浅谈二段转化炉设计

《化

工设备与管道》

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2009全国石油化工设备暨设备网年会会刊

・技术交流・

浅谈二段转化炉的设计

张君, 毛先胜

(东华工程科技股份有限公司设备室)

二段转化炉是在以天然气、焦炉气或炼厂气等为原料生产甲醇、氢气、合成氨等装置中完成碳氢化合物蒸汽转化反应的核心设备之一,根据转化反应工艺和生产能力及设备制造能力的需要,有的装置采用一段蒸汽转化炉+二段转化炉的转化工艺,有的装置单独采用一段蒸汽转化炉或二段转化炉的转化工艺,具体采用哪种转化工艺由项目根据实际情况确定。由于二段转化炉的工作环境非常恶劣,无催化剂的部分氧化转化反应的最高温度常常是在1450～1600℃左右。工作压力较低,一般在0.6～

0.8M Pa 左右;有催化剂的部分氧化转化反应的最高温度常常是在1350～1450℃左右,工作压力较高,一般在1.9～3.5MPa 左右。仅从温度和压力这两个条件就可看出二段转化炉的工作特点,再加上纯氧(或富氧)的进入,使得它的操作工况非常危险,因此二段转化炉的安全运行对整个生产装置来说是至关重要。为保证安全,二段转化炉设有非常复杂的安全联锁装置。尽管如此,二段转化炉开车时仍然需要所有人员撤离操作现场,待烧嘴正常点燃、温度正常后才能到现场查看。因此二段转化炉的设计一直受到大家的高度重视。

二段转化炉分类有以下几种分类方式:从有无催化剂来分,可以将二段转化炉分为非催化二段转化炉和有催化二段转化炉;从助燃剂是否为纯氧,可将二段转化炉分为纯氧转化炉和富氧转化炉;从有无水夹套,可将二段转化炉分为带水夹套二段转化炉和无水夹套二段转化炉。

是否采用纯氧作为助燃剂主要看转化反应所需要的温度、转化烧嘴的自身性能及催化剂特性。非催化转化的二段转化炉一定要采用纯氧作为助燃剂。合成氨装置的二段转化炉多为富氧(富氧空气)转化炉,以天然气为原料的甲醇装置的二段转

化炉多为纯氧转化炉;以焦炉气为原料的甲醇装置的二段转化炉有采用纯氧作为助燃剂的,也有采用富氧作为助燃剂的,主要看转化烧嘴的自身性能,进口烧嘴一般多用纯氧作为助燃剂,国产烧嘴一般多用富氧(蒸汽+纯氧)作为助燃剂。如本公司设计的某焦炉气制甲醇装置的二段转化炉和某天然气制200kt/a 甲醇项目中的二段转化炉中心烧嘴均是引

进国外某公司,此烧嘴自身的性能优越,在高温下不需要通蒸汽保护可以安全运行约5年;而新疆某焦炉煤气综合利用项目的二段转化炉的中心烧嘴采用国内某公司的产品,由于烧嘴不能保证在无蒸汽保

护下安全运行,所以采用富氧作为助燃剂。我公司设计的二段转化炉有以下几种形式:(1)内蒙古某天然气制1000kt/a 甲醇项目中

的一套装置采用一段蒸汽转化炉+二段转化炉的转化工艺,此二段转化炉的壳体为二手设备,内衬是由我公司设计,国内施工。此二段转化炉中心烧嘴采用纯氧作为助燃剂,外部无水夹套,主要通过转化炉外壳上的变色漆的变化来确定内衬是否完好,是否

有超温现象,目前已投料生产两年多。(2)某焦炉气制甲醇装置和某天然气制200kt/a 甲醇项目二段转化炉的中心烧嘴采用纯氧作为助燃剂,外部设有水夹套,主要通过夹套内的水的蒸发量是否超标来确定内衬是否完好,是否有超温现象,目前天然气制甲醇项目二段转化炉已经投料

生产。

(3)某50kt/a TDI 工程制氢装置的二段转化炉中心烧嘴采用纯氧作为助燃剂,外部无水夹套,主要通过外壁布置的测温热电偶输出的温度高低来确定内衬是否完好,是否有超温现象,目前已经投料生产。此转化炉内部无催化剂,属无催化部分氧化,是我公司做的第一套无催化部分氧化二段转化炉。

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2009《化工设备与管道》增刊一

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(4)新疆某焦炉煤气综合利用项目合成氨装置的二段转化炉中心烧嘴采用富氧作为助燃剂,外部

有水夹套,主要通过夹套内的水的蒸发量是否超标来确定内衬是否完好,是否有超温现象,目前正在制造中。

二段转化炉的设计可分为外部受压壳体的设计和内部内衬的设计。在设计中主要需要注意以下问题。

1 转化炉受压壳体的设计

转化炉受压壳体的几何尺寸一般是根据工艺条

件确定,在审查工艺条件时要注意中心烧嘴端部与催化剂床层的距离,以防火焰烧到催化剂,烧坏催化剂。以富氧和纯氧作为助燃剂时,对中心烧嘴端部与催化剂床层的距离要求是不同的。纯氧作为助燃剂时中心烧嘴端部与催化剂床层的距离要比以富氧作为助燃剂的大2m 左右。

催化剂的装填量一定时,转化炉筒体直径和高

度关系到催化剂床层的阻力降、转化气在催化剂床层的停留时间和催化剂下部球拱的受力。转化炉壳体的设计计算是常规的压力容器设计计算,可以用S W 6的计算模型按塔设备进行计算。设计温度、设

计压力等参数是根据工艺条件和相关规范确定,并将催化剂和内衬等载荷按照填料或折算成集中载荷输入,同时应特别注意工艺气进口管道和转化气废热锅炉对转化炉的力和合力矩的作用。由于工艺气进转化炉温度一般在450～650℃,工艺管道对转化炉有比较大的外力和力矩,转化炉壳体设计计算中应把此力和力矩考虑进去。转化气出口直接与转化气废热锅炉相连。转化气废锅外壁250～300℃左右,长12000～15000mm,工作时有较大的热膨胀量(36～45m m),转化气废锅工作时要位移,反过来给二段转化炉一个反作用力(300000～50000N),对筒体与裙座的焊接接头及基础有个横向力和弯矩,这个力比较大,计算时必须考虑进去。同时还应对此处进行局部应力计算,核算开孔处局部应力满足要求。

2 转化炉内衬的设计

转化炉内衬的设计主要是根据温度参数和所配置的内衬材料的导热系数和厚度进行传热计算,计算出外壁温度,以验证所选取的内衬材料和厚度是

否合适。

目前我公司所做过的二段转化炉的内衬结构有三种:无催化剂的转化炉采用三层砖结构;以纯氧作为助燃剂的转化炉采用一层砖+两层浇注料结构;以富氧作为助燃剂的转化炉采用两层浇注料结构。无催化剂的转化炉下部不需要球拱,有催化剂的转化炉下部需要设有支撑催化剂的球拱,球拱除了要耐高温外还要支撑数十吨重的催化剂和球拱上下的操作压差。国内二段转化炉曾经发生过多次球拱坍塌事故,因此球拱的材料、结构、拱高和开孔率非常重要。球拱因其所处的工作环境温度为～1000℃,工作环境为还原性气氛,其材料必须选择低硅重质刚玉砖,其Al 2O 3的含量≥99%,S iO 2的含量≤0.15%,Fe 2O 3的含量≤0.1%。从球拱的受力来

看,拱的跨度越大,曲率半径越大,其受力状况越差,越容易坍塌,因此设计时尽量选择跨度较小的拱,可以通过调整曲率半径大小来满足要求;球拱的中心角一般为60°和90°,球拱的高为300～320mm 。

二段转化炉筒体的内衬从内到外依次为低硅重质刚玉砖(或低硅重质刚玉浇注料)+氧化铝空心球浇注料+保温隔热浇注料。

二段转化炉的内衬结构直接关系到二段转化炉

的安全稳定运行,目前三种内衬结构的二段转化炉都有开车的,但采用砖结构的开车时间都不长。据反映由于焦炉气装置开车阶段操作非常不稳定,时开时停,转化炉内温度一会高达1450℃,一会是

300℃左右,造成刚玉砖内衬急冷急热,常常发生刚玉砖表面脱皮剥落现象,造成催化剂床层表面盖上一层刚玉砖碎片,加大气体流动阻力。而低硅重质刚玉浇注料的抗急冷急热能力比低硅重质刚玉砖要好得多,因此现在二段转化炉的内衬大多改为双层

浇注料结构。

二段转化炉的内衬比较特殊,对二段炉的安全稳定运行非常重要,选择合作伙伴时一定要选择那些具有业绩支撑的专业耐火材料生产厂家。由于内衬的施工决定内衬的质量,二段炉的内衬又有许多独特的特点,最好由耐火材料生产厂家完成筑炉比较理想。内衬施工自然干燥后的一定时间内应该进行烘炉,特别是对一些冬季会结冰的地方更应在气温降到5℃以下之前烘炉。烘炉应严格按照制定好的烘炉曲线进行,避免温度升高或下降过快,造成对转化炉内衬的损坏。

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