CO變換單元變換爐的布置和配管設計要點探討

王紅云（中石化寧波工程有限公司，上海 200030）

CO變換單元變換爐的布置和配管設計要點探討

王紅云
（中石化寧波工程有限公司，上海 200030）

結合工程經驗，以某裝置合成甲醇為例，對化工裝置中CO變換單元變換爐的布置和配管設計要點進行探討，為同類裝置設計提供借鑒經驗。

變換爐；設備布置；配管設計

1　概述

近年來隨著煤氣化裝置的發展，新建、擴建的煤氣化裝置越來越多，其配套的CO變換單元相應的也越來越多。CO變換是甲醇、氨、尿素等化工產品生產過程中的重要工段，該工段將CO變為易于清除的CO2的同時，又制得了重要的化工原料H2。其基本原理是CO與水蒸氣在催化劑的作用下發生反應生成CO2和H2，同時釋放出大量熱量。反應方程式如下：

在合成氨生產中，有效成分為H2、N2、CO，CO通常變換到0.3%以下，因此CO變換為合成氨原料氣的凈化過程，又是原料制氫過程的繼續。但對于合成甲醇生產而言，反應氣有效成分為H2、CO，并要求二者之間有一定的比例關系，CO變換僅僅為部分變換。因此，CO變換是合成甲醇生產過程中一個重要環節，而變換爐作為合成甲醇裝置中CO變換單元的關鍵設備之一，其設備布置和配管設計合理性對節省投資和裝置高效運行起著至關重要的作用。

2　變換爐簡介

變換爐有軸向變換爐和軸徑向變換爐。軸向變換爐由于氣體速度較大，為保證變換反應，所需的催化劑裝填量較多，催化劑床層較高，催化劑顆粒較大，因此其活性較低，床層壓力降較大，通常用于低溫變換、預變換等絕熱升溫較小的情況；軸徑向變換爐的徑向氣流方式具有流體分布更均勻，床層壓力降小，催化劑利用率高的特點，因此可采用粒度更小、活性更高的催化劑提高變換反應的效率。此外，軸徑向變換爐的徑向氣流方式還起到了冷卻設備殼體，使殼體在較低的溫度條件操作的作用，因此，軸徑向變換爐的應用更為廣泛。某裝置就采用軸徑向變換爐，催化劑采用寬溫（耐硫）鈷鉬系催化劑，其變換爐為熱壁式反應器，粗合成氣從頂部進入，經變換反應后，從底部流出，粗合成氣進口處設有分布器，出口處設有中心管。變換爐設有多只頂部插入式測溫儀，控制反應溫度。變換爐底部設有催化劑卸料口，變換爐內部的催化劑由耐火磁球支撐。

3　變換爐工藝流程

來自煤氣化裝置的粗合成氣進入某裝置CO變換單元分為兩路，一路經中低壓蒸汽發生器換熱、變換氣溶分離器氣溶分離，再經變換爐中壓蒸汽過熱器加熱后，送入脫毒槽。脫毒槽用于阻擋煤粉塵、炭黑等固體雜質及毒物，以保護后續的耐硫變換催化劑。脫毒后的粗合成氣進入變換爐進行CO變換反應，離開變換爐的高溫變換氣回收熱量后，與另一路不參加變換反應經降溫回收熱量后的非變換氣混合，送入酸性氣體脫除單元，如圖1所示。

圖1　CO 變換單元變換爐工藝流程簡圖

4　變換爐的布置

某裝置屬于甲類生產裝置，生產過程中使用的原料、化學品及輔助原料大多數都屬于易燃、易爆、毒性物質，氫氣、硫化氫、甲醇、甲烷等均屬于甲類火災危險物質，因此，火災、爆炸等是本裝置的主要危險，防火、防爆是裝置安全生產工作的重點。CO變換單元變換爐的布置應嚴格按《石油化工企業設計防火規范》、《石油化工工藝裝置布置設計規范》及其他現行有效的相關規定執行。當然整個裝置的布置跟生產能力和占地大小有很大關系，變換爐的布置我們盡量減少占地，節省投資，當然我們還應充分滿足工藝流程和裝置平面布置的要求，因此在進行CO變換單元變換爐的布置時應注意以下幾點。

1）根據生產過程需要，變換爐為高溫高壓設備并存在潛在火災危險性，宜露天布置，可以防止有害氣體積聚并且節省投資；且宜布置在裝置的一端或一側并靠近消防通道，同時考慮布置在可燃氣體、溶化烴、甲B類溶體介質設備的全年最小頻率風向的下風側。某裝置CO單元變換爐只有一臺，按工藝流程順序脫毒槽與變換爐中心線對齊布置在裝置的一側，如圖2所示。

圖2　CO變換單元變換爐的布置

2）變換爐的布置應滿足操作和檢修的要求，一般將變換爐周圍空間分成兩個區域：操作區和配管區。某裝置CO變換單元將變換爐一側靠近框架，以便于變換爐進出口管道、閥門和溫度壓力等儀表的敷設，另一側應留出裝卸催化劑所需的場地和通道，方便催化劑的運輸、堆放及裝卸，如圖2所示。

3）變換爐布置還應滿足施工安裝的要求，考慮其施工可行性，提供必要的吊裝、運輸或在現場進行組裝所需要的場地、空間和通道等。變換爐頂部應設裝催化劑和檢修用的平臺以及吊運機具，變換爐下部應留出催化劑裝卸的空間。卸料口在變換爐正下方時，其安裝高度應能使催化劑的運輸車輛進入變換爐下方，以便卸出廢催化劑，其凈空不宜小于3m；當變換爐的卸料口伸出爐座外，且允許催化劑就地卸出時，為了催化劑卸料方便，卸料口離地面凈空高度不宜低于1.2m。在確定變換爐裙座高度時除了考慮催化劑的裝卸外，還要注意催化劑結塊需要粉碎、過篩操作的高度。

4）變換爐的平臺設置應與變換爐的布置統一考慮，平臺應同時滿足檢修、操作和配管的需要。如果變換爐或相同設備是兩個及以上，宜按中心線對齊成排布置并且基礎面標高宜保持一致，這樣有利于考慮盡可能地把設備平臺做成聯合平臺以便節省投資。在確定變換爐中間幾層平臺的高度時，每一層平臺都應滿足變換爐熱電偶溫度計（溫度計在側壁安裝時）的安裝和檢修要求，在確定變換爐頂平臺高度及開孔大小時，應滿足變換爐裝填催化劑的操作要求，一般要求催化劑的加料點距離平臺為0.8-1m，如圖3所示。

圖3　CO變換單元變換爐成排布置

5　變換爐的管口方位

變換爐主要管口有進出工藝氣口、人孔、催化劑裝卸口、熱電偶溫度計口等以及吊柱和吊耳。變換爐頂部需要設置人孔，用于催化劑的裝填和內件的檢修，人孔大小一般為DN500～600，人孔宜布置在催化劑裝卸區一側，變換爐底部需要設置催化劑卸料口，在催化劑老化失活時將其卸出，催化劑卸料口應朝向檢修側或空曠地帶，以便于卸催化劑。卸料口處可不設操作平臺，如果設置操作平臺，卸料口下方的平臺應設置成可開啟的。變換爐熱電偶溫度計常見的安裝方式有徑向安裝和軸向安裝兩種。徑向安裝是在變換爐側壁開口，熱電偶從側面插入變換爐，軸向安裝是在變換爐頂部開口，熱電偶從頂部插入變換爐。變換爐溫度計采用徑向安裝時，通常需要設置多組溫度計才能滿足變換爐溫度檢測要求，相應的需要在變換爐側面設置多層平臺才能滿足溫度計的安裝和日常檢維修要求。變換爐溫度計采用軸向安裝時，只需要在變換爐頂部設置平臺就能滿足溫度計的安裝和檢修要求。綜上所述，在確定溫度計的管口方位時，一定要根據變換爐的結構特點和工藝要求設計管口方位，以某裝置溫度計采用軸向安裝為例，工藝要求以120°分布，如圖4所示。

6　變換爐的管道設計

通常CO變換單元的管道溫度和壓力較高，管道壁厚和口徑較大，因此在進行配管設計時應注意以下幾點。

1）變換爐進出口管道應敷設在靠近框架的配管區，避免法蘭、閥門等位于操作通道上方，以免對人身造成危害。變換爐進出口管道溫度和壓力較高，壁厚和口徑較大，特別是出口管道，因此管道敷設除滿足閥門易操作和檢修外，還應做到配管時管道有足夠的柔性，當進行柔性分析時應首先通過調整支架的形式和位置來降低管道對設備管口的推力和力矩，仍無法滿足要求時再考慮改變管道走向和增加自然補償的方法來降低設備管口的推力及力矩。因為變換爐進出口管道高溫、高壓且管徑和壁厚較大，則管道材料等級較高，價格昂貴，為減少管道材料和節省投資，應在滿足工藝要求的情況下，在管道及變換爐的允許受力范圍內，使管道最短，管件最少做到經濟合理，節約成本。

圖4　CO變換單元變換爐管口方位示意

2）管道布置應避開變換爐催化劑的裝卸區和操作區。如果變換爐頂部有可拆卸的頂蓋，并且頂蓋上有管道相連時，該連接管道應設置可拆卸的管段，與可拆段相連的管道應有永久的管道支架，使拆卸段拆除后不必增設臨時支架，并且平臺上給出放置頂蓋的位置并可承受檢修的荷載。

3）由于CO變換流程及布置的影響，變換氣管道主要在變換爐和換熱器以及氣溶分離器與換熱器之間來回穿行，通常換熱器布置在中間框架上，而變換爐和氣溶分離器分布在框架兩側，這就造成了變換爐和氣溶分離器與換熱器之間進出的管道直線距離較長。為了增加管道柔性，在配管設計時就要避免這些管道在平面上直線連接，而要通過走立面U形或Π形來增加管道的柔性。

4）變換爐進出口管道應盡早地進行應力分析，這樣有利于對于推力及力矩較大的管口及時地向設備專業提出管口受力要求，由設備專業核算管口受力要求后，對不能滿足受力要求的設備管口局部加以補強以提高管口受力。變換爐進出口管道應力計算后通常支撐點受力都比較大，管道敷設時應盡量靠近構建筑物的梁柱以便管道支吊架的生根點生根在梁柱上，同時應留出足夠的空間以免管道系統產生的熱位移與框架的梁柱及斜撐相碰。

5）變換爐進出口變換管道上所有開工循環硫化管線、去工藝火炬的管線和氮氣接入管線上閥門應靠近主管配，閥門不能比主管道低，支管嚴禁從主管下方接入，而且支管走向不能有袋型，否則容易積溶，如圖5所示。

圖5　循環硫化管線等接入變換管線配管示意

7　結語

變換爐是CO變換單元重要設備，其布置的合理與否與整個裝置工藝設計密切相關，對生產的安全性及投資都有著重要的影響。在做布置之前，要充分了解變換爐設備設計的基本參數，如設計的壓力、溫度、大小及介質特性等。對其管道布置設計時要充分解讀P&ID，這樣才能更安全、經濟、美觀地做好相關設計工作。

[1] SH3011-2011，石油化工工藝裝置布置設計規范[S].

[2] SH3012-2011，石油化工金屬管道布置設計規范[S].

[3] GB50160-2008，石油化工企業設計防火規范[S].

[4] 田旭，曹志斌，汪旭紅.變換反應器技術進展[J].大氮肥，2012，（1）.

Discussion on Layout and Piping Design Elements CO Conversion Means Furnace

Wang Hong-yun

Engineering experience to a methanol synthesis apparatus example，the chemical plant in CO conversion means furnace layout and piping design elements to explore，serving as a reference for the design of similar devices.

conversion furnace；equipment layout；piping design

TE665.3

A

1003-6490（2016）03-0106-03

2016-03-13

王紅云（1981—），女，浙江寧波人，工程師，主要從事石油化工工藝配管設計工作。