韓 健，張小筠

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

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

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。各煉廠的副線產氫和回收煉廠氣中的氫還不到氫氣供給量的1/3，遠無法滿足全廠對氫氣的需求，供給缺口主要由各種類型制氫裝置來填補(約占 2/3 強)，這也使得制氫技術得到迅速發(fā)展。

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

1 烴類蒸氣制氫轉化爐

煉油廠廣泛采用烴類水蒸氣轉化法制氫，其轉化反應的原料基本產自煉廠氣、天然氣或石腦油等輕烴介質，在較高的溫度和壓力條件下，借助催化劑與蒸氣發(fā)生轉化反應，生成氫氣和一氧化碳。烴類水蒸氣轉化反應是一個復雜的反應平衡過程，烴類先轉化為甲烷，然后再與水蒸氣進行轉化反應。

制氫轉化爐本質上是1臺管式反應器，是整套裝置的核心設備。這種反應器以轉化爐的形式顯現(xiàn)，爐內設置裝填了催化劑的轉化爐管，在爐膛內直接接受燃燒器火焰的輻射傳熱，以滿足轉化反應所需要的強吸熱及高溫等要求。原料混合氣(輕烴和水蒸氣)通過爐管內的催化劑床層進行反應。

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

由于轉化爐的爐膛操作溫度高達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，在爐體結構、爐管材質、管道應力系統(tǒng)、爐頂熱風道和管道吊掛系統(tǒng)、燃燒器布置、爐膛煙氣流動分配和耐火材料等方面都要精心考慮，特殊設計。

2 制氫爐爐型

2.1 爐型簡介

制氫爐主要在輻射爐膛中進行輻射傳熱，按其供熱方式分類可分為以下4種。

2.1.1 頂燒爐

法國和德國多家專利商和工程公司【1】普遍采用頂燒爐型。該爐型采用多排轉化爐管束垂直布置在爐膛中、燃燒器布置在輻射室頂部、轉化管排在兩側的結構，火焰垂直向下燃燒，與爐管平行，對每排轉化管束進行雙面輻射傳熱。高溫煙氣在位于煙氣下游引風機的負壓作用下向下流動，通過爐膛下部轉化爐管排之間的長形煙氣隧道離開輻射室，進入位于輻射室底部端墻旁邊的對流室，對對流段盤管進行對流傳熱。典型的頂燒爐結構示意見圖1。

圖1 頂燒爐結構示意

2.1.2 側燒爐

側燒爐【1】是另一種典型的轉化爐型。該爐型的結構特點為：單排轉化管束布置在狹長形輻射爐膛的中間，垂直放置；沿爐管不同高度設置多排燃燒器，布置在輻射室的側墻；火焰附墻發(fā)散燃燒，對轉化管束形成雙面輻射；煙氣上行，從位于頂部的煙道離開輻射室。對流室多設置在輻射室頂部，直接接納高溫煙氣進行對流傳熱。大型裝置的對流室考慮到結構及檢修等原因，可放置在輻射室旁邊，落地擺放，高溫煙氣通過長行程的高溫煙道引入對流室。典型的側燒爐結構示意見圖2。

2.1.3 階梯爐

階梯爐的使用主要以美國多家公司【1-3】為典型代表。這種轉化爐側墻形似臺階，并且傾斜朝向爐膛中央，燃燒器布置在每層臺階上，燃燒產生的火焰沿附墻燃燒，依靠傾斜的爐墻與爐管進行輻射傳熱。該爐型轉化管一般為雙排或單排，以單排管雙面輻射為主。其對流段位于輻射爐膛頂部，煙氣向上流動，通常采用自然引風，不設置引風機。典型的階梯爐結構示意見圖3。

圖2 側燒爐結構示意

圖3 階梯爐結構示意

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。其在大型裝置上應用不多。

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，煙氣和轉化管內介質垂直向下流動，因此產生了并流傳熱。側燒爐和階梯爐的燃燒器設置在爐膛側墻或者貼墻的臺階上，產生的火焰直接附墻燃燒，形成一面大面積的輻射幕簾，對轉化管進行輻射傳熱，其轉化管內的介質垂直向下流動，而燃燒產生的煙氣在爐膛中垂直向上流動，與介質流動方向相反，因此傳熱方式為錯流傳熱。底燒爐的火焰燃燒方向和煙氣流動方向均垂直向上，與轉化介質產生逆流傳熱。

2.2.2 熱強度及管壁溫度

爐型和傳熱方式不同，其熱強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，局部熱強度和管壁溫度均處于高值，導致頂部轉化管設計壁溫較高(見圖4)。側燒爐和階梯爐沿著側墻垂直高度方向均勻布置數(shù)排燃燒器，產生了一面均勻的幕簾輻射源，對轉化管在全高度方向產生均勻傳熱，有效避免了長度方向的管壁溫差，從而降低了設計壁溫(見圖5)，使轉化管設計厚度減薄，節(jié)省高合金用量；或在相同設計壁溫情況下，提高側燒爐和階梯爐的平均熱強度，降低傳熱面積，減少轉化管數(shù)量。而小型化底燒爐的頂部熱強度低，底部熱強度高，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，對爐管壽命十分不利，必須配置數(shù)量較多的爐管，擴大傳熱面積，才能達到控制熱強度不超標的目的，因其高合金爐管用量大，因此，大型化制氫轉化裝置均不設置底燒爐。

圖4 頂燒爐熱強度和管壁溫度分布

圖5 側燒爐熱強度和管壁溫度分布

頂燒爐輻射傳熱在爐頂處相對較多，在反應強度最高處提供所需的熱量，沿轉化管高度方向的放熱曲線與反應吸熱曲線相吻合，與轉化反應動力學匹配。但其沿爐膛高度方向的溫度無法調節(jié)，在操作末期或催化劑積碳時，會導致頂部反應逐漸遲緩、傳熱速率變慢、介質溫度和管壁溫度均升高，因此其設計壁溫應考慮一定裕量。

側燒爐和階梯爐可以根據(jù)需要調節(jié)沿爐管長度方向受熱的負荷，對不同工況的適應情況較好。

2.2.3 內部結構

上述典型的頂燒型制氫爐，通常其轉化管高度和爐膛高度很高，約達14 m，高溫煙氣的流動路徑直接影響了爐膛輻射傳熱的均勻性、轉化爐管熱強度的均勻性以及管內反應的均勻性。尤其是大型化的轉化爐，其配套的對流段通常落地設置在輻射爐膛的一端下部。高溫煙氣如果沒有良好的流動分配，燃燒器火焰產生的高溫煙氣會向對流段所在端墻的方向傾斜偏流，使整個爐膛溫度沿爐膛的高度和長度方向分配不均勻，爐管管壁溫度不均勻性及管內反應不均勻性大大增加。

為了盡可能地導流高溫煙氣沿爐管垂直方向平行流動，頂燒爐通常在爐膛內部設置多排高溫煙氣隧道。隧道位于爐底板之上、相鄰2排轉化管之間，高度2～4 m。隧道側墻一般采用帶有若干煙氣流通孔洞的花式側墻導流高溫煙氣，或者采用花式側墻結合煙道內部階梯式導流板的方法導流高溫煙氣均勻垂直向下流動，防止發(fā)生偏流。

側燒爐和梯形爐的對流室一般設置在輻射段頂部，煙氣垂直向上流動，不需要設置高溫煙氣隧道。

2.2.4 外部結構

各爐型的外部結構特點比較如下：

1) 頂燒爐內容納的轉化管密度較大，呈矩形布陣，結構緊湊，占地小，適用于大型化裝置。側燒爐和階梯爐是多個單獨的輻射室并排布置，每個輻射室中轉化管呈一字形排列，在轉化管數(shù)量相同時，這2種爐型的占地面積較大。

2) 頂燒爐的燃燒器數(shù)量相對較少，全部設置在輻射爐頂，同時，入口集合管、上尾管等(包括其對應的彈簧吊架、轉化管吊架等)也布置在爐頂，導致頂部管線及爐管構件密集龐雜，工程設計非常復雜。側燒爐的燃燒器數(shù)量較多，全部設置在輻射側墻，燃料管線、閥門及熱風道等布置較多，但爐頂比較寬松。

3) 頂燒爐的所有燃燒器全部設置在輻射室頂部，所有轉化管全部從爐頂板伸出，這會造成燃燒器、轉化管拆卸法蘭以及轉化管由于熱膨脹伸出頂板脖頸部位的周圍環(huán)境溫度非常高，導致高溫區(qū)疊加，如果各高溫部件的外保溫設置不合理，其環(huán)境溫度甚至會高于50 ℃，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節(jié)燃燒器和閥門也有一定難度。側燒爐和階梯爐的燃燒器均布置在側墻，這樣可使該處產生的高溫與轉化管頂部的高溫環(huán)境分開，因此，其檢維修操作條件較好，但由于燃燒器數(shù)量較多，點火操作時間較頂燒爐更長。

3 管系

3.1 管系流程

在制氫轉化裝置流程中，反應原料一般先經(jīng)過對流室的原料預熱段，利用輻射段出口的高溫煙氣進行預熱，然后經(jīng)過對流轉輻射轉油線到達轉化爐頂，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)上尾管進入轉化管頂部，下行途經(jīng)催化劑發(fā)生轉化反應；轉化合成氣從爐管底部流出，經(jīng)下尾管進入下集合管。下集合管將轉化合成氣輸送至轉化氣余熱鍋爐，利用轉化氣的高溫發(fā)生蒸汽。

某些出口操作溫度較高的制氫爐沒有下尾管，轉化管直接與下集合管相連接。

3.2 管系要件

3.2.1 轉化管

轉化管是轉化爐的核心部件，由于在爐膛內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。轉化管采用離心澆鑄制造工藝，其早期的材質主要為HK40，后來又逐漸發(fā)展為HP40Nb及加注微合金，這些年又出現(xiàn)了一系列新的改進型鋼種，改進的終極目標是盡可能提高管材的高溫力學性能以適應不斷提高的管壁溫度要求。

3.2.2 下集合管

下集合管是轉化爐的重要部件，有熱壁、冷壁和冷熱壁結合3種形式。熱壁集合管既要承受轉化氣的高溫(800～900 ℃)，又要承受轉化氣的壓力(2～4 MPa)，還需吸收高溫熱膨脹，故在長期高溫條件下容易破裂。國內目前較少采用該形式。而冷壁集合管的內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，而且殼體材質也可采用低合金鋼，這樣不僅可以大大延長使用壽命，還可降低材料費用的投入。國內有代表性的是中國石化工程建設有限公司開發(fā)的直插式冷壁集合管技術和中國石化洛陽工程公司開發(fā)的一種烴類蒸汽轉化爐轉化氣出口系統(tǒng)【4】。

4 發(fā)展趨勢

4.1 頂燒爐型的變革

目前國際上的制氫轉化爐仍以頂燒爐和側燒爐為主導，尤其是頂燒爐，各大專利商和工程公司均將其作為大型化發(fā)展方向中的基礎爐型。在各自開發(fā)的頂燒型專利爐中，爐膛內部無一例外均設置了煙氣流程曲折、結構復雜、體積龐大(高約3 m,寬約1 m，長約10 m)的砌磚煙氣隧道。雖然各專利爐的煙氣隧道結構各具特色，但歸結起來都是通過隧道側墻開孔數(shù)量的設置及形式變化，達到均勻分配爐膛內的高溫煙氣流動、防止發(fā)生煙氣偏流和避免爐管受熱不均勻的目的。但煙氣隧道的設置帶來了諸多工程應用上的劣勢，如耗費大量耐高溫的高強度耐火磚和預制塊；需要大量特殊加工的異型耐火磚；詳細工程圖紙異常復雜；砌磚墻、建隧道只能現(xiàn)場施工，無法實現(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險；檢維修施工難度大等。

半個世紀以來，高溫煙氣隧道已成為眾多頂燒轉化爐專利商的標準配置，但至今鮮有相關報道或新發(fā)明專利可對其隧道進行有效改進乃至提供根本的解決方法。如何創(chuàng)造性地優(yōu)化甚至取消高溫煙氣隧道，同時又能保證煙氣的均勻流動，或將是未來頂燒爐型的變革發(fā)展方向。

4.2 制氫爐的大型模塊化

在運輸條件允許的前提下，將轉化爐鋼結構(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，在工廠預制、現(xiàn)場拼裝，有利于減少施工周期、保障機械設備加工制造精度和爐管系統(tǒng)的安裝質量，而模塊化的最高水平是制氫轉化爐的整爐模塊化。

如前所述，國內的制氫轉化爐仍以頂燒爐為主，其爐型方正，體量過大，運輸條件往往超限，而模塊化制造又較為復雜，因此目前仍以現(xiàn)場制造施工或制造廠分片模塊化制造(見圖6)、現(xiàn)場拼裝為主，大量的管系拼接以及爐內耐火材料仍需現(xiàn)場安裝。但國際上有些大型頂燒制氫爐項目，在滿足最大運輸條件限制下，將頂燒爐分為若干大模塊和若干爐頂雨棚分模塊，實現(xiàn)了最大化模塊制造和運輸(見圖7，來源于轉化爐供貨商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

側燒爐由于其輻射段寬度較小，適于分段式模塊化制造(見圖8)，但國際上鮮見側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(見圖9)，但其出口管系包含下豬尾管及出口集合管，推測現(xiàn)場仍需要進行下部管系拼接以及外部鋼結構和保溫箱等散件施工。

圖8 側燒制氫爐分段式模塊化

由中國石化工程建設有限公司總承包的某制氫裝置正處于詳細工程階段，其轉化爐采用側燒爐型。此制氫裝置突破性地采用整爐模塊化技術，將運輸條件允許范圍內的制氫爐本體鋼結構，入口管系，轉化管系，管系吊架，出口冷壁集合管，內、外襯里材料，燃燒器，熱風道等制氫爐配件全部納入整爐模塊范圍內，在工廠預制并組裝，經(jīng)海、陸運輸至現(xiàn)場土建基礎之上，幾乎不需要現(xiàn)場管系拼裝，僅有少量的鋼結構散件、儀表和燃料管線需要現(xiàn)場施工，預期可實現(xiàn)更高水平的整爐模塊化。

圖9 側燒制氫爐整爐大型模塊化