制氫裝置轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐設(shè)計(jì)探討

1、制氫裝置轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐設(shè)計(jì)探討黃小平(中國(guó)石化工程建設(shè)公司 , 北京 100011 摘 要 :制氫裝置轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐的煙氣壓力 、 溫度高 , 煙氣中含有氫 , 有腐蝕且計(jì)算復(fù)雜 , 因此設(shè)計(jì)難 度較大 。 本設(shè)計(jì)中 , 對(duì)鍋爐的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了改進(jìn) , 采用了撓性管板 , 管板與換熱管的連接采用了強(qiáng)度焊加 貼脹 , 管板和換熱管均采用了 15CrM o 材質(zhì) 。關(guān)鍵詞 :轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐 ; 氫腐蝕 ; 撓性管板 ; 材質(zhì)選擇中圖分類(lèi)號(hào) :TE969 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B 文章編號(hào) :100628805(2004 0520007203 在制氫裝置中 , 轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐是工藝流程 中一臺(tái)非常重要的設(shè)備

2、 。 工藝原料 (碳?xì)浠衔?、 水蒸汽 在轉(zhuǎn)化反應(yīng)爐中進(jìn)行反應(yīng)后 , 產(chǎn)生約 800 的轉(zhuǎn)化氣 (主要成分為一氧化碳 、 二氧化碳 、 氫氣 、 殘余甲烷和水蒸氣 , 這部分轉(zhuǎn)化氣需冷卻 至 360 左右然后進(jìn)入中溫變換反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一 步反應(yīng) 。 轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐既能將這部分高溫轉(zhuǎn)化 氣冷卻下來(lái) , 同時(shí)還利用這部分熱能產(chǎn)生蒸汽 , 以 降低裝置能耗 。與煉油裝置一般的余熱鍋爐相比 , 這臺(tái)鍋爐 有以下特殊性 :(1 煙氣壓力高轉(zhuǎn)化氣進(jìn)口溫度約 800 , 壓力約 217MPa 。 與一般的鍋爐相比 , 煙氣壓力要高很多 , 因此采用 火管式結(jié)構(gòu) ;(2 存在氫腐蝕轉(zhuǎn)化氣中含有氫氣 , 且氫氣

3、分壓力較高 , 同時(shí)轉(zhuǎn)化氣溫度也較高 , 因此易發(fā)生高溫氫腐蝕 , 在設(shè) 備材料的選擇上要特別考慮 ;(3 計(jì)算復(fù)雜 其計(jì)算的復(fù)雜性體現(xiàn)在兩方面 :一是因煙氣 側(cè)介質(zhì)為工藝轉(zhuǎn)化氣 , 其煙氣特性較一般鍋爐計(jì) 算有改變 ; 二是采用撓性管板 , 有些情況下需對(duì)管 板進(jìn)行有限元分析 , 計(jì)算難度大 。本文結(jié)合大連西太平洋石化公司 6×104m 3/h 制氫裝置轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐設(shè)計(jì)中的幾個(gè)具體問(wèn)題 進(jìn)行一些探討 。這臺(tái)鍋爐從 1993年裝置開(kāi)工投 產(chǎn)至今已安全連續(xù)運(yùn)行了 10年 , 未出現(xiàn)任何問(wèn) 題 。 1 鍋爐形式 本鍋 爐 為 火 管 式 結(jié) 構(gòu) , 轉(zhuǎn) 化 氣 進(jìn) 口 溫 度 800

4、、 壓力 217MPa ; 出口溫度 360 。鍋爐產(chǎn)生 412MPa 、 256 中壓飽和蒸汽 。 鍋爐結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖 1。 圖 1 轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意 鍋爐結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn) :(1 因轉(zhuǎn)化氣溫度 、 壓力均較高 , 為保證轉(zhuǎn)化 氣進(jìn) 、 出口集箱的強(qiáng)度 , 集箱殼體采用冷壁設(shè)計(jì) , 內(nèi)部襯隔熱耐磨襯里 。 在襯里的內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)襯收稿日期 :2004202210作者簡(jiǎn)介 :黃小平 (1963, 男 , 高級(jí)工程師。 1983年畢業(yè)于 西北建筑工程學(xué)院供熱暖通專(zhuān)業(yè) , 畢業(yè)后一直在中國(guó)石化工 程建設(shè)公司從事熱工設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。套 , 以避免長(zhǎng)期受煙氣沖刷造成部分襯里表面破 壞并使 襯 里 碎

5、渣 沖 入 轉(zhuǎn) 化 氣 。內(nèi) 襯 套 材 料 為 Cr25Ni20, 分為幾段 , 可自由膨脹 ; (2 在換熱管中部設(shè)有一個(gè)直徑為 300mm 的 旁路管 , 其出口設(shè)有調(diào)節(jié)閥頭 , 通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)旁路 管的煙氣量可以控制轉(zhuǎn)化氣出口溫度 , 以方便操 作 , 并適應(yīng)裝置加工負(fù)荷的變化 ;(3 鍋爐的汽 、 水循環(huán)為自然循環(huán) 。 本臺(tái)鍋爐 與裝置內(nèi)的另一臺(tái)余熱鍋爐 (轉(zhuǎn)化爐余熱鍋爐 共 用一個(gè)汽包 。汽包布置在鍋爐側(cè)部的汽包框架 上 。 爐水通過(guò)下降管進(jìn)入鍋爐與煙氣進(jìn)行換熱 , 產(chǎn)生的汽 、 水混合物通過(guò)上升管返回汽包 。分離 后的飽和蒸汽接入轉(zhuǎn)化爐余熱鍋爐過(guò)熱 , 過(guò)熱后 供使用 。2 材料選

6、擇轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐煙氣側(cè)介質(zhì)為轉(zhuǎn)化氣 , 主要 成分為一氧化碳 、 二氧化碳 、 氫氣 、 殘余甲烷和水 蒸氣 。 因?yàn)檗D(zhuǎn)化氣進(jìn)口溫度和壓力均較高 , 設(shè)備 易產(chǎn)生高溫氫腐蝕 , 腐蝕形式主要為以下幾種 : (1 表面脫碳金屬表面脫碳為均勻的化學(xué)腐蝕 , 表現(xiàn)為設(shè) 備的壁厚減薄 。 在高溫 、 高壓條件下 , 氫與鋼材中 的不穩(wěn)定碳化物發(fā)生反應(yīng)生成甲烷 , 使鋼材中的 碳原子從材料中失去 , 孤立的金屬原子很容易被 別的腐蝕介質(zhì)奪去 , 或因介質(zhì)的沖刷而脫離鋼材 , 從而使金屬減薄 , 同時(shí) , 失碳也會(huì)引起金屬?gòu)?qiáng)度的 降低 ;(2 內(nèi)部脫碳內(nèi)部脫碳主要為化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕的綜合 作用 。 它的

7、產(chǎn)生首先是氫原子侵入鋼材內(nèi)部 , 在 一定的溫度和壓力下 , 與鋼材中的碳化合生成甲 烷 。 甲烷氣因?yàn)槠浞肿虞^大不能從鋼材中逸出 , 積聚在晶界或夾雜物附近 。隨著甲烷氣的增多 , 壓力逐漸升高 , 最終導(dǎo)致裂紋和鼓泡的產(chǎn)生 , 引起 金屬破裂 ;(3 氫鼓泡氫原子滲入到金屬材料內(nèi)部 , 遇到裂紋 、 氣孔 等空隙處 , 會(huì)聚集并結(jié)合成氫分子 , 產(chǎn)生體積的膨 脹 , 從而產(chǎn)生很高的壓力 , 這個(gè)壓力將導(dǎo)致原微觀 缺陷的擴(kuò)展 , 產(chǎn)生氫鼓泡 。根據(jù)上述氫腐蝕的形式 , 經(jīng)查閱有關(guān)資料并 結(jié)合以前臨氫設(shè)備設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn) , 本鍋爐殼體和換 熱管束均采用 15CrM o 材質(zhì) 。 3 管板設(shè)計(jì)在余熱

8、鍋爐設(shè)計(jì)中 , 管板設(shè)計(jì)是非常重要的 , 對(duì)鍋爐的安全和長(zhǎng)周期運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用 。 管 板有二種不同的形式 :剛性管板和撓性管板 。 311 剛性管板剛性管板制造及計(jì)算均較容易 , 但受力情況 較差 。 設(shè)計(jì)時(shí) , 實(shí)際上將剛性管板看作是一個(gè)平 蓋封頭 , 同時(shí)要考慮在管板上開(kāi)孔的強(qiáng)度削弱 , 因 此算出的管板較厚 。對(duì)于本臺(tái)鍋爐 , 如果采用剛 性管板 , 其厚度將達(dá)到約 110mm , 過(guò)厚的管板不但 無(wú)益 , 反倒有害 。在管殼式余熱鍋爐中 , 換熱管的壁溫一般高 于汽 、 水飽和溫度 , 而鍋殼溫度又略低于汽 、 水飽 和溫度 , 這樣 , 管 、 殼程之間就存在著一定的溫度 差 ,

9、 從而使管子的膨脹量大于殼程膨脹量 。如果 采用剛性管板 , 由于管板較厚 , 不容易吸收這部分 膨脹量 , 易引起換熱管與管板的接頭開(kāi)裂 、 滲漏和 換熱管損壞 。由于剛性管板較厚 , 所以管板兩側(cè)的溫度差 也較大 , 因此產(chǎn)生的熱應(yīng)力也大 。同時(shí)過(guò)厚的管 板也使得管板高溫側(cè)的熱量不易傳出 , 金屬溫度 升高 。 這些均對(duì)管板的強(qiáng)度和壽命有很大影響 。 312 撓性管板另一種形式的管板是撓性管板 , 撓性管板的 計(jì)算根據(jù) G B/T 16508 鍋殼鍋爐受壓原件強(qiáng)度計(jì) 算 。 當(dāng)換熱管與管板采用焊接連接時(shí) , 換熱管可 以看作是拉撐桿 , 因此管板厚度僅與假想圓直徑 , 即換熱管束外緣與鍋爐

10、殼體之間的距離有關(guān) 。 因 此計(jì)算出的管板厚度較之剛性管板大大減薄 。 本 臺(tái)鍋爐采用撓性管板 , 管板材質(zhì)為 15CrM o , 管板 厚度為 40mm 。撓性管板與殼體的連接方式也有利于換熱管 的膨脹 。 撓性管板與殼體之間采用圓弧過(guò)渡 , 可 以起到膨脹節(jié)的作用 , 同時(shí)由于管板較薄 , 允許有 一些撓性變形 , 可以有效地吸收管 、 殼程之間因溫 度不同而引起的膨脹差 。另外由于管板較薄 , 管板兩側(cè)的溫度差也較 小 , 因此產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及高溫側(cè)管板的金屬溫 度均較低 , 這對(duì)管板的強(qiáng)度和壽命均有好處 。 但采用撓性管板也存在一些問(wèn)題 , 如 G B/T 16508的適用范圍為 “蒸

11、汽壓力不大于 215MPa ” , 因此在設(shè)計(jì)中 , 還需結(jié)合以往設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn) , 如果需要 , 可借助有限元分析等方法 , 對(duì)管板的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較 、 分析 , 以得到合理優(yōu)化的方案 。 2000年齊魯石化公司第二制氫裝置轉(zhuǎn)化氣 余熱鍋爐方案設(shè)計(jì)時(shí)采用了撓性管板 , 設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn) 行了有限元分析 , 分析結(jié)果滿(mǎn)足要求 , 證明這種結(jié) 構(gòu)是合理的 、 可行的 。 4 換熱管與管板的連接形式余熱鍋爐換熱管與管板的連接形式有 :強(qiáng)度 脹接 ; 強(qiáng)度焊接 ; 強(qiáng)度脹加密封焊 ; 強(qiáng)度焊加貼脹 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn) , 強(qiáng)度焊加貼脹是比較理想的連接 方式 , 如圖 2所示 。圖 2 換熱管與管板的連接形式示意

12、 管板與換熱管焊接 , 應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱 、 焊后熱處理 。 焊前預(yù)熱溫度為 150250 , 焊后熱處理 溫度為 650680 , 保溫 115h 。 對(duì)于換熱管 , 由于其外側(cè)得到了飽和水的冷 卻 , 管壁溫度并不高 。 但管子與管板的連接部位 , 由于與該段管子相接觸的是管板 , 熱量無(wú)法散出 , 因此這部分管接頭及焊縫就容易超溫 , 導(dǎo)致金屬 強(qiáng)度的降低 。 其解決的辦法是在該段管子處加一 個(gè)保護(hù)套管 (見(jiàn)圖 2 。 保護(hù)套管的材料一般采用Cr25Ni20、 陶瓷或剛玉材料 。非金屬套管在隔熱方面要優(yōu)于金屬套管 , 但其材料成分與加工精度難于控制 。本設(shè)計(jì)中套管材料采用 Cr25Ni20

13、。套管與換熱管之間要保證有一定的縫隙 , 一 般取 3mm 左右 , 這樣才能保證隔熱效果 ?？p隙處 填充陶纖等隔熱材料 。 5 其他(1 為了避免下降管的鍋爐水直接沖刷換熱 管 , 在下降管入口處設(shè)有分水擋板 , 鍋爐水進(jìn)入殼 體后沿分水擋板均勻分散至殼體底部 , 一方面避 免了爐水對(duì)換熱管的直接沖刷 , 另一方面也將爐 水均勻送至鍋爐底部 , 有利于鍋爐汽 、 水循環(huán) ;(2 在煙氣旁路管調(diào)節(jié)閥閥頭處設(shè)有散流圈 和閥桿保護(hù)套 。 其作用一方面有利于旁路管中較 高溫度的煙氣能迅速擴(kuò)散 , 與經(jīng)過(guò)換熱管的低溫 煙氣均勻混合 ; 另一方面也保護(hù)了閥桿 , 不因?yàn)殚L(zhǎng) 久受高溫?zé)煔鉀_刷而影響其強(qiáng)度與

14、壽命 ;(3 上升管的布置應(yīng)在鍋爐前部 (高溫側(cè) 布置得密一些 , 后部稀一些 。這是因?yàn)殄仩t前部煙 氣溫度高 , 產(chǎn)汽量大 , 適當(dāng)?shù)亩嗖贾蒙仙苡欣谡羝氖鑼?dǎo) , 也有利于鍋爐水循環(huán) 。綜上所述 , 制氫裝置的轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐因其 煙氣溫度和壓力高 , 且煙氣中含氫等 , 因此是設(shè)計(jì) 難度較大的余熱鍋爐 。 在設(shè)計(jì)中需特別注意鍋爐 形式 、 鍋爐選材 、 管板形式 、 管板與換熱管連接等 難點(diǎn) 。 只有妥善的解決以上難點(diǎn)并在設(shè)計(jì)中不斷 總結(jié) 、 改進(jìn) , 才能夠設(shè)計(jì)出安全 、 合理的鍋爐 , 確保 裝置的連續(xù) 、 穩(wěn)定運(yùn)行 。 書(shū)訊石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程(2004版 出版 由原中國(guó)石油化工總公司組織制訂的 石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程 (中石化 1992 生字 69號(hào) (以下簡(jiǎn)稱(chēng) 規(guī)程, 自 1992年印發(fā)試行以來(lái) , 在加強(qiáng)石化企業(yè)設(shè)備 管理 、 提高設(shè)備可靠度 、 確保 “ 安 、 穩(wěn) 、 長(zhǎng) 、 滿(mǎn) 、 優(yōu)” 生產(chǎn)方面 起到了積極作用 , 深受石化企業(yè)的好評(píng) 。為進(jìn)一步完善 規(guī)程 , 更科學(xué)地指導(dǎo)石化企業(yè)的設(shè)備維護(hù)檢修工作 , 不 斷提高設(shè)備維護(hù)檢修質(zhì)量和設(shè)備管理水平 , 集團(tuán)公司暨 股份公司組織有關(guān)企業(yè) , 對(duì)原 規(guī)程 進(jìn)行了全面修訂 , 中國(guó)石化出版社已