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1、一段转化炉炉型设备操作规程1、1 烃类蒸汽转化炉的要求：（1）烃类蒸汽转化炉的工作条件比较苛刻，使用的都是耐高温的镍铬的合金材料，因此在炉子设计时要求合理使用炉管及尽量降低对炉管的要求，防止局部过热，使周向和轴向温度分布均匀。（2）烃类蒸汽转化是伴有传热、传质、动量传递和复杂化学反应的综合过程，要求传热与反应必须相适应，对于并行的复杂反应，能够控制其反应的进程。设计时所选用的炉型、原料、催化剂和操作条件是一个整体，不能乱套，我国两湖的气改油工程中出现的问题就是一个教训。（3）力求炉子结构简单、紧凑。（4）热能利用率高。1、2 现目前世界上有代表性的I.C.I、Topse、kellogg和Fos
2、ter Wheeler四种炉型。现结合神华天然气装置，主要介绍Kellogg型转化炉。1、2、1、 Kellogg型转化炉引进的年产30*104t合成氨装置中的转化炉，如图：1） 转化炉结构尺寸为13m（长）*17m（宽）*10m（高）。炉内装有378根炉管、分为9排、每排42根。每排炉管下端与一个下集气管焊接，下集气管外面有轻质绝热材料保温，集气管的中间又焊上一根上升管，九个上升管伸出炉顶与集气总管连接，集气总管内衬耐火材料。这种炉管排列又称竖琴式，增加产量，只需增加排数即可。2） 催化剂管及下集气管的重量是由固定在炉顶钢架上的189个弹簧支架承担，上升管和输气总管的重量由几个输气管弹簧承担
3、，因此，九排炉管及输气总管均处在弹簧支架的弹性吊挂状态。这种全部采用钢性焊接的管排在操作时因热膨胀差而产生热应力就可以大部分被这种弹簧吊挂系统所吸收。 、3） 辐射室顶部共装有200个自吸式烧嘴，炉底下烟道内都设置一个辅助烧嘴，以供给对流段热量不足。4） 脱硫后的工艺混合气预热至510由上集气管经上猪尾管通入转化炉内，气流从上向下流动，边加热边反应，转化炉管出口处温度达823，进入下集气管经上升管再加热至868，进炉顶的集气总管后再进入二段炉。燃料天然气经烧嘴燃烧后垂直向下，出辐射段温度为1025左右，经对流段，最后由引风机引出，其温度为252.5） 炉管规格为112mm（外径）*71 mm（
4、内径）*9582 mm（总长）材质为HK-40，设计温度为932，设计压力为3.4，操作时，管外壁最高温度为899，进口压力为3.6，进出口压差为0.5.传热面为1286.7，炉管热负荷为73。5MW，传热强度为55700W催化剂装载量为15.3m3，催化剂型号为C-119.规格为：上层15.9（外圆）*6.4（内圆）*6.4（高）；下层15.9 *6.4*9.5或15.9）*6.4*15.9。下集气管材质为Incoloy-800;上升管材质为Superthem（超热合金钢），规格为123*91*9536，传热面为32.5.1、2 、2 Kellogg型转化炉的特点：1） Kellogg型转化
5、炉的特点之一：是采用了竖琴式炉管结构，取消下猪尾管，一排垂直地焊接在下集气管上，而由上升管经工艺气引出炉外，炉管和上升管都置于炉内，都处于高温下工作，虽然上升管的温度稍高于转化炉管，但材料的线膨胀系数前者略小于后者，因此热膨胀相差不大所产生的热应力全由炉顶的弹簧支架承担。这一结构可节约炉管材料，提高管材料利用率，避免了炉底空气的漏入，降低了烟气含氧量，由于炉管和集气管都置于炉内，减少了热损失，对前面两种炉型讲，一段炉出来进入二段炉，温降达2030，而该炉通过上升管，反而温升30，和Topse一样，卸催化剂不方便，必须从炉顶抽出。一旦损失，必须停车，将整排炉管吊出更换，为了维持正常操作，要求更苛
6、刻，设计时必须留有更大的安全系数。2） Kellogg转化炉的特点之二：是采用小直径的转化炉管，其径内只有71mm，是目前使用的各种炉型中最小的。在此，我们讨论一下最佳化管径的选取问题，最佳化的标准是在同样的生产能力下，生产氨的成本最低。对转化炉这一局部问题来讲，应该是同样生产能力下，使生产能力下，生产氨的成本最低。对转化管这一布局问题来讲，应该是同样生产能力下，使用的转化管材最少，影响的因素较多，烃类蒸汽转化是强吸热过程。Kellogg转化炉也是顶烧炉，像I.C.I炉一样，保留了顶烧炉的一切优点。Kellogg转化炉的操作空速为1800h，接近I.C.I的二倍，因此一段炉炉管阻力降大，阻力降
7、达0.5MPa，动力损耗较大。1、3 Kellogg型转化炉结构与材料1、3、1、Kellogg型转化炉结构Kellogg型转化炉又称为排管型顶烧炉1） 炉管结构转化炉在辐射段有九段转化管，每排有一根上集气管、42根猪尾管、42根转化管、底部有一根下集气管和一根从下集气管中点通向炉顶输气管的上升管。42根转化管对称地分布于上升管两侧，每侧21根，组成转化管排结构（亦称竖琴管系），见图11-17.气体经对流段混合原料器加热到510，然后进入进气总管，再分配到九根并列的上集气管中（见图11-18）。每根上集气管则通过42根挠性的入口猪尾管与42根转化管相通，组成原料气进气系统。进气总管构成尺寸很大
8、的“门”形，以解决管系的热膨胀，因为由常温下安装到开工后加热操作，进气总管、进气支管、上集气管均有相当达的热膨胀量，这种三维空间的热膨胀势必再进气管系中引起数值很大的热应力。为了吸收这以热应力，进气总管采用六个弹簧支架支撑。进气总管尺寸为305mm，总长度为35.87m，管材为含碳0.3%的碳钢（ASTM106GrB）。九根上集气管的直径为152mm，材质与进气总管相同。每根上集气管的末端都用盲板法兰封死，必要时可以拆开检查或清理内部。每根上集气管用三个支座支撑在炉顶钢梁上（见图11-19）。考虑到上集气管热膨胀量较大，三个支座中只有中间那个支座用螺栓固定死，其余两个都是活动支座。这样，受热后
9、上集气管可以从中间支座处向两端伸长，比只向一端热膨胀移动量小。上集气管与猪尾管间采用承插管座焊接，藉以对管子开孔进行补强，管座材料为ASTMA105Gr段件。2）猪尾管采用猪尾管的目的：是用来补偿上集气管与转化管之间的热膨胀之差，因此在满足承压、耐温、阻力降的条件下，应尽可能减少猪尾管的钢度。采用猪尾管等于增加了弹簧吊架的弹簧常数。为了增加挠性，猪尾管采用薄壁合金管，并尽可能弯制成挠性好又紧凑的形状，（见图11-20）。猪尾管的规格为26.72.87mm，材质5/4Cr1/2Mo(ASTM A335GrP11)。猪尾管与转化管或上集气管的焊接接头详图见图11-21，都采用承插管座焊接，而且在尾
10、管端头一定要空出1.5mm的间隙，作为施焊中的膨胀间隙，以防填角焊缝根部微裂。为了现场焊接时便于组对，不至由于安装或制造误差给管系带来附加的应力，猪尾管在与上集气管相焊接的一端，多预留了50mm长，以便安装时按实际需要进行切割。猪尾管采用矿渣棉单管保温。3） 转化管转化炉管由加热段和伸出段组成。处于炉膛内的加热段，采用离心浇铸的高碳鉻镍不锈钢HK40.（ 辐射段的竖琴管排根据原厂记录在88年时转化管和上升管的材料已更换为HP-Mod，下集气管的材料更换为INCOLOY800H）处于炉膛之外的为伸出段，材质为低钼低合金钢管C-1/2Mo，牌号为ASTMA161GrT1.要求伸出段与加热段的连接焊
11、缝位于炉膛之外，一般在炉顶吊砖底面以上2mm至保温层顶面之间（见图11-20）。伸出段管子尺寸为1058.75mm（最小壁厚），长度为1.17m，管外用63.5mm厚的硅酸钙珍珠岩或石棉进行保温。转化管的加热段长度为9582mm，管子尺寸为11321mm。内壁疏松层约有1.6mm，外壁疏松层约为0.8mm，因此有效的密实壁厚仅为18.5mm。离心浇铸管的内、外壁均不作机械加工。管段焊前、焊后均不需热处理。但在开焊缝坡口时，应切去影响焊接质量的内壁疏松层。转化管顶部法兰为高颈对焊法兰，材质为焊钢（ASTM A105Gr）,采用金属缠绕石棉垫片。为防止入口处的法兰和密封垫片加热。引起损坏和泄露，在
12、法兰盲板上带有一段用陶瓷纤维充填的隔热柱。在距离顶部法兰228mm处，焊有二个63mm的碳钢管支撑耳，供弹簧吊架悬吊转化管之用。转化管下端通过锻造的Incoloy-800合金管座，与下集气管相连。 4） 下集气管下集气管的作用：是将42根转化管的气体汇集起来，送入上升管（见图11-17）。它处于高温下，除承受介质压力外，还要承受上升管与转化管、转化管与转化管之间的热膨胀之差，以及自身向两端热膨胀引起的热应力，因此受力情况较为恶劣。 过去，下集气管用HK40,由于高温时效、碳化物的严重析出，材质变脆，不能承受操作中由于膨胀造成的弯曲应力，曾发生过一系列事故。下集气管除要求在操作温度波动情况下仍保
13、持较好的塑性外，其上开孔较多，并需节能型大量焊接，还要求材质可焊性好。根据这些要求，目前都采用延性和焊接性能优于HK40铸材的Incoloy-800轧材来制造下集气管，但其热强性不如HK40，故在管外采取了隔热措施（见图11-23所示），避免烟气直接加热，使下集气管壁温不致升高，同时避免了焊缝在炉内因接受高温热辐射的破坏。隔热措施：是在下集气管外壁，包卷上二层厚度各为25.4mm的陶瓷纤维 保温毡，其外再卷一层12.5mm的真空成型耐火纤维湿毯，总厚度为63.5mm，湿毯搭接处涂以胶质含硅水泥，并用20-22#软钢丝扎紧。这些保温隔热材料的比重很轻，使因其重量引起的下集气管中的弯曲应力保持较小
14、值。下集气管在制造和现场组装中焊接量很大，它与转化管及上升管的连接均是通过锥形管座，进行对接焊，焊缝要作X光透视及着色检查。下集气管与转化管焊接处，为了能支撑转化管中的催化剂，不使催化剂颗粒落到下集气管中，又能使转化反应的气体顺利通过，在下集气管上与转化管锥形管座连接区内钻有6.35mm的小孔19个（见图11-23），这样对下集气管开孔削弱的程度减小，同时锥形管座也起了开孔补强的作用，但卸催化剂得从转化管顶部用真空抽吸，较为不便。下集气管的外景为141mm，壁厚为18.3mm，下集气管总长12.2m。两端用45mm厚的盲板封焊。5） 上升管上升管由受热段、外伸段及带衬里和水夹套的过渡段构成，其
15、下端通过管座焊在下集气管上，结构如图11-24所示。上升管的受热段处于炉膛中，它的壁温比转化管更高，达916以上（转化管虽然接受炉内热辐射，但有进行西热反应的气体大量带走了热）；它的直径也比转化管大，故应力状况较转化管恶劣；一旦破裂后果也更严重。如原料（天然气）中含氮量很低（3%-4%）时，上升管材质可与转化管一样，采用HK40；当含氮量大于上述数值，则需提高 砖温度，上升管的温度相应也更高了。因此，目前都采用热强性更高的材料离心铸造的高钨超热合金Cr265 Ni35 Co15W(美国商品牌号为Supertherm).采用这种炒热合金后，上升管受热段壁厚减薄，由壁厚引起的温差热应力可相应减少。
16、但它的可焊性较差，需作焊后热处理，现场施焊很不方便，因此宜在制造厂预先完成上升管下端与材质为Incoloy-800的管座的焊接，只留下底部管座与下集气管之间的一道焊缝（均为Incoloy-800），在现场组焊。上升管受热段尺寸为12416.1mm（最小密实金属壁厚）。上升管内表面应节能型机械加工，以除去内表面的疏松层（因上升管温度较转化管高，内壁将该后对防止气体侵蚀有利）。由于超热合金的延展性差，对温度变化敏感，耐热冲击的性能差，容易发生脆性开裂，所以上升管伸出炉膛的部分外伸段，改用了延展性较好的耐热合Incoloy-800 （见图11-24）。 上升管的过渡段是上升管上部的耐热钢管与带隔热衬
17、里、水套的输气总管之间的过渡连接结构。上升管穿过炉顶处的保温结构如图11-25.炉顶的保温及密封，对于上升管和转化管都是必要的；能防止大量冷空气漏入负压操作的炉膛，但主要还是为了保护该部分高温炉管，一面在大量冷空气漏入时，产生过大的热应力和热疲劳，致使该处的炉管损坏。6） 输气总管输气总管的任务是把从九根上升管来的转化气汇集起来，输送到下一个工艺设备里去继续进行化学反应。由于炉子的出口转化气是高温、中压气体（866，3.4MPa），因此输气总管直径较大（内径508mm），已经不是一根管路，而是一个需作特殊考虑的重要高温中压卧式圆筒形设备。Kellogg型炉输气总管的结构是很有特色的。它是一个受
18、压圆筒，内有耐热衬里，外有水夹套。耐热衬里内表面衬有Cr25 Ni20材质的金属衬套（见图11-24），耐热衬里外表面为壁厚13mm的碳钢（ASTM285Gre）承压外壳，耐热衬里为泡沫氧化铝。 为了保证碳钢外壳壁温不超过许用温度范围（金属壁温设计值为260），设置了常压沸腾水夹套。夹套为有盖板的U型解雇，材质碳钢。盖板上有5个放空管，用以排除水夹套中产生的蒸汽。水夹套最下方有放水空。沸腾水夹套对水质的要求是比较爱高的，否则在受压碳钢壳体外壁上会结上水垢，使其壁温升高到危险的程度，所以水夹套中应加入锅炉用水或至少是软化水。对于合成氨厂，此水夹套 与二段炉的水夹套相通，并保持同一工作水平面。操作
19、中应注意水夹套中水位高低，不能使水烧干，一面发生事故。对于高温设备与管线使用水夹套，认为主要优点在于：（1）即使在传热量比设计大得多的不正常情况下，由于常压水的沸点仅为100，二沸腾水的给热系数很大，大大超过转化气流的给热系数，按传热学观点来看，碳钢受压外壳的金属温度也将接近沸腾水温，二不是接近于高温气流的温度。（2）当高温气流在泡沫氧化铝层的缝隙中串气时，受压外壳将有局部过热现象不但会进一步扩大。因为即使串气，外壳温度也不会显著增高，引起局部过热变形，或使衬里与壳体脱离，导致串气继续发展。（3）外壳金属的环向温差和纵向温差均很小，不会引起壳体变形，产生串气的可能性很小。二大气冷却式容器即使保
20、温层保持完好。壳体各部分温差也会相当达，容易引起衬里的局部开裂和串气。（4）带水夹套的壳体壁温低，能够保持壳体与保温层贴紧，不容易产生间隙，是设计的有利条件。大气冷却式容器如果采用同样的保温材料，向达到同样的壁温就得采用较厚的保温层，导致设备费用增加。（5）受压外壳的壁温肯定比大气冷却式要低且较均匀，膨胀量要小，且能预计，防止了由于壁温不均匀而引起附件和不正常热应变，使与膨胀有关的系统设计简化和准确。不带水夹套的设备，在气候条件按或温度条件变化时，都会造成温度不均匀导致衬里不均匀，出现热点，一旦出现热点，就有可能在几分钟内 使设备达到危险程度。采用水夹套也存在如下一些缺点：（1） 不能直接观察
21、器壁情况；（2） 保温层的隔热情况是否良好，只能从水夹套的沸腾情况或测定水的汽化量来判断；（3） 传热量在小面积上局部增大，一般查不出来；（4） 当发现蒸汽量增多时，不能查出过热区的确切部位；（5） 夹套里的水可能会引起受压外壳表面的腐蚀。对于采用水夹套的利弊问题，Kellogg公司大约在20世纪50年代中期谨慎考虑过了，最主要的是考虑安全问题，重点放在如何充分保护承压碳钢壳体因过热而造成破裂的问题上。所以凡在高温下操作并可能由于局部过热而迅速引起破裂的设备，Kellogg公司决定以水夹套结构作为标准选型。有些高温设备没有使用水夹套，运行也很顺利，如法国Tope一段炉的输气总管便没有采用水夹套
22、，其结构见11.5.3节。因此我们不能说，任何高温设备一定要采用水夹套才行。凡是与高温含氢气流相接触的绝热耐火材料，必须保证很低的含硅量，以防止所谓“硅迁移”。如上述泡沫氧化铝绝热耐火层，二氧化硅含量就不得大于0.5%。因为在800以上的氢气流中，含硅的耐火材料会发生二氧化硅还原称挥发性的一氧化硅的化学反应；而在温度低于700时，一氧化硅又能被氧化成固态的二氧化硅。“硅迁移”的化学反应式如下：SiO2+H2SiO+H2O （ 大于800）SiO2+1/2H2SiO2 （大于700）这种“硅迁移”,使输气总管之后的设备进口堵塞；使变换炉中的触媒表面因覆盖上一层二氧化硅而丧失触媒活性；输气总管本身
23、的绝热耐火层，则因二氧化硅的大量“迁走”而丧失机械强度，以至松散脱落，使碳钢受压外壳直接受到高温气流的作用，壁温剧烈上升而破裂。早期的大型合成氨厂，曾经发生过这类“硅迁移”事故。自从采用含硅量极低的泡沫氧化铝绝热耐火材料代替一般硅酸盐耐热混凝土之后，事故就不再发生了。在输气总管浇注泡沫氧化铝绝热层时，应注意检查是否空洞或死角。检查应在固化前进行，尤其在锥形罩周围约356mm宽的距离内应进行涉嫌照相，如果发现有超过50mm见方的空洞，应立即返修。衬里干燥后，预作气密试验。7） 弹簧吊架一段转化炉的热膨胀是个比较重要的问题，在高温下材料的强度较低，系流除承受介质压力和自身重量所产生的应力外，还要受
24、热膨胀带来的应力。如膨胀问题处理不当，构件之间相互约束，将产生巨大的热应力。使构件立刻遭到破坏，有哪次设计时必须注意使高温承压构件尽可能少受或不受热应力。Kellogg型转化炉的特点之一，就是全部管排和输气总管的重量。采用几种规格的弹簧吊架悬挂在炉顶钢梁上，使炉管系统中由于各部分热膨胀的数值和方向不同所引起的热应力值为最小。（见图11-26） 悬吊管排的弹簧用来补偿“竖琴”管系膨胀和收缩的变形量，减少炉管热应力，抵消一定安装应力。管排弹簧采用两种规格：每个管排两端最上边的那一根转化管，又能够一种规格的弹簧吊架，弹簧吊架的支撑载荷约为654kg，近似弹簧刚度K=30kg/cm；其余的40根转化管
25、用另一种规格的弹簧，两根转化管共用一个弹簧吊架，每个弹簧吊架的支撑载荷约为1300kg，近似弹簧刚度K=54kg/cm。九个管排共有198个弹簧吊架，通过特质吊杆悬吊在炉顶钢梁上。 两根管共用一个弹簧吊架的结构如图11-27.两根转化管共用一个弹簧吊架的好处是不仅减少了弹簧吊架的数量，而且不妨碍装催化剂。相邻两根转化管的碳钢耳轴，悬挂在两块鞍形板上，鞍形板的结构使得这一对管子间就是稍有一些热膨胀差，仍能得到补偿，然后通过吊板、吊杆与弹簧连接起来，全部重量由焊接吊杆顶部钢梁传给立柱承担。单根转化管用的弹簧吊架结构也基本相同。转化管排的弹簧吊架，主要承担转化管及其管中的触媒重量。下集气管及其保温，
26、以及猪尾管，也就是转化管排的198根弹簧承受。输气总管共有九个弹簧吊架。为了维持与二段炉进口管的相对标高，保证输气总管的水平，在用盲板封死的自由端设置一个垂直方向固定，而沿管子轴向可以移动的滑动支撑。九个弹簧几乎承担了输气总管与其相连接的九根上升管的全部重量，每个弹簧吊架平均分担2270kg，近似弹簧刚度在193-475kg/cm之间，这些弹簧吊架还要满足许可工作位移值63.5mm的要求。弹簧吊架系定型产品，根据三个已知条件进行选定，即由冷态到热态的位移值、热态时的载荷、支撑载荷允许有多大波动范围；然后按定性产品的“弹簧尺寸选择表”，选定适用的型号和规格。8） 对流段加热盘管Kellogg型一
27、段炉的总热效率可达87%，而辐射段中转化管只能吸收总热量一半左右，烟道气的其余部分热量在对流段各个加热器中回收利用。对流段为型结构，靠近你辐射段为高温侧，去引风机端为低温侧，在型顶部，即高温侧与低温侧连接段，有一条从辅助锅炉来的烟气通道，引入设计温度为619的辅助锅炉烟气，使对流段顶部烟气温度由580提高到585，为了使辅助锅炉烟气在进入对流时能混合均匀，用多孔挡板进行分配；在混合后烟气向下进入对流段的低温侧时，也设有一块多孔分配板。对流段设置六组加热管。在高温侧有三组：混合原料加热器、空气蒸汽加热器、高压蒸汽过热器（高温侧）。在对流段的低温侧有四组加热盘管：高压蒸汽加热器（低温侧）、原料气预热器、锅炉给水预热器、燃料气预热器。高压蒸汽对过热器由于换热面积很大，分成两部分，分别安置在对流段顶部两侧，用横跨对流段两侧横过管，把低温侧已经过热的高压蒸汽通过横过管导入高温侧的蒸汽过热器，进一步过热。各加热盘管具体位置见图11-28.为了强化传热，对流段加热盘管分为光管和翅片管两种。在烟气入口端，由于烟气温度很高，以辐射传热为主，故采用光管。在对流传热占主要部分的加热盘管，则广泛用螺旋卷焊锯齿形翅片管，低温侧部分盘管全部翅片管。翅片在绕焊到盘管之前，为一条有锯齿形槽口的长钢带，将它连续的缠绕到加热盘管上，并同时进行电阻接触点焊，在翅片上开锯齿形槽的目的是加强烟气 扰动。