管长方向的不同标高，辐射传热比较均匀，可避免该峰值，从而降低设计壁温，减少转化管壁厚，节约高合金炉管，或允许较高的转化气出口温度，以降低残余甲烷，提高氢的产率。在管壁设计温度相同时，侧烧炉和梯台炉可以允许较大的总平均管壁热强度，这样传热面积会相应减少，转化管数量有所下降。底烧炉在传热性能上，具有炉顶热强度低，炉底热强度高的特性，因而炉管壁温变化最大，特别是炉底处炉管壁温是所有炉型中最高，对炉管寿命十分不利，为了控

7、制最高管壁热强度不超标，只能选用很低的平均热强度，造成管材的巨大浪费，所以大型装置都不采用底烧炉。2.3结构特点顶烧炉的所有转化管排均在同一炉膛内，排列比较紧凑，节省占地面积，适于大型化。侧烧炉和梯台炉由于是两个辐射室并列排列，所以在炉管数量相同时，占地面积较大，大型化有一定的困难。顶烧炉的燃烧器数量较少，密集排列在炉顶，燃料配管及空气配管相应简化，但炉顶结构比较复杂。侧烧炉燃烧器数量较多，分布在辐射室侧墙，燃料配管及空气配管较多。2.4对工况的适应情况顶烧炉由于在上部供热较多，所以在转化管内采用抗积碳性

8、能好的催化剂时，可以很好的和转化反应相匹配，在反应最激烈处能供给最多的热量，燃料放热分布与反应吸热分布较协调。但炉管纵向温度不能调节，在操作末期或催化剂积碳情况下，由于上部反应较少，管内介质温度升高很快，造成转化炉管的管壁温度升高，对炉管寿命有影响，设计管壁温度也需要取较大的裕量。侧烧炉和梯台炉可以根据需要调节沿炉管长度方向受热的负荷，对不同工况的适应情况较好。2.5操作情况顶烧炉的燃烧器都集中在炉顶，造成炉顶的操作条件比较恶