02转化炉

采用小直径的转化炉管
内径一般只有71mm。空速高，阻力降大， 动力损耗大。
竖琴管顶烧方箱炉结构简图
5.2.4梯台炉特点（Foster Wheeler炉型）

辐射室外型为梯台型，火焰沿倾斜炉 墙平行燃烧。火嘴倾斜向上的为正梯 台炉，反之为倒梯台炉。其优点是可 以分段控制火焰。目前在我国尚未推 广此炉型。
2.1 烃类蒸汽转化的化学反应式
2.1.1气态烃蒸汽转化反应式 CH4+H2O=CO+3H2 －206.4kJ/mol CH4+2H2O=CO2+4H2 －165.3kJ/mol CO +H2O=CO2+H2 41.2kJ/mol CO2+ CH4=2CO+2H2 －247.3kJ/mol CnH2n+2(多碳烃) ＋ nH2O →nCO ＋ (2n＋1)H2 －Q 2.1.2液态烃（CnHm）蒸汽转化反应式 CnHm + nH2O → nCO ＋ （n+m/2）H2 －Q (2-1） CO+3H2 → CH4+H2O 206kJ/mol （2-2） CO +H2O → CO2+H2 41.2kJ/mol （2-3）
（制氢）转化炉讲议
1. 概

述
烃类蒸汽转化炉（管式转化炉、制氢 转化炉）是以烃类为原料，用蒸汽转 化法生产合成氨原料气和氢气。炼油 厂的制氢炉、甲醇厂的制氢转化炉和 合成氨厂的一段转化炉等都属于烃类 蒸汽转化炉。转化炉是蒸汽转化工艺 中的关键设备之一。
2. 烃类蒸汽转化的基本原理

转化反应原理：用水蒸汽作氧化剂与 合格的烃类为原料，通过转化催化剂 床层，在高温下，水蒸汽与烃类发生 裂解反应，生成H2、CO、CO2。是 强度吸热反应。 通过变换工艺和提纯 工艺可以得到氢气。所用烃类原料主 要是天然气，亦可用丙烷、丁烷、液 化石油气及轻石脑油。


方箱型
辐射段为方箱型，管排紧凑、数目增减灵 活，占地少，炉宽不受产量限制，适宜大 型化。


对流段设置在炉侧
安装拆修方便，但占地较大。

茂名分公司联合二车间6×104m3/h 制氢装置的转化炉就是与此类型相 似的炉子。
I.C.I型转化炉结构简图
茂名分公司6×104m3/h制氢装置的转化炉 炉膛尺寸为长(18.22)×宽(14.25)×高 (25)，六排炉管，每排54根，共324根。 炉顶设置七排燃气燃烧器，每组16个，共 112个。 炉管规格为ф123×10×14500，装载转 化催化剂32.4m3，炉子热负荷97.088MW, 管外壁最高温度为950º C，操作压力 3.1MPa，炉管材质为ZG40Ni35Cr25Nb （HP-40Nb），下猪尾管和下集气管材质 为Incoloy-800。
下集合管（4 根） 规格：ф1056×28×18187 材质：20R(内衬套Cr25Ni20) 下支尾管（ 1 根） 规格：ф32×3.5×2038 材质：Cr20Ni32 （Incoloy-800） ※对流段炉管

※板式空气预热器
※燃烧器
5.2.2侧烧箱式炉特点(Topsфe炉型) 侧烧
3.2催化剂的组成


活性组分：一般使用的活性组分为Ni，成 品催化剂为NiO，因此使用时必须先还原 成Ni。 载体：载体在催化剂中起分散镍的作用 （使其生成细晶），隔离作用（防止晶粒 长大）和骨架作用（赋于一定的形状和强 度）。其主要组分有Al2O3、MgO、CaO、 SiO2、K2O等。
4. 影响制氢转化炉的因素
梯台炉结构简图
茂名新制氢转化炉管单体图
转化炉管 下支管靠集合管端旧接头 下支管新接头 下支管
450
下集合管 Ⅱ放大
下支管靠炉管端接头 Ⅰ放大
图1 下支管开裂位置图
5.3 制氢转化炉的炉管

烃类蒸汽（制氢）转化炉的炉管根据 不同炉型主要有：辐射段的转化管、 对流管、上（下）集合管、上（下） 猪尾管、进气管、上升管等。而转化 管（通常叫炉管）是制氢转化炉的关 键部件，它的费用约占整个炉子费用 的40%~50%。
3.烃类蒸汽转化催化剂

烃类蒸汽转化过程是在催化剂 的促进下进行的，由于转化的 原料不同、使用的炉型不同， 对催化剂的要求也不一样，因 此，催化剂的品种也很多。
3.1 对催化剂的要求



转化活性好，有抗析碳能力； 机械强度高，耐高温、耐压、耐磨； 稳定性好，在高温度、高水蒸汽分压下 操作，其活性的强度不下降，且使用寿 命长。 合理的形状，既有利于活性的发挥，又 具有较高的机械强度及较小的操作阻力 降，过去多用环柱状，近年来多用五筋 车轮状。
5.炉型及结构

5.1炉型
制氢转化炉按辐射室供热方式及外型 分，可分为四种类型。 单管型顶烧方箱炉（I.C.I型） 竖琴管顶烧方箱炉（Kellogg型） 侧烧箱式炉（Topsфe型） 梯台炉（Foster Wheeler型）
5.2主要炉型特点及结构


5.2.1单管型顶烧方箱炉特点(I.C.I炉型) 顶烧
4.3 空速


一般用液体体积空速或碳空速来表 示转化负荷 空速越大，物料在管中的停留时间 越短，转化率降低，出口残余甲烷 升高，催化剂结碳增加。 空速加大可以减少催化剂用量，缩 小炉膛尺寸，提高管内传热系数， 降低转化管壁温。
此外，还应考虑


反应热和热量沿转化管长度方 向的分布。 流量分配和转化管的压力降。 转化管的长度和直径。 转化反应过程中的析碳和结碳。
火焰向下与炉管平行、工艺气与烟气并流、 沿管长方向温度梯度不可调节，从顶向下 30%~40%处的管外壁温度最高，易引起 局部过热，是炉管最易破裂的地方。燃料 气、液态均可，炉顶结构稍复杂。

单排管双面辐射
炉管周向辐射传热较均匀，对提高转化管 热强度和节省合金刚均有利。

冷底式猪尾管连接
生产中炉管不会弯曲、卸催化剂方便，炉 管破裂事件处理简单。但炉管利用率低， 热损失较大，热效率低。
5.3.1炉管材料选择应该考虑的因素




高温强度高，特别是持久强度高； 高温下抗氧化和耐腐蚀性能良好； 高温组织稳定性符合操作条件的要求； 热加工工艺性能良好，特别是可焊性； 经济性合理；管子供应方便； 管子外径公差应小，适合于胀接。

5.3.2烃类蒸汽（制氢）转化炉炉管 烃类蒸汽（制氢）转化炉，其生产过 程属于高温吸热反应，炉管表面温度 可高达800~1000℃，并承受一定的 压力，同时接触腐蚀性介质。由于使 用条件苛刻，因此必须采用奥氏体类 耐热钢及高铬镍合金。目前，制氢转 化炉管使用较为广泛的有HK-40和 HP-40Nb.

HP-40Nb是在HK-40基础上发展起来 的，其化学成分和技术性能相当于我 国钢号ZG40Ni35Cr25Nb和日本钢号 KHR35C，是当前用于乙烯裂解炉管 的主要耐热钢，也是近年来烃类蒸汽 转化炉辐射管为了减薄壁厚、节约能 耗、提高效率，代替HK-40高温合金 钢所选用的换代产品。
表-1：HP-40Nb与HK-40的化学成分对比表(%) 名 称 C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb
HP0.35~ 40Nb 0.45
≤ 2.0 ≤ 2.0
＜ ＜ 24~ 0.03 0.03 27
32~ 37
0.6~ 1.5
HK40
0.35~ 0.45
0.5~ 2.0
≤ 1.5
＜ ＜ 23~ 0.04 0.04 27
≤ 0.5
19~ 22
表-2：HP-40Nb与HK-40的机械性能对比表
项目
高温力学性能 常温机械性能

脱硫后的原料气按水碳比3.5与本装置的 3.5MPa中压蒸汽混合，进对流段预热至 约500º C，由辐射室顶部的集气总管经上 猪尾管分配至各炉管工艺气自上而下，在 催化剂的作用下，边加热边反应，出口温 度820º C，出口转化气经下猪尾管至集合 管，进入转化气蒸汽发生器与汽包水、汽 进行换热，换热后温度降至360~380º C， 然后进入中温变换反应部分。反应生成物 为H2、CO、CO2，以及残余的甲烷和过 剩的水蒸汽。



I.C.I型转化炉又称为单管型顶烧炉。以茂名 新制氢为例。 炉管结构及材料
I.C.I型转化炉结构及材料

炉管
※辐射段炉管（324根） 规格：ф123×10×14500 材质： ZG40Ni35Cr25Nb（HP-40Nb） 上集合管（ 3 根） 规格：ф267.4×16×18000 材质：1Cr19Ni9 上支尾管（ 2 根） 规格：ф32×3.5×9780 材质：1Cr19Ni9
900℃
名称
1000℃
σb MPa σs MPa δ %
密度 g/cm3
硬 度 HB
σb MPa
σs MPa
δ %
σb MPa
σs δ MPa %
适用 温度 ℃
HP40Nb
8.02
190 >440 >245
>8
>165 >8;60 >50 1100
HK40
7.75
180 >450 >245 >10 >142 >90 >20 >80
>57 >46 1000
5.3.3猪尾管




猪尾管的作用是传送工艺介质,减小高温下的炉管和 上下集(气)合管之间的变形。 猪尾管有上、下猪尾管之分。一般上猪尾管工作温 度低，常用的材质为20#钢、Cr5Mo、15CrMo、 1Cr18Ni9Ti等，下猪尾管工作温度高，受高温及氢 腐蚀，常用的材料为Cr16Ni36及Cr20Ni32等。 当转化压力高时上猪尾管与上集(气)合管连接；下 猪尾管与下(气)集合管采用锻制管嘴连接，当压力 低时，可采用无锻制管嘴连接。 猪尾管形状尺寸的设计取决于其工作条件。除要满 足高温内压的强度外，还必须减小操作中产生的变 形应力。
4.2 水碳比


水碳比是指转化进料中水蒸汽分子的总数 和原料中碳原子数的比值。写为H2O/C 对烃类水蒸汽转化过程来说，反应在低压、 高水碳比下进行是有利的。能减少催化剂 的结焦，降低床层出口的残余甲烷。 过高的水碳比导致蒸汽消耗量增大，管内 阻力降增加，燃料消耗量也增加，相应增 加了能耗。
2.2烃类蒸汽转化反应析炭和结碳



结(析)炭反应 2CO = CO2 + C ＋72.4kJ/mol （2-4） CO + H2 = C + H2O ＋122.6kJ/mol（2-5） CH4 = C + 2H2 －82.4kJ/mol （2-6） 甲烷蒸汽转化过程中，在事故条件下（水蒸 汽中断）也能发生析炭反应

影响制氢转化炉的因素很多，工 艺原料气体的成分、进出口温度、 反应介质的压力、热量的均匀分 布、催化剂的性能、水碳比、空 速等等都是影响制氢转化炉的重 要工艺因素。
4.1 温度、压力


转化反应是强吸热反应，提高温度对反 应的进行是有利的，但要考虑炉管的承 受能力。一般控制不大于950℃。 转化过程是强体积增大的一种反应过程， 增大反应压力对反应过程是不利的。但 由于工业氢气一般用于高压的化工过程， 所以从总体节能考虑，转化工艺一般都 在加压下进行。

此外，根据不同的炉型及工艺流程， 还有上、下集（气）合管，进气管，上升 管，输气总管，集气支管，集气总管等。 其作用、材质和结构等，根据不同的工艺 条件及流程，各有特点。


6.1转化炉管的判废 转化炉管的主要损坏形式是由蠕变裂纹引起 的蠕变断裂。目前在现场主要使用专用的超 声波探伤仪对炉管进行检查，借助计算机对 蠕变裂纹状况分析处理，并进行报废判断。 6.2转化炉管的主要损坏形式 烃类蒸汽（制氢）转化炉炉管的主要损坏形 式为：蠕变、热疲劳损伤、应力腐蚀等。
火焰与炉管相垂直，火焰极短，纵向温 度可自由调节。只适用气体燃料。

双排管双面辐射
周向传热不均匀，径向温差大，易造成 炉管弯曲。影响炉管使用寿命。

长箱型
侧烧炉炉管最多只能双行排列，为避免 炉子过长，采用双辐射室结构。但受产 量限制，占地多，炉子长。

热底式上下猪尾管连接
炉管破裂事件处理简单，仍存在保温及 热损失问题。

对流室设置在炉顶
占地少，但拆装不方便。
茂名分公司联合六车间南北（每套 2×104m3/h ）制氢装置的转化 炉就是与此类型相似的炉子。
Topsфe炉型结构简图

图片
5.2.3竖琴管顶烧方箱炉特点（Kellogg炉型）

竖琴管式结构
取消下猪尾管，转化管与下集气管刚性连 接。由置开炉内的上升管将工艺气引出炉 外。炉底封闭，结构简单，无冷空气漏入 热效率高，投资省。但事故处理及检修不 方便，且检修费用高，焊接难度大，易影 响生产。不宜推荐采用。