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轉化爐的管系是轉化爐的核心,包括上集氣管、上尾管、轉化管、(下尾管)、下集氣支管、下集氣總管。下集氣總管根據制氫規模大小,一般采用熱壁集合管和冷壁集合管,制氫規模較小轉化爐設備,因出口集合管膨脹量不太大,不會造成下尾管設計上的困難,故常采用熱壁集合管。制氫規模較大轉化爐,其轉化爐出口集合管受熱膨脹量在300mm以上,因熱應力產生較大的位移,單靠下尾管吸收是不可能的,生產過程中經常有尾管接頭斷裂現象,而采用冷壁集合管可緩解這些矛盾。由于下集氣支管和下集氣總管采用帶襯里的全冷壁結構,使外壁溫度降到200℃以下,大大減小了下集氣支管和自身的膨脹量,從而無需使用下尾管。
制氫轉化爐管由于管壁溫度很高,材質一般為HP-40Nb。目前,設計時轉化爐管已開始采用全冷壁集合管結構。轉化爐管采用下支承向上膨脹的結構形式,其重量靠設置的彈簧懸吊,以減少熱態下管系的應力。轉化爐管上部有兩根上集氣管,通過上尾管與轉化管連接,上尾管用于補償上集氣管與轉化管之間不同方向的位移。上集氣管和上尾管由于工作溫度較低(450~540℃),采用鉻鉬鋼,轉化爐管下部直接坐落在下集氣支管上。
轉化爐管材料的發展與選用
轉化爐管材料開發經歷了幾個階段,最早使用材料為18Cr/8Ni系列,其使用的溫度和壓力都不高(600℃以下保證耐熱強度),后來對Cr和Ni的成分進行多次調整試驗,發現25Cr20Ni的熱強度比較好,為進一步提高它的強度,把C的質量分數由0.1%提高到0.4%,開發出HK-40高溫離心鑄造爐管作為轉化管。在20世紀六、七十年代的烴類蒸汽轉化管幾乎都是用HK-40。當初的轉化爐管不加工內孔,管壁厚高達22mm,且薄厚不均勻,這不僅使爐管的內應力大、材料的重量大,且使成本居高不下,熱效率低,造成介質轉化效率低下,后經加工內孔雖有了改善,而且使用一段時間后,發現HK-40在800℃左右的溫度范圍操作易產生有害的σ相。為了減少σ相產生,后來又生產了改良型的HK-40mod。
到80年代又把用于乙烯裂解爐爐管材料的HP系列高溫合金用于烴類蒸汽轉化爐。HP耐熱合金是在HK系列基礎上發展起來的,其中Ni的質量分數提高了15%。Ni是強烈形成并穩定奧氏體且擴大奧氏體相區的元素,在奧氏體不銹鋼中,隨著鎳含量的增加σ相形成的傾向顯著降低。在碳含量相同的條件下,HP比HK的共晶碳化物多,故使蠕變斷裂強度提高。該鋼的最高使用溫度可達1100℃。為了進一步提高爐管的高溫蠕變斷裂強度和高溫韌性,在HP的基礎上又添加了Nb,W,Mo和Ti等合金元素,形成了一系列合金爐管的鋼種牌號。其中HP-40Nb是目前制氫轉化爐使用較多的材料。
HP-40Nb中含有Nb和W,而HK-40中沒有這兩種元素。Nb和W元素能提高材料的滲碳性,增加溫度劇變時的抗裂性,從而提高材料的高溫韌性,HP-40Nb線膨脹系數較HK-40小,而導熱系數較HK-40高,從而提高了材料的抗熱沖擊性能。另外HP-40Nb中元素Nb,可以在合金基體中產生細小而均勻分布的Nb(C和N)化合物,大大提高了合金的高溫抗蠕變強度,在1000℃時的高溫強度比HK-40提高約80%。轉化爐管HP-40Nb和HK-40成分和性能,將表1,表2。
轉化爐爐管的壁溫分布見圖2。高溫段在下部,低溫段在上部,一般認為溫度高,爐管容易損壞,而實際上爐管損壞都在中上部,在管內轉化氣溫度600~800最易損壞。這是由于爐管外壁溫度高,內壁溫度低,內外壁的膨脹不一樣,使爐管產生了熱應力,容易造成爐管損壞。下部雖然管壁溫度高,但由于內外壁溫差小,因此沒有損壞。由此可見,高溫爐管的失效,溫度應力是主要因素,溫差應力大于由內壓產生的應力。因此,目前高溫爐管的設計采取盡可能降低溫差應力。在同樣的壓力和溫度水平下為了降低爐管的溫差應力,最好的辦法是減少爐管的壁厚。目前,爐管的壁厚設計計算,是通過由拉森/米勒曲線求得材料的高溫持久強度來計算的。因此,為了降低爐管的壁厚,只有提高爐管材料的高溫持久強度。因此,這也是制氫轉化爐選擇HP-40Nb的原因。