周 琴，李 健，張乾坤

(1.上海華西化工科技有限公司，上海 200315；2.安徽華東化工醫(yī)藥工程有限責(zé)任公司上海分公司，上海 200315)

本文主要介紹熱介質(zhì)蒸汽發(fā)生器在高壓高壓加氫裝置和高溫輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫裝置中應(yīng)用和設(shè)計特點。

1 蒸汽發(fā)生器的工作原理

蒸汽發(fā)生器工作原理是：蒸汽發(fā)生器由熱源部份及蒸發(fā)器兩部分組成。熱源部分為熱介質(zhì)進入蒸汽發(fā)生器的管束內(nèi)，管內(nèi)熱量通過管壁傳遞給管外鍋爐水并將水加熱，熱介質(zhì)被降溫，水在水管外吸收管內(nèi)介質(zhì)熱量形成汽水混合物，在發(fā)生器上部空間完成水汽分離。

2 熱介質(zhì)蒸汽發(fā)生器的應(yīng)用選擇

在煉油化工裝置中經(jīng)常會有強放熱工藝過程，放出的熱量在本裝置內(nèi)經(jīng)過優(yōu)化換熱流程后經(jīng)常富裕，因此能在裝置節(jié)能減排的過程中充分合理的利用溫位產(chǎn)生全廠稀缺的蒸汽，會對裝置的節(jié)能減排產(chǎn)生產(chǎn)生積極的作用和經(jīng)濟效益，同時降低裝置的能耗指標(biāo)。

2.1 渣油加氫脫硫裝置中的熱高分氣高壓蒸汽發(fā)生器的應(yīng)用

2.1.1 渣油加氫概述

渣油分子大并且復(fù)雜，相對分子質(zhì)量從500到1000。硫、氮、金屬和氧存在于碳支鏈，或者在稠環(huán)分子中高沸點的渣油光譜是很復(fù)雜的，“多樣混合環(huán)”稱為瀝青質(zhì)分子。瀝青中存在金屬是一種典型，這些金屬對催化劑有毒。瀝青中的金屬通常是鎳和釩。為了能脫除渣油進料中的金屬、硫、氮、氧、膠質(zhì)和瀝青，必須在級配幾種不同類型催化劑的反應(yīng)器中進行加氫反應(yīng)。主要反應(yīng)是加氫脫金屬(HDM)，加氫脫硫(HDS)，加氫脫氮(HDN)，氫化裂解，芳烴加氫飽和，反應(yīng)過程均為強放熱過程，將裝置內(nèi)熱源與冷源進料原料油和混合氫匹配換熱后還有富裕熱量，因此怎樣充分利用裝置的余熱是裝置降低能耗指標(biāo)的重要手段。

2.1.2 選用蒸汽發(fā)生器設(shè)計理念

因此優(yōu)化換熱流程后熱高分氣經(jīng)熱高分氣/混合氫換熱器換熱后還需進一步冷卻，但是在注水洗滌銨鹽之前并不是熱高分氣溫度冷卻的越低越好。加氫裝置的進料原料油的氯含量控制越低越好，由于原料油中氯加氫后會對工藝操作過程帶來問題，氯離子在高溫條件下會與容器或管線中的鐵和鎳反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕，短時間內(nèi)會對設(shè)備產(chǎn)生點腐蝕甚至穿透而損壞設(shè)備，同時產(chǎn)物中氯化氫和氨氣反應(yīng)生產(chǎn)NH4Cl，在溫度低于350℃的環(huán)境下就會沉積出來堵塞反應(yīng)系統(tǒng)，一般在180～200℃大量結(jié)晶析出。

選擇蒸汽發(fā)生器是因為它可以提供一個均等并連續(xù)的殼程溫度，因而可以讓NH4Cl結(jié)晶的可能性降到最小，這個過程會產(chǎn)生低壓蒸汽，不同含量的氯離子在不同溫度下沉積溫度有所不同，詳見表1。

表1 不同含量的氯離子在不同溫度下沉積溫度

2.1.3 設(shè)置蒸汽發(fā)生器流程簡述

以某煉油廠70萬t/a的渣油加氫裝置為例，工藝流程簡圖如圖1。

圖1 熱高分氣高壓蒸汽發(fā)生器工藝簡圖

16.8MPa(G)和286℃的熱高分氣進入DKU800的熱高分氣蒸汽發(fā)生器的管程，在殼程鍋爐給水的淹沒下?lián)Q熱產(chǎn)生蒸汽，蒸汽發(fā)生器的液位采用104℃鍋爐給水液位控制閥進行控制，始終保持換熱管束處入淹沒狀態(tài)，以免換熱管被干燒，此種換熱器管束采用是立式排管，采用螺紋鎖緊環(huán)式結(jié)構(gòu)。

2.1.4 螺紋鎖緊環(huán)式結(jié)構(gòu)蒸汽發(fā)生器的設(shè)計特點

螺紋鎖緊環(huán)式結(jié)構(gòu)密封可靠，即使在操作過程中發(fā)生壓力和溫度波動也不輕易發(fā)生泄漏，可減少換熱器的死區(qū)，操作周期長，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

①熱高分氣進口②蒸汽出口③進水口④安全閥口⑤壓力表⑥液位變送器⑦液位計⑧排污口⑨定排口⑩熱高分氣出口

圖2 熱高分氣高壓蒸汽發(fā)生器總圖

圖3 熱高分氣高壓蒸汽發(fā)生器管箱結(jié)構(gòu)示意圖

主要結(jié)構(gòu)設(shè)計特點：

(1)此換熱器管程為高壓臨氫環(huán)境，且同時考慮銨鹽腐蝕，材質(zhì)采用12Cr2Mo1堆焊INCONEL625；

(2)為避免普通法蘭式換熱器在此高壓條件下需要的較大的螺栓以及預(yù)緊力，且法蘭很大很厚，管程側(cè)采用螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)。

(3)本結(jié)構(gòu)管板與管箱為整體結(jié)構(gòu)，其它內(nèi)件均位于管箱內(nèi)，泄露點少，密封可靠。其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。鎖緊環(huán)通過螺紋的壓緊力承受管程介質(zhì)壓力，壓緊螺栓提供墊片密封所需的預(yù)緊力，螺栓大小相對較小，預(yù)緊與拆卸方便。

(4)運行時間長，檢修時只需更換密封墊片。

(5)與Ω環(huán)換熱器和普通法蘭式換熱器相比，螺紋鎖緊環(huán)換熱器適用壓力更高，且結(jié)構(gòu)巧妙，但其機加工件多，加工精度要求高，制造難度也相對較大，安裝也需要專用工具。結(jié)合本換熱器適用條件，由于壓力很高，且直徑較大，采用螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)更加合理。

(6)此換熱器殼程采用Q345R，結(jié)構(gòu)與普通釜式重沸器相同，但在鞍座處增加了軌道，主要用于方便殼程拆卸。

2.2 催化柴油改質(zhì)中改質(zhì)反應(yīng)器入口蒸汽發(fā)生器的應(yīng)用

2.2.1 催化柴油改質(zhì)概述

由于催化柴油中芳烴含量較高，大多含量在60～90范圍內(nèi)，具有代表性的催化柴油性質(zhì)如表2。

表2 催化柴油性質(zhì)

加氫改質(zhì)反應(yīng)機理：

a)加氫異構(gòu)化和裂解成輕異構(gòu)鏈烷烴

b)單環(huán)環(huán)烷烴脫烷基和異構(gòu)化成輕異構(gòu)鏈烷烴和低分子環(huán)烷烴

c)雙環(huán)萘的反應(yīng)是打開一個環(huán)以形成烷基取代的單環(huán)環(huán)烷烴，其遵循b中所描述的路徑。

d)烷基苯脫烷基以形成芳烴和異構(gòu)烷烴，它們也被氫化成單環(huán)環(huán)烷烴，其遵循b描述的反應(yīng)。

e)苯并萘烷主要由環(huán)烷環(huán)的開環(huán)反應(yīng)生成烷基苯，如在d中所述的那樣，它們也可以經(jīng)歷苯環(huán)的氫化，形成遵循c中描述的反應(yīng)路徑的雙環(huán)環(huán)烷烴。

f)芳烴首先進行一環(huán)加氫，形成苯并萘烷。苯并萘烷隨后遵循e中描述的反應(yīng)路徑。

加氫改質(zhì)主要目的是降低油品的凝點和提高產(chǎn)品十六烷值，因此加氫改質(zhì)反應(yīng)器入口溫度初期溫度較高，而末期溫度比精制反應(yīng)器出口溫度低很多，為了節(jié)約冷氫來量，降低循環(huán)氫壓縮機的大小，節(jié)約投資，同時裝置節(jié)能降耗，因此在加氫精制反應(yīng)器出口和加氫改制反應(yīng)器入口選用可調(diào)面積的高壓蒸汽發(fā)生器來調(diào)整加氫改質(zhì)反應(yīng)器入口溫度的變化來達到所需的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2.2 設(shè)置蒸汽發(fā)生器流程簡述

以某煉油廠80萬t/a的催化柴油加氫改質(zhì)裝置為例，加氫反應(yīng)器中間高壓蒸汽發(fā)生器工藝流程簡圖設(shè)置如圖4。

圖4 加氫反應(yīng)器中間高壓蒸汽發(fā)生器工藝流程簡圖

此工藝流程中蒸汽發(fā)生器換熱管管束采用是水平排管，12.0MPa.G和356～391℃的加氫精制反應(yīng)流出物進入DKU800的U行管程，通過殼程鍋爐給水的傳熱產(chǎn)生蒸汽，蒸汽發(fā)生器的液位采用104℃鍋爐給水液位控制閥進行控制，該換熱器布管采用水平布管主要是考慮加氫改質(zhì)反應(yīng)器入口溫度的變化，隨時調(diào)整換熱管面積來適應(yīng)溫度的變化，同時產(chǎn)生的蒸汽是過熱蒸汽，保護露出頁面的U型水平換熱管，主要是通過改變液位來實現(xiàn)，該裝置在滿負(fù)荷下運行產(chǎn)生5.0MPa/g蒸汽6920 kg/h。

2.2.3 選用蒸汽發(fā)生器設(shè)計理念

加氫改質(zhì)反應(yīng)器第一床層入口溫度控制原則：當(dāng)控制作用于冷氫控制器時設(shè)計控制溫降 T約為5℃； 如果反應(yīng)器級間需要的溫降 T太大，溫降 T超過5℃則采用蒸汽發(fā)生器的溫度控制器來控制加氫改質(zhì)反應(yīng)器的第一床層入口溫度，則應(yīng)該增加蒸汽發(fā)生器的負(fù)荷，主要是通過增加蒸汽發(fā)生器的液位來控制蒸汽產(chǎn)量，所有的主要化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此原料油和混合氫通過反應(yīng)器床層溫度顯示為增加，任何時間床層的溫升 T控制非常重要，反應(yīng)產(chǎn)生的更多的熱量可以通過產(chǎn)生蒸汽移走，同時降低了裝置能耗。

采用螺紋鎖緊環(huán)式結(jié)構(gòu)，換熱器器的布管和設(shè)計充分考慮了由于換熱管受熱不一樣而帶來的熱膨脹不一樣，同時換熱器管程內(nèi)壁堆焊E309L+E347，該結(jié)構(gòu)密封可靠。

2.2.4 蒸汽發(fā)生器的設(shè)計特點

為避免普通法蘭式換熱器在此高壓條件下需要的較大的螺栓以及預(yù)緊力，且法蘭也會很大很厚，本換熱器管程側(cè)采用螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)，即使在操作過程中發(fā)生壓力和溫度波動也不輕易發(fā)生泄漏，可減少換熱器的死區(qū)，操作周期長，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工精度高，制造難度較大。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

①流出物進口②蒸汽出口③排污口④進水口⑤液位計連通管⑥排凝口⑦流出物出口⑧安全閥口

圖5 加氫反應(yīng)器中間高壓蒸汽發(fā)生器總圖

主要結(jié)構(gòu)設(shè)計特點：

(1)此換熱器管程為高壓臨氫環(huán)境，且同時考慮高溫硫化氫與氫共存下腐蝕，材質(zhì)采用12Cr2Mo1堆焊E309L+E347；

(2)此流程中由于為了控制加氫改質(zhì)反應(yīng)器的入口溫度，因此蒸汽發(fā)生器的換熱管部分裸露，將產(chǎn)生的5.0MPag飽和蒸汽進行過熱，從裝置外送的蒸汽始終處于過熱狀態(tài)以免輸送過程中析出凝結(jié)水；

(3)此換熱器在鞍座處增加了軌道，主要用于方便殼程拆卸管束。

2.3 輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫裝置中轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的應(yīng)用

輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫裝置是一個利用輕烴類與水蒸氣在高溫條件下轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成氫氣的過程，烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化主要反應(yīng)有:

CnHm+nH2O=nCO+(n+m/2)H2

①

②

③

該過程需要大量的燃料氣在轉(zhuǎn)化爐輻射室中燃燒產(chǎn)生800～1000℃的高溫?zé)煔猓D(zhuǎn)化爐管通過輻射傳熱吸收反應(yīng)所需要的熱量，對于輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫裝置而言，采用二合一的產(chǎn)汽流程(即煙道氣、轉(zhuǎn)化氣的產(chǎn)汽系統(tǒng)共用一臺汽水分離器)，簡化了余熱回收流程，降低了單元投資：

(1)利用煙道氣和轉(zhuǎn)化氣的高溫位余熱發(fā)生4.0MPa中壓蒸汽，中壓蒸汽送至轉(zhuǎn)化爐對流段進行過熱。所產(chǎn)蒸汽一部分作為工藝用汽，過剩的蒸汽送至裝置外。

(2)轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器采用臥式煙道式結(jié)構(gòu)，有利于降低設(shè)備造價，便于安裝與檢修。管程中心管出口處設(shè)調(diào)節(jié)機構(gòu)，用以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣出口溫度、管程入口處采用冷壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐高溫襯里。

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生系統(tǒng)工藝流程如圖6所示。

圖6 蒸汽工藝流程簡圖

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡圖

主要設(shè)計特點：

1)由于轉(zhuǎn)化氣溫度高達800～910℃，為了降低整臺設(shè)備的造價，筒體未選擇進口UNS N08811材料，而是采用內(nèi)襯耐高溫襯里，筒體采用15CrMoR材料。

2)為了更好的解決熱膨脹，管板采用柔性管板設(shè)計

3)中心管調(diào)溫技術(shù)，溫度調(diào)節(jié)靈活、安全性高、結(jié)構(gòu)簡單便于檢修。

調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)采用三閥板設(shè)計，根據(jù)下游工序催化劑初期和末期的活性不同來調(diào)整轉(zhuǎn)化氣的出口溫度，當(dāng)初期催化劑活性高需要溫度低時全關(guān)中心管大管，隨著催化劑活性的降低，逐漸需要提高轉(zhuǎn)化氣的溫度，則逐漸打開中心管的閥板，同時逐漸關(guān)小中心管周圍的小管收集出口雙閥門，中間閥板和旁邊雙閥板成90°設(shè)計，保證在調(diào)整的過程中分程控制。此中心調(diào)溫技術(shù)溫度調(diào)節(jié)靈敏，結(jié)構(gòu)簡單，造價低。

由于將高溫轉(zhuǎn)化氣通過發(fā)生蒸汽而逐漸降低溫度，則降低殼體和筒體2選材要求，降低了整臺設(shè)備的造價，筒體2采用15CrMoR，殼體選用Q345R。

3 加制氫裝置中高溫高壓下不同結(jié)構(gòu)形式蒸汽發(fā)生器的選擇與應(yīng)用

由于裝置采用蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生全廠或裝置稀缺的蒸汽，對裝置的節(jié)能減排產(chǎn)生產(chǎn)生積極的作用和經(jīng)濟效益，同時降低裝置的能耗指標(biāo)，詳細指標(biāo)分析如表3。

表3 能耗指標(biāo)

雖然輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫裝置中富產(chǎn)的蒸汽是裝置本身所需要，通常計算能耗不在考慮之中，但本文主要是介紹高溫的轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計降低了本裝置的投資和穩(wěn)定性操作，其它裝置中的高壓蒸汽發(fā)生器的選擇和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計給裝置的能耗降低很多，同時經(jīng)濟效益比較可觀，為裝置的節(jié)能降耗提供了有效手段。

本文主要介紹了幾種加制氫裝置中特別適用場所的蒸汽發(fā)生器的設(shè)置與應(yīng)用，總結(jié)如下：

(1)高壓螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)蒸汽發(fā)生器應(yīng)用加氫裝置中適合高壓臨氫環(huán)境，且同時適合考慮銨鹽腐蝕環(huán)境；

(2)高壓螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)蒸汽發(fā)生器內(nèi)件均位于管箱內(nèi)，泄露點少，密封可靠。鎖緊環(huán)通過螺紋的壓緊力承受管程介質(zhì)壓力，螺栓大小相對較小，預(yù)緊與拆卸方便，適合高壓環(huán)境和介質(zhì)。

(3)高壓螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)蒸汽發(fā)生器相比其它類型換熱器，適用壓力更高，結(jié)構(gòu)巧妙，但其制造難度也相對較大，安裝也需要專用工具。在工藝過程壓力很高，且直徑較大，采用螺紋鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)更加合理。

(4)針對于轉(zhuǎn)化氣溫度高達800～910℃高溫介質(zhì)適合選用柔性管板蒸汽發(fā)生器設(shè)計；中心管調(diào)溫技術(shù)，溫度調(diào)節(jié)靈活、安全性高、結(jié)構(gòu)簡單便于檢修；調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)采用三閥板設(shè)計，此結(jié)構(gòu)設(shè)計適合下游根據(jù)初期和末期不同需要來調(diào)整溫度，此中心調(diào)溫技術(shù)溫度調(diào)節(jié)靈敏，結(jié)構(gòu)簡單，造價低。

由于裝置中采用了以上特殊結(jié)構(gòu)的蒸汽發(fā)生器，大大降低了裝置的投資，同時提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益和競爭力，大大降低了裝置運行能耗。

4 結(jié)束語

(1)工藝技術(shù)構(gòu)想先進合理，降低裝置投資、能耗和提高經(jīng)濟效益明顯。

(2)蒸汽發(fā)生器設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，對裝置的長周期運行提供了保障。