不同結構形式的蒸汽發生器的應用

周 琴，李 健，張乾坤

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

本文主要介紹熱介質蒸汽發生器在高壓高壓加氫裝置和高溫輕烴水蒸氣轉化制氫裝置中應用和設計特點。

1 蒸汽發生器的工作原理

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

2 熱介質蒸汽發生器的應用選擇

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

2.1 渣油加氫脫硫裝置中的熱高分氣高壓蒸汽發生器的應用

2.1.1 渣油加氫概述

渣油分子大并且復雜，相對分子質量從500到1000。硫、氮、金屬和氧存在于碳支鏈，或者在稠環分子中高沸點的渣油光譜是很復雜的，“多樣混合環”稱為瀝青質分子。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、膠質和瀝青，必須在級配幾種不同類型催化劑的反應器中進行加氫反應。主要反應是加氫脫金屬(HDM)，加氫脫硫(HDS)，加氫脫氮(HDN)，氫化裂解，芳烴加氫飽和，反應過程均為強放熱過程，將裝置內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的重要手段。

2.1.2 選用蒸汽發生器設計理念

因此優化換熱流程后熱高分氣經熱高分氣/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產生腐蝕，短時間內會對設備產生點腐蝕甚至穿透而損壞設備，同時產物中氯化氫和氨氣反應生產NH4Cl，在溫度低于350℃的環境下就會沉積出來堵塞反應系統，一般在180～200℃大量結晶析出。

選擇蒸汽發生器是因為它可以提供一個均等并連續的殼程溫度，因而可以讓NH4Cl結晶的可能性降到最小，這個過程會產生低壓蒸汽，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 設置蒸汽發生器流程簡述

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的熱高分氣蒸汽發生器的管程，在殼程鍋爐給水的淹沒下換熱產生蒸汽，蒸汽發生器的液位采用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，以免換熱管被干燒，此種換熱器管束采用是立式排管，采用螺紋鎖緊環式結構。

2.1.4 螺紋鎖緊環式結構蒸汽發生器的設計特點

螺紋鎖緊環式結構密封可靠，即使在操作過程中發生壓力和溫度波動也不輕易發生泄漏，可減少換熱器的死區，操作周期長，但其結構較復雜，其結構如圖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生器總圖

圖3 熱高分氣高壓蒸汽發生器管箱結構示意圖

主要結構設計特點：

(1)此換熱器管程為高壓臨氫環境，且同時考慮銨鹽腐蝕，材質采用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緊力，且法蘭很大很厚，管程側采用螺紋鎖緊環結構。

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

(4)運行時間長，檢修時只需更換密封墊片。

(5)與Ω環換熱器和普通法蘭式換熱器相比，螺紋鎖緊環換熱器適用壓力更高，且結構巧妙，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，采用螺紋鎖緊環結構更加合理。

(6)此換熱器殼程采用Q345R，結構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 催化柴油改質中改質反應器入口蒸汽發生器的應用

2.2.1 催化柴油改質概述

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

表2 催化柴油性質

加氫改質反應機理：

a)加氫異構化和裂解成輕異構鏈烷烴

b)單環環烷烴脫烷基和異構化成輕異構鏈烷烴和低分子環烷烴

c)雙環萘的反應是打開一個環以形成烷基取代的單環環烷烴，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烷烴，它們也被氫化成單環環烷烴，其遵循b描述的反應。

e)苯并萘烷主要由環烷環的開環反應生成烷基苯，如在d中所述的那樣，它們也可以經歷苯環的氫化，形成遵循c中描述的反應路徑的雙環環烷烴。

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

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

2.2.2 設置蒸汽發生器流程簡述

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

圖4 加氫反應器中間高壓蒸汽發生器工藝流程簡圖

此工藝流程中蒸汽發生器換熱管管束采用是水平排管，12.0MPa.G和356～391℃的加氫精制反應流出物進入DKU800的U行管程，通過殼程鍋爐給水的傳熱產生蒸汽，蒸汽發生器的液位采用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反應器入口溫度的變化，隨時調整換熱管面積來適應溫度的變化，同時產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，該裝置在滿負荷下運行產生5.0MPa/g蒸汽6920 kg/h。

2.2.3 選用蒸汽發生器設計理念

加氫改質反應器第一床層入口溫度控制原則：當控制作用于冷氫控制器時設計控制溫降 T約為5℃； 如果反應器級間需要的溫降 T太大，溫降 T超過5℃則采用蒸汽發生器的溫度控制器來控制加氫改質反應器的第一床層入口溫度，則應該增加蒸汽發生器的負荷，主要是通過增加蒸汽發生器的液位來控制蒸汽產量，所有的主要化學反應為放熱反應，因此原料油和混合氫通過反應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，反應產生的更多的熱量可以通過產生蒸汽移走，同時降低了裝置能耗。

采用螺紋鎖緊環式結構，換熱器器的布管和設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，同時換熱器管程內壁堆焊E309L+E347，該結構密封可靠。

2.2.4 蒸汽發生器的設計特點

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緊力，且法蘭也會很大很厚，本換熱器管程側采用螺紋鎖緊環結構，即使在操作過程中發生壓力和溫度波動也不輕易發生泄漏，可減少換熱器的死區，操作周期長，但其結構較復雜，加工精度高，制造難度較大。其結構如圖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 加氫反應器中間高壓蒸汽發生器總圖

主要結構設計特點：

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

(2)此流程中由于為了控制加氫改質反應器的入口溫度，因此蒸汽發生器的換熱管部分裸露，將產生的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以免輸送過程中析出凝結水；

(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 輕烴水蒸氣轉化制氫裝置中轉化氣蒸汽發生器的應用

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

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

①

②

③

該過程需要大量的燃料氣在轉化爐輻射室中燃燒產生800～1000℃的高溫煙氣，轉化爐管通過輻射傳熱吸收反應所需要的熱量，對于輕烴水蒸氣轉化制氫裝置而言，采用二合一的產汽流程(即煙道氣、轉化氣的產汽系統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)利用煙道氣和轉化氣的高溫位余熱發生4.0MPa中壓蒸汽，中壓蒸汽送至轉化爐對流段進行過熱。所產蒸汽一部分作為工藝用汽，過剩的蒸汽送至裝置外。

(2)轉化氣蒸汽發生器采用臥式煙道式結構，有利于降低設備造價，便于安裝與檢修。管程中心管出口處設調節機構，用以調節轉化氣出口溫度、管程入口處采用冷壁結構，內襯耐高溫襯里。

轉化氣蒸汽發生系統工藝流程如圖6所示。

圖6 蒸汽工藝流程簡圖

轉化氣蒸汽發生器的結構簡圖如圖7所示。

圖7 轉化氣蒸汽發生器結構簡圖

主要設計特點：

1)由于轉化氣溫度高達800～910℃，為了降低整臺設備的造價，筒體未選擇進口UNS N08811材料，而是采用內襯耐高溫襯里，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計

3)中心管調溫技術，溫度調節靈活、安全性高、結構簡單便于檢修。

調節執行機構采用三閥板設計，根據下游工序催化劑初期和末期的活性不同來調整轉化氣的出口溫度，當初期催化劑活性高需要溫度低時全關中心管大管，隨著催化劑活性的降低，逐漸需要提高轉化氣的溫度，則逐漸打開中心管的閥板，同時逐漸關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°設計，保證在調整的過程中分程控制。此中心調溫技術溫度調節靈敏，結構簡單，造價低。

由于將高溫轉化氣通過發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構形式蒸汽發生器的選擇與應用

由于裝置采用蒸汽發生器，產生全廠或裝置稀缺的蒸汽，對裝置的節能減排產生產生積極的作用和經濟效益，同時降低裝置的能耗指標，詳細指標分析如表3。

表3 能耗指標

雖然輕烴水蒸氣轉化制氫裝置中富產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化氣蒸汽發生器的特殊結構設計降低了本裝置的投資和穩定性操作，其它裝置中的高壓蒸汽發生器的選擇和特殊結構設計給裝置的能耗降低很多，同時經濟效益比較可觀，為裝置的節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生器的設置與應用，總結如下：

(1)高壓螺紋鎖緊環結構蒸汽發生器應用加氫裝置中適合高壓臨氫環境，且同時適合考慮銨鹽腐蝕環境；

(2)高壓螺紋鎖緊環結構蒸汽發生器內件均位于管箱內，泄露點少，密封可靠。鎖緊環通過螺紋的壓緊力承受管程介質壓力，螺栓大小相對較小，預緊與拆卸方便，適合高壓環境和介質。

(3)高壓螺紋鎖緊環結構蒸汽發生器相比其它類型換熱器，適用壓力更高，結構巧妙，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，采用螺紋鎖緊環結構更加合理。

(4)針對于轉化氣溫度高達800～910℃高溫介質適合選用柔性管板蒸汽發生器設計；中心管調溫技術，溫度調節靈活、安全性高、結構簡單便于檢修；調節執行機構采用三閥板設計，此結構設計適合下游根據初期和末期不同需要來調整溫度，此中心調溫技術溫度調節靈敏，結構簡單，造價低。

由于裝置中采用了以上特殊結構的蒸汽發生器，大大降低了裝置的投資，同時提高了企業的經濟效益和競爭力，大大降低了裝置運行能耗。

4 結束語

(1)工藝技術構想先進合理，降低裝置投資、能耗和提高經濟效益明顯。

(2)蒸汽發生器設計結構合理，對裝置的長周期運行提供了保障。