淺談一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐的設(shè)計

王月++陳聰

【摘 要】本文主要討論了一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐的輻射段和對流段的工藝原理，工藝計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。提出輻射段轉(zhuǎn)化管、上升管和下集氣管在使用過程中的性能分析的重要性，以及對流段的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)注意的問題。并建議將CFD技術(shù)用于煙道的開孔分析當(dāng)中。

【關(guān)鍵詞】一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐；輻射段；對流段；轉(zhuǎn)化管；上升管；下集氣管

【Abstract】The technology principle， technology calculation， and structure design of radiation section and convention section of primary steam reformer were discussed in this paper. The importance of performance of reformer tube， riser tube and mainfold in using was proposed. The problem of the optimization design in convention section was also proposed. CFD technology was proposed in analyzing the hole in gas duct.

【Key words】Primary steam reformer； Radiation section； Convention section； Reformer； Riser tube； Manifold

0 概述

氨是氮肥和眾多工業(yè)產(chǎn)品的重要原料，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐是制取合成氨原料氣（氫氣）的高溫設(shè)備，由于其操作條件苛刻，造價高，因此成為合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備。制造合成氨的原料氣有煤，重油，石腦油，天然氣，以每一種原料氣制氫的工藝流程有所不同。本文介紹了以天然氣為原料氣的一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐設(shè)計。一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐的形式眾多，總體分為輻射段和對流段兩部分組成，工藝計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面是一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐的設(shè)計重點。

1 輻射段

1.1 輻射段的工藝原理

甲烷蒸汽化是一個復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng)，輻射段轉(zhuǎn)化管內(nèi)天然氣甲烷和水蒸氣在觸媒和外界高溫作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)主反應(yīng)式見公式1，該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此需要燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣提供熱量。甲烷轉(zhuǎn)化速率很慢，催化劑的使用能夠極大加快反應(yīng)過程，獲得工業(yè)化生產(chǎn)化的反應(yīng)速率，因此甲烷蒸汽化過程又是一個氣固相催化反應(yīng)。

CH4+H2O？葑CO+3H2 （1）

CH4+2H2O？葑CO2+4H2

影響甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化的因素主要有溫度，壓力，水碳比和空間速率。溫度提高，反應(yīng)速率增大，有利于甲烷蒸汽化的反應(yīng)，但是溫度過高，會影響轉(zhuǎn)化管的使用壽命。甲烷蒸汽化的反應(yīng)是體積增大過程，因此，降低壓力有利于化學(xué)反應(yīng)平衡，但增加壓力減少觸媒用量，有利于余熱的回收。水蒸氣和原料氣的比例會直接影響到反應(yīng)速率，能耗和轉(zhuǎn)化管的結(jié)碳現(xiàn)象。綜上，一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐輻射段的設(shè)計要綜合考慮選擇合適的溫度，壓力和水碳比等工藝參數(shù)。

1.2 輻射段工藝計算

輻射段的反應(yīng)復(fù)雜多樣，包括燃料的燃燒計算，輻射傳熱和對流傳熱，轉(zhuǎn)換管發(fā)生的動力學(xué)反應(yīng)。

在爐膛內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)是輻射傳熱，包括煙氣間的輻射傳熱、煙氣與轉(zhuǎn)化管和爐墻間的輻射傳熱，轉(zhuǎn)化管之間的輻射傳熱等，由于傳熱的復(fù)雜性，研究人員根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)出經(jīng)驗公式，常見的計算方法有萬斯法、別洛康法、巴赫希揚法[1]，這些計算方法能夠得到總的傳熱效果。

經(jīng)驗公式推導(dǎo)出的計算方法簡便，但不能得出爐膛內(nèi)的溫度分布，所以后面出現(xiàn)了根據(jù)嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，能夠得到溫度分布的區(qū)域法和蒙特卡羅法等計算方法[1]。

區(qū)域法是把爐膛分成若干單元，建立每個單元的煙氣流動模型，燃料燃燒模型、動力學(xué)模型，用龍格-庫塔法求解微分方程組求解，結(jié)果可以用來分析爐膛內(nèi)的溫度變化。何東根據(jù)區(qū)域法，運用FORTURN語言編程，對布朗工藝合成氨裝置一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐輻射段進行模擬計算[2]。

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，以開發(fā)了烴蒸汽轉(zhuǎn)化爐模擬軟FEFORM-3PC，利用這一軟件可以進行一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐的設(shè)計和分析。隨著數(shù)值模擬計算的發(fā)展，CFD技術(shù)被應(yīng)用于分析一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐內(nèi)爐膛的溫度場和煙氣分布，可以用于煙道墻方案優(yōu)化設(shè)計[3]。

1.3 輻射段結(jié)構(gòu)設(shè)計

輻射段的爐型根據(jù)燒嘴的位置不同分為頂部燒嘴爐，側(cè)壁燒嘴爐和梯臺爐[4]。在合成氨和制氫行業(yè)中，主要使用的是頂部燒嘴爐和側(cè)壁燒嘴爐。頂部燒嘴爐型特點是爐管數(shù)量相對少，操作簡單，缺點是沿爐管軸向方向的溫度變化大，溫度調(diào)節(jié)困難。側(cè)壁燃燒爐的溫度分布均勻，溫度便于控制，但側(cè)壁燃燒爐的占地面積大，梯臺爐的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頂部燒嘴爐和側(cè)壁燒嘴在工業(yè)上都有成熟的設(shè)計方法和可靠的運行經(jīng)驗，相比較，側(cè)壁燒嘴爐在中型規(guī)模裝置中優(yōu)勢突出，而頂部燒嘴爐適合應(yīng)用于大型裝置化。

延長石油和孟加拉大化肥項目中一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐采用的都是頂部燒嘴爐。其混合氣通過預(yù)熱后進入上集氣管，經(jīng)上豬尾管進入轉(zhuǎn)化管，在轉(zhuǎn)化管內(nèi)反應(yīng)生成轉(zhuǎn)化氣后進入下集氣管，后經(jīng)上升管匯集到輸氣總管。

2 對流段

2.1 對流段的工藝原理

對流段是煙氣回收系統(tǒng)，利用輻射段煙氣來加熱工藝空氣，燃料氣，蒸汽和鍋爐給水等。將煙氣攜帶的熱量回收后，直接排放到大氣。如果煙氣排放的溫度越低，說明煙氣回收系統(tǒng)的熱損失就小，經(jīng)濟性就越好；但同時，煙氣排放的溫度過低，會使冷端末端盤管發(fā)生露點腐蝕，所以對流段的設(shè)計和改造應(yīng)從經(jīng)濟性和腐蝕角度綜合考慮。

2.2 對流段的傳熱和強度計算

對流段的傳熱包括煙氣對換熱管的對流傳熱和輻射傳熱，對流傳熱起主要作用。對流傳熱分為順流和逆流，圖1所示為逆流對流段盤管圖。對流傳熱如公式2所示，t可根據(jù)煙氣和流體進出口溫度得到，傳熱面積A也容易求出，傳熱系數(shù)K如公式3所示，其中α1和α2分別為煙氣到傳熱面的給熱系數(shù)和傳熱面到被加熱流體的放熱系數(shù)，R為污垢熱阻，求取K值就變成求取這三個參數(shù)。

Q=KA？駐t（2）

K=1/（1/α1+R+1/α2） （3）

圖1 對流段盤管逆流傳熱

對流段的強度計算主要包括盤管和集合管的計算，根據(jù)工藝介質(zhì)不同，可以分為工藝介質(zhì)的盤管計算和水與蒸汽的盤管計算，例如工藝空氣和燃料氣爐管計算就屬于工藝介質(zhì)的爐管計算，應(yīng)按照標準HG/T20589-2011《化學(xué)工業(yè)爐受壓元件強度計算的規(guī)定》計算。而水和蒸汽的盤管計算根據(jù)標準GB/T9222-2008《水管鍋爐受壓元件強度計算》進行強度計算。

2.3 對流段的結(jié)構(gòu)

目前，對流段多采用模塊化設(shè)計，模塊化設(shè)計是將盤管、中間管板、端管板、襯里和鋼結(jié)構(gòu)做成一個模塊，將模塊按上下順序組裝成整體，抵達現(xiàn)場后安裝[5]，或是模塊直接作為一個整體運往現(xiàn)場。模塊化設(shè)計大部分的加工制造都是在車間完成的，可以節(jié)約材料和人力成本，保證良好的檢測手段和施工環(huán)境。模塊化設(shè)計的優(yōu)勢在于它打破了傳統(tǒng)的設(shè)計和安裝模式，加快了制造和安裝進度，同時又節(jié)約成本，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

3 設(shè)計中應(yīng)注意的問題

一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐的設(shè)計應(yīng)從經(jīng)濟與環(huán)保角度進行合理優(yōu)化設(shè)計和改造，結(jié)合筆者在工程設(shè)計中積累的淺薄認識，筆者認為在一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐的設(shè)計中應(yīng)注意以下三點：

（1）由于轉(zhuǎn)化管、上升管和下集氣管是一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐輻射段的主要部件，當(dāng)設(shè)備在高溫條件下運行后，轉(zhuǎn)化管、上升管和下集氣管的材料性能處于何種性能，對合成氨裝置的設(shè)計，制造和使用都有重要的參考意義。轉(zhuǎn)化管，上升管，下集氣管都是在高溫苛刻的條件下運行的，因此要從各部件的使用溫度考慮選擇合適的材料和壁厚，制造和驗收應(yīng)符合《高溫承壓離心鑄造管合金爐管》中的規(guī)定。吳國昌，萬淳敏等人分別對轉(zhuǎn)化管和上升管的蠕脹，顯微組織變化，力學(xué)性能進行了分析討論，得到了材料的性能和剩余使用壽命[6-7]。這些構(gòu)件的性能分析可以為優(yōu)化設(shè)計和改造提供重要依據(jù)，為使用單位保證高效和安全運行提供保證。

（2）對于一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐對流段的設(shè)計和改造應(yīng)注意合理計算與分析。上文中已經(jīng)討論過對流傳熱計算，可以通過對流傳熱模型得到溫度分布，從而計算對流段熱端和冷端盤組盤管的溫度值，最大限度的提高煙氣熱量回收量，優(yōu)化設(shè)計對流段可以降低天然氣的消耗量和減小煙氣排放溫度，當(dāng)然優(yōu)化設(shè)計的原則是應(yīng)保證允許的腐蝕限度內(nèi)盡可能的多回收煙氣熱量。同時，在設(shè)計中還應(yīng)注意煙氣流速和盤管內(nèi)介質(zhì)的流速，以免引起爐體振動。

（3）一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐設(shè)計中煙道墻的開孔問題是設(shè)計中的難點，隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展，筆者認為可以在工程項目中通過有限元分析煙氣分布，合理的布局煙道墻的開孔。

4 總結(jié)

（1）本文介紹了輻射段的工藝原理，在設(shè)計過程中應(yīng)綜合考慮溫度，壓力，水碳比和空間速率參數(shù)；對輻射段的計算進行了分析比較，介紹了傳統(tǒng)的計算模型，能夠得到煙氣分布的計算方法以及計算軟件和CFD軟件；主要介紹了頂部燃燒爐和側(cè)壁燃燒爐的各自特點，并介紹了頂部燃燒爐的主要結(jié)構(gòu)組成；

（2）本文介紹了對流段的工藝原理，對流傳熱計算模型，對流段盤管強度計算和對流段模塊化設(shè)計的優(yōu)勢；

（3）設(shè)計中應(yīng)注重轉(zhuǎn)化管，上升管，下集氣管這些主要構(gòu)件在使用過程中的性能分析，以及對流段的設(shè)計和改造過程中應(yīng)注意的問題。并提出可以將CFD技術(shù)用于煙氣分析，解決煙道開孔問題的設(shè)計。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]