制氫裝置中汽包及其水循環(huán)管道的布置研究

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

制氫裝置中汽包及其水循環(huán)管道的布置研究

亓峰*
北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

以生產(chǎn)氫氣能力為45000Nm3/h的某制氫裝置為例，介紹汽包的布置方式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管口方位及其水循環(huán)管道的布置。

制氫裝置 汽包 水循環(huán)管道

廢熱鍋爐是利用工業(yè)生產(chǎn)過程中的廢熱來生產(chǎn)蒸汽的鍋爐，屬于高溫、高壓的換熱器。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,廢熱鍋爐的參數(shù)逐漸提高,在廢熱鍋爐設(shè)計、制造、使用、安全管理等領(lǐng)域的研究的新成果也不斷涌現(xiàn)。[1]目前，在石油化工項目的制氫裝置中，為了有效回收轉(zhuǎn)化爐產(chǎn)生的廢熱，由轉(zhuǎn)化氣廢鍋、汽包、上升管以及下降管所組成的廢熱鍋爐得到了廣泛的應(yīng)用。

汽包是加熱、蒸發(fā)、過熱三個過程的連接樞紐和大致分界點，具有一定的蓄熱能力，內(nèi)部裝置能夠提高蒸汽品質(zhì)。由上升管進入汽包的汽水混合物，利用汽包內(nèi)部的蒸汽空間和汽水分離元件進行汽水分離，降低離開汽包的飽和蒸汽中的水分，成為干飽和蒸汽。

在由汽包、轉(zhuǎn)化氣廢鍋、上升管、下降管所組成的循環(huán)回路中，上升管吸收轉(zhuǎn)化爐的廢熱，使管內(nèi)的水部分蒸發(fā)，形成汽水混合物；而下降管不受熱，管內(nèi)為飽和水或未飽和水。因此，下降管中水的密度大于上升管中汽水混合物的密度，在廢熱鍋爐的兩側(cè)將產(chǎn)生液柱的重位差，此壓差推動汽水混合物沿上升管向上流動，水沿下降管向下流動，從而形成循環(huán)回路。水和汽水混合物在鍋爐蒸發(fā)受熱面回路中的循環(huán)流動，稱為鍋爐水循環(huán)。[2]

本文以生產(chǎn)規(guī)模為45000Nm3/h的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置為例，介紹汽包及其水循環(huán)管道的布置。

1 工藝流程簡述

本裝置采用輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化法造氣、PSA法凈化提純的工藝路線制取氫氣。LNG和天然氣共用一根進裝置管線，當原料為壓力較低的天然氣時，先配入一定量從PSA來的循環(huán)氫氣，通過天然氣壓縮機升壓后送入中變氣-原料氣換熱器。當原料氣為壓力較高的LNG時，則跨過天然氣壓縮機，配入一定量從加氫裝置來的氫氣后直接送入中變氣-原料換熱器。當加氫裝置供氫發(fā)生困難時，利用天然氣壓縮機將從PSA來的氫氣升壓后提供配置氫氣。

廢熱鍋爐為一臺自然循環(huán)水管式鍋爐。按照煙氣流動方向，由水保護段、原料氣預(yù)熱段、過熱蒸汽1、2段、蒸發(fā)段四部分組成。在設(shè)計工況(100%正常操作工況)下，高溫煙氣(約1000℃)通過煙道分別進入冷卻器中的水保護段、原料氣預(yù)熱段、過熱蒸汽1、2 段、蒸發(fā)段進行換熱，溫度降至約360℃后排煙至空氣預(yù)熱器。來自汽包的鍋爐給水通過下降管分別進入兩組水保護段管束，加熱成飽和蒸汽(4.4MPa(G)，256℃)后再通過相對應(yīng)的上升管返回汽包；來自工藝管線的原料氣(3.1MPa(G)，400℃)進入原料氣預(yù)熱段管束后被煙氣加熱至500℃，加熱后的原料氣通過管線進入轉(zhuǎn)化爐進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)；過熱蒸汽段(1、2 段串聯(lián))是將來自汽包頂部的飽和蒸汽(4.4MPa(G)，256℃)再次加熱產(chǎn)生過熱蒸汽(3.82MPa(G)，420℃)；蒸發(fā)段是將來自汽包的鍋爐給水通過下降管分別進入水保護段管束，加熱成飽和蒸汽(4.4MPa(G)，256℃)后再通過相對應(yīng)的上升管返回汽包。

2 汽包和轉(zhuǎn)化氣廢鍋的布置方式

轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐是一臺自然循環(huán)管式鍋爐。它和汽包的組合方式分為分離式(圖1a)和直背式兩種。其中，直背式又包括門型(圖1b)和啞鈴型(圖1c)兩種結(jié)構(gòu)。直背式的汽包和廢鍋通過管道連接，汽包不需要基礎(chǔ)支撐，只需要上升管和下降管支撐，所以汽包的布置高度較低。分離式即為汽包和轉(zhuǎn)化氣廢鍋分別需要基礎(chǔ)支撐。汽包安裝在比廢熱鍋爐高的框架上。

圖1 組合方式結(jié)構(gòu)

這兩種布置方式在化工裝置中均有應(yīng)用。相比較而言，直背式節(jié)省空間，減少了生產(chǎn)成本，但上升管缺乏柔性，適用于溫度不太高的場合。分離式占空間較大，生產(chǎn)成本較高，但管道柔性較好，適用于較高溫度的場合。本制氫裝置采用的連接方式為分離式，為滿足循環(huán)倍率的要求，將汽包布置在13.5m的框架上。

3 汽包內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于制氫項目的規(guī)模不同，對蒸汽品質(zhì)的要求也不同，汽包內(nèi)部的結(jié)構(gòu)自然也不同。制氫裝置中，汽包用于產(chǎn)生中壓蒸汽，蒸汽幾乎不溶解鹽分，所以汽包內(nèi)部不需要蒸汽清洗裝置，只需汽水分離裝置即可。汽包內(nèi)部通過兩個階段實現(xiàn)汽水分離:第一階段是將大部分蒸汽從水中分離出來，并消除汽水混合物的動能，常用的裝置有擋板、縫隙擋板及旋風分離器等;第二階段是將蒸汽中的水滴進一步分離出來，常用裝置為集汽管、頂部勻汽孔板、波形板分離器等[3]。

以生產(chǎn)氫氣能力為45000Nm3/h的制氫裝置為例，汽包生產(chǎn)的蒸汽操作壓力為3.9MPa(G)。該汽包采用的是內(nèi)置式多臺并聯(lián)有連通箱的旋風分離器實現(xiàn)一次分離，采用勻汽孔板和波形板分離器實現(xiàn)二次分離，從而產(chǎn)生符合項目要求的干飽和蒸汽，進入中壓蒸汽管網(wǎng)。汽包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 汽包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

旋風分離器常采用的筒體直徑有260、290、315、350mm，高度一般不小于500mm，占用的體積較大，安裝檢修不便，而且制氫裝置對蒸汽分離的要求不高，所以汽包的一次分離完全可以用水下?lián)醢宕妗＿@樣，既能降低汽包的制造成本，又能方便內(nèi)部組件的安裝和檢修。

4 汽包的管口方位

由于汽包產(chǎn)生蒸汽的壓力不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，所以汽包的上升管和下降管的管口方位也不同。如果上升管管口斜向上，汽包中的水就不可能由汽包進入上升管，即不會發(fā)生倒流現(xiàn)象。但是若上升管熱負荷不足，水不能被提升到上升管的最高點，從而產(chǎn)生自由水面，水面以上的管段會得不到有效冷卻，可能將管道燒壞。如果上升管管口斜向下，即上升管由水空間引入汽包，則上升管的阻力較小。但是若上升管的熱負荷不足，則有效壓頭偏低，汽水混合物不能通過上升管進入汽包，汽包中的水通過上升管下降進入廢鍋，從而使上升管變成下降管，發(fā)生倒流。

鍋爐系統(tǒng)水循環(huán)回路的設(shè)計原則主要考慮提高運動壓頭，減少上升管和下降管的阻力，以防止出現(xiàn)影響循環(huán)可靠性的因素。綜合以上因素，上升管管口以斜向下為宜，下降管管口以垂直向下為宜。如果上升管管口斜向上，即汽水混合物從汽空間引入，則上升管超出汽包正常水位的高度應(yīng)盡量減少。

5 汽包水循環(huán)管道的布置

制氫裝置中，水循環(huán)管道在設(shè)計時必須具有一定的柔性以減少管道熱脹冷縮時對設(shè)備和管路系統(tǒng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。但管道柔性越大，對于消除管道的震動就越不利。因此，在布置水循環(huán)管道時，以滿足以下原則為宜：

(1)管道盡量短而直，減少水循環(huán)的阻力。

(2)彎頭盡量采用大半徑彎頭，進一步減少阻力降。

(3)管道對稱布置，使各管中流量分配均勻，防止偏流。

(4)管道具有一定的柔性，并合理的設(shè)置支架。

此外，汽包筒體上開孔接管處，應(yīng)力分布復(fù)雜，產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中。發(fā)生各類應(yīng)力最大值均發(fā)生在下降管口與汽包筒體的內(nèi)側(cè)。[4]因此，水循環(huán)管道布置時要考慮管口受力，尤其是下降管的管口受力不能超過允許的受力范圍，使其符合應(yīng)力要求。

6 汽包水循環(huán)計算結(jié)果

循環(huán)回路的工作循環(huán)倍率應(yīng)大于界限循環(huán)倍率，才能保證汽包安全生產(chǎn)。本裝置中，汽包壓力為3.9MPa(G)，界限循環(huán)倍率即最小循環(huán)倍率為10。[5]經(jīng)計算，本裝置汽包的循環(huán)倍率為24.1，大于界限循環(huán)倍率，符合要求，水循環(huán)系統(tǒng)安全可靠。

7 結(jié)語

本文以生產(chǎn)規(guī)模為45000Nm3/h的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置為例，介紹了汽包及其水循環(huán)管道的布置。在制氫裝置中，汽包和轉(zhuǎn)化氣廢鍋的布置方式為分離式。汽包內(nèi)部可采用水下?lián)醢鍖崿F(xiàn)一次分離，采用勻汽孔板和波形板分離器實現(xiàn)二次分離。為提高運動壓頭，減少上升管和下降管的阻力，管口方位以上升管管口45°斜向下，下降管管口垂直向下為宜。汽包水循環(huán)管道的布置既要考慮水循環(huán)管道的走向，減少阻力，又要具有一定的柔性，使其滿足應(yīng)力要求。

1 莫德格，李團偉，張軍偉.廢熱鍋爐及設(shè)計計算簡介[J].內(nèi)蒙古石油化工. 2006,(07)：40.

2 劉弘睿.工業(yè)鍋爐技術(shù)標準規(guī)范應(yīng)用大全(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：78.

3 張夢珠 .工業(yè)鍋爐原理與設(shè)計[M].北京：水利電力出版社，1990：107。

4 楊偉春，梁基照.中壓汽包接管應(yīng)力分布的三維有限元分析[J].壓力容器，2000,(05)：40-43.

5 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算(第三版)[M].北京：科學出版社，2003：437.

*亓 峰：工程師。2011年畢業(yè)于大連理工大學化工學院化學工藝專業(yè)。從事管道設(shè)計工作。聯(lián)系電話：13402969726，

E-mail: qifeng@bpdi.com.cn。

2017-05-11)