制氫裝置中汽包及其水循環管道的布置研究

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

制氫裝置中汽包及其水循環管道的布置研究

亓峰*
北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

以生產氫氣能力為45000Nm3/h的某制氫裝置為例，介紹汽包的布置方式、內部結構、管口方位及其水循環管道的布置。

制氫裝置 汽包 水循環管道

廢熱鍋爐是利用工業生產過程中的廢熱來生產蒸汽的鍋爐，屬于高溫、高壓的換熱器。隨著生產技術的發展,廢熱鍋爐的參數逐漸提高,在廢熱鍋爐設計、制造、使用、安全管理等領域的研究的新成果也不斷涌現。[1]目前，在石油化工項目的制氫裝置中，為了有效回收轉化爐產生的廢熱，由轉化氣廢鍋、汽包、上升管以及下降管所組成的廢熱鍋爐得到了廣泛的應用。

汽包是加熱、蒸發、過熱三個過程的連接樞紐和大致分界點，具有一定的蓄熱能力，內部裝置能夠提高蒸汽品質。由上升管進入汽包的汽水混合物，利用汽包內部的蒸汽空間和汽水分離元件進行汽水分離，降低離開汽包的飽和蒸汽中的水分，成為干飽和蒸汽。

在由汽包、轉化氣廢鍋、上升管、下降管所組成的循環回路中，上升管吸收轉化爐的廢熱，使管內的水部分蒸發，形成汽水混合物；而下降管不受熱，管內為飽和水或未飽和水。因此，下降管中水的密度大于上升管中汽水混合物的密度，在廢熱鍋爐的兩側將產生液柱的重位差，此壓差推動汽水混合物沿上升管向上流動，水沿下降管向下流動，從而形成循環回路。水和汽水混合物在鍋爐蒸發受熱面回路中的循環流動，稱為鍋爐水循環。[2]

本文以生產規模為45000Nm3/h的輕烴蒸汽轉化制氫裝置為例，介紹汽包及其水循環管道的布置。

1 工藝流程簡述

本裝置采用輕烴蒸汽轉化法造氣、PSA法凈化提純的工藝路線制取氫氣。LNG和天然氣共用一根進裝置管線，當原料為壓力較低的天然氣時，先配入一定量從PSA來的循環氫氣，通過天然氣壓縮機升壓后送入中變氣-原料氣換熱器。當原料氣為壓力較高的LNG時，則跨過天然氣壓縮機，配入一定量從加氫裝置來的氫氣后直接送入中變氣-原料換熱器。當加氫裝置供氫發生困難時，利用天然氣壓縮機將從PSA來的氫氣升壓后提供配置氫氣。

廢熱鍋爐為一臺自然循環水管式鍋爐。按照煙氣流動方向，由水保護段、原料氣預熱段、過熱蒸汽1、2段、蒸發段四部分組成。在設計工況(100%正常操作工況)下，高溫煙氣(約1000℃)通過煙道分別進入冷卻器中的水保護段、原料氣預熱段、過熱蒸汽1、2 段、蒸發段進行換熱，溫度降至約360℃后排煙至空氣預熱器。來自汽包的鍋爐給水通過下降管分別進入兩組水保護段管束，加熱成飽和蒸汽(4.4MPa(G)，256℃)后再通過相對應的上升管返回汽包；來自工藝管線的原料氣(3.1MPa(G)，400℃)進入原料氣預熱段管束后被煙氣加熱至500℃，加熱后的原料氣通過管線進入轉化爐進行轉化反應；過熱蒸汽段(1、2 段串聯)是將來自汽包頂部的飽和蒸汽(4.4MPa(G)，256℃)再次加熱產生過熱蒸汽(3.82MPa(G)，420℃)；蒸發段是將來自汽包的鍋爐給水通過下降管分別進入水保護段管束，加熱成飽和蒸汽(4.4MPa(G)，256℃)后再通過相對應的上升管返回汽包。

2 汽包和轉化氣廢鍋的布置方式

轉化氣廢熱鍋爐是一臺自然循環管式鍋爐。它和汽包的組合方式分為分離式(圖1a)和直背式兩種。其中，直背式又包括門型(圖1b)和啞鈴型(圖1c)兩種結構。直背式的汽包和廢鍋通過管道連接，汽包不需要基礎支撐，只需要上升管和下降管支撐，所以汽包的布置高度較低。分離式即為汽包和轉化氣廢鍋分別需要基礎支撐。汽包安裝在比廢熱鍋爐高的框架上。

圖1 組合方式結構

這兩種布置方式在化工裝置中均有應用。相比較而言，直背式節省空間，減少了生產成本，但上升管缺乏柔性，適用于溫度不太高的場合。分離式占空間較大，生產成本較高，但管道柔性較好，適用于較高溫度的場合。本制氫裝置采用的連接方式為分離式，為滿足循環倍率的要求，將汽包布置在13.5m的框架上。

3 汽包內部結構

由于制氫項目的規模不同，對蒸汽品質的要求也不同，汽包內部的結構自然也不同。制氫裝置中，汽包用于產生中壓蒸汽，蒸汽幾乎不溶解鹽分，所以汽包內部不需要蒸汽清洗裝置，只需汽水分離裝置即可。汽包內部通過兩個階段實現汽水分離:第一階段是將大部分蒸汽從水中分離出來，并消除汽水混合物的動能，常用的裝置有擋板、縫隙擋板及旋風分離器等;第二階段是將蒸汽中的水滴進一步分離出來，常用裝置為集汽管、頂部勻汽孔板、波形板分離器等[3]。

以生產氫氣能力為45000Nm3/h的制氫裝置為例，汽包生產的蒸汽操作壓力為3.9MPa(G)。該汽包采用的是內置式多臺并聯有連通箱的旋風分離器實現一次分離，采用勻汽孔板和波形板分離器實現二次分離，從而產生符合項目要求的干飽和蒸汽，進入中壓蒸汽管網。汽包的內部結構見圖2。

圖2 汽包的內部結構

旋風分離器常采用的筒體直徑有260、290、315、350mm，高度一般不小于500mm，占用的體積較大，安裝檢修不便，而且制氫裝置對蒸汽分離的要求不高，所以汽包的一次分離完全可以用水下擋板代替。這樣，既能降低汽包的制造成本，又能方便內部組件的安裝和檢修。

4 汽包的管口方位

由于汽包產生蒸汽的壓力不同，內部結構也不同，所以汽包的上升管和下降管的管口方位也不同。如果上升管管口斜向上，汽包中的水就不可能由汽包進入上升管，即不會發生倒流現象。但是若上升管熱負荷不足，水不能被提升到上升管的最高點，從而產生自由水面，水面以上的管段會得不到有效冷卻，可能將管道燒壞。如果上升管管口斜向下，即上升管由水空間引入汽包，則上升管的阻力較小。但是若上升管的熱負荷不足，則有效壓頭偏低，汽水混合物不能通過上升管進入汽包，汽包中的水通過上升管下降進入廢鍋，從而使上升管變成下降管，發生倒流。

鍋爐系統水循環回路的設計原則主要考慮提高運動壓頭，減少上升管和下降管的阻力，以防止出現影響循環可靠性的因素。綜合以上因素，上升管管口以斜向下為宜，下降管管口以垂直向下為宜。如果上升管管口斜向上，即汽水混合物從汽空間引入，則上升管超出汽包正常水位的高度應盡量減少。

5 汽包水循環管道的布置

制氫裝置中，水循環管道在設計時必須具有一定的柔性以減少管道熱脹冷縮時對設備和管路系統產生的熱應力。但管道柔性越大，對于消除管道的震動就越不利。因此，在布置水循環管道時，以滿足以下原則為宜：

(1)管道盡量短而直，減少水循環的阻力。

(2)彎頭盡量采用大半徑彎頭，進一步減少阻力降。

(3)管道對稱布置，使各管中流量分配均勻，防止偏流。

(4)管道具有一定的柔性，并合理的設置支架。

此外，汽包筒體上開孔接管處，應力分布復雜，產生明顯的應力集中。發生各類應力最大值均發生在下降管口與汽包筒體的內側。[4]因此，水循環管道布置時要考慮管口受力，尤其是下降管的管口受力不能超過允許的受力范圍，使其符合應力要求。

6 汽包水循環計算結果

循環回路的工作循環倍率應大于界限循環倍率，才能保證汽包安全生產。本裝置中，汽包壓力為3.9MPa(G)，界限循環倍率即最小循環倍率為10。[5]經計算，本裝置汽包的循環倍率為24.1，大于界限循環倍率，符合要求，水循環系統安全可靠。

7 結語

本文以生產規模為45000Nm3/h的輕烴蒸汽轉化制氫裝置為例，介紹了汽包及其水循環管道的布置。在制氫裝置中，汽包和轉化氣廢鍋的布置方式為分離式。汽包內部可采用水下擋板實現一次分離，采用勻汽孔板和波形板分離器實現二次分離。為提高運動壓頭，減少上升管和下降管的阻力，管口方位以上升管管口45°斜向下，下降管管口垂直向下為宜。汽包水循環管道的布置既要考慮水循環管道的走向，減少阻力，又要具有一定的柔性，使其滿足應力要求。

1 莫德格，李團偉，張軍偉.廢熱鍋爐及設計計算簡介[J].內蒙古石油化工. 2006,(07)：40.

2 劉弘睿.工業鍋爐技術標準規范應用大全(第二版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2005：78.

3 張夢珠 .工業鍋爐原理與設計[M].北京：水利電力出版社，1990：107。

4 楊偉春，梁基照.中壓汽包接管應力分布的三維有限元分析[J].壓力容器，2000,(05)：40-43.

5 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算(第三版)[M].北京：科學出版社，2003：437.

*亓 峰：工程師。2011年畢業于大連理工大學化工學院化學工藝專業。從事管道設計工作。聯系電話：13402969726，

E-mail: qifeng@bpdi.com.cn。

2017-05-11)