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CO變換煤氣預熱器設計探討

文檔作者：黃萬福文檔來源：東華工程科技股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月11日
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黃萬福CO變換煤氣預熱器設計探討 33
CO變換煤氣預熱器設計探討
黃萬福 東華工程科技股份有限公司合肥230024
摘要 介紹CO變換煤氣預熱器的選型和設計工況選擇，采用HTFS+軟件進行熱計算，并用Aspen
Plus軟件對不同工況進行模擬分析。
關鍵詞 CO變換煤氣預熱器選型熱設計工況模擬
1 概述
CO變換煤氣預熱器(以下簡稱煤氣預熱
器)是采用水煤漿氣化制合成氨或甲醇裝置CO
變換工段的重要設備，它利用CO變換反應生成
的高溫變換氣加熱進變換爐的水煤氣，使其達到
變換爐人口所需的溫度，屬于典型的氣一氣換熱
器，具有高溫、高壓、介質(zhì)易結(jié)垢和工況多等特
點。本文以某600kt／a甲醇裝置水煤漿氣化為
例，采用Aspen Plus 2006軟件進行流程模擬，
采用HTFS+軟件進行換熱器熱計算，對煤氣預
熱器進行設計探討。
2 設計條件
采用水煤漿氣化和耐硫催化劑部分變換工
藝，裝置操作彈性為50％ 一110％ 。煤氣預熱器
的流程簡圖見圖1。
圖1 煤氣預熱器流程簡圖
R01為變換爐，E01為煤氣預熱器，三角形
內(nèi)的數(shù)字為物流點編號，煤氣預熱器冷側(cè)為水煤
氣，熱側(cè)為變換氣。變換爐人口溫度T5(溫度
下標代表物流號，下同)通過煤氣預熱器水煤
氣側(cè)旁路閥調(diào)節(jié)，換熱器熱設計按水煤氣全部通
過換熱器計算，即T2=T5。
變換工段的操作分多種工況，按催化劑壽命
周期各階段分初期、正常、末期工況，按生產(chǎn)負
荷可分為典型的50％ 、100％ 、110％ 負荷工況。
限于篇幅，本文不討論全部工況。首先選用正常
100％負荷和末期100％ 負荷兩種典型工況討論
如何選擇設計計算工況。
兩種工況下，水煤氣側(cè)進口(圖1物流點
1)壓力不變約為6．20MPa(G)，水煤氣側(cè)出
口、變換氣側(cè)進口和出口壓力變化不大，因此不
考慮換熱器壓力變化對熱設計的影響。換熱器的
流量和進出口溫度見表1。
表1 煤氣預熱器氣體流量和進出口溫度
兩種工況下氣體流量、水煤氣側(cè)進口溫度、
變換氣側(cè)出口溫度、水煤氣出口和變換氣出口溫
度溫差不大，說明兩種工況下?lián)Q熱器的平均溫差
基本相等。
將水煤氣和變換氣的熱容分別看作不變，假
設換熱器的總傳熱系數(shù)為定值，管殼程介質(zhì)逆流
換熱，采用估算法，由式(1)通過計算傳熱平
均溫差即可進行換熱面積比較，選取面積大的工
況進行換熱器的設計計算。由于兩種工況下?lián)Q熱
器的平均溫差基本相等，換熱器熱負荷計算如式
黃萬福：工程師。2006年3月畢業(yè)于天津大學化學工程專業(yè)獲碩士學位。一直從事工程設計工作。聯(lián)系電話： (0551)
3626406。
CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設計2010，20(1)
(1)：
Q=KAzit=mcp( 一T1) (1)
式中，Q為換熱器熱負荷，w；K為換熱器總傳
熱系數(shù)，W／(m ·oC)；A為換熱器面積，m ；
△t為換熱器平均溫差，℃ ；m為冷側(cè)流量，kg／s；
C 為冷側(cè)介質(zhì)熱容，J／(kg·qC)；T 為冷側(cè)出
口溫度，℃；T 為冷側(cè)進口溫度，℃。
由于兩種工況下?lián)Q熱器的平均溫差基本相
等，由式(1)可知，換熱面積和熱負荷成正
比。由表1數(shù)據(jù)可知，末期工況熱負荷約為正常
工況熱負荷的兩倍，因此選用末期工況進行換熱
器的設計計算。
末期100％負荷工況設計計算(分設計模式
計算和校核模式計算)的換熱器面積取不小于
10％ 的裕量。用該換熱器校核末期1 10％ 負荷工
況下是否滿足操作需要，最后模擬正常100％負
荷工況下的操作情況。
3 設計分析
3．1 型式
分析煤氣預熱器的操作情況(圖1和表1)
可知，熱側(cè)氣體和冷側(cè)氣體溫差大，且熱側(cè)氣體
出口溫度高于冷側(cè)氣體出口溫度，換熱管和殼體
溫差大。
(1)當采用單管程時，如果選用固定管板
式換熱器，則殼體需加膨脹節(jié)，但由于殼程壓力
高(設計壓力6．8MPa(G))、殼體直徑較大
(內(nèi)徑為1200mm)，膨脹節(jié)制造困難，只能選用
浮頭式換熱器，以管程膨脹節(jié)消除殼體與管束之
間的溫差應力。浮頭式換熱器根據(jù)后端管箱結(jié)構(gòu)
不同分為勾圈式浮頭式(S型)、可抽式浮頭
(T型)、填料函式浮頭(P型)和帶套環(huán)填料函
式浮頭(W 型)，其中P型和W型由于易泄漏、
不適合高壓，不能選用?？紤]到T型殼徑大于s
型，為節(jié)省設備投資可選用BES型。
(2)當采用雙管程時，可選用u型管式換
熱器(BEU)，殼體與管束之間不產(chǎn)生溫差應
力，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。由于管殼程溫差大，
殼程氣量大，若選用雙管程BEU型，殼體直徑
可能要比選用BES單管程大得多，故其成本不
一定比BES型低。
(3)BES型檢修和清理的費用比BEU型要
高，但BES型管殼程都可清洗，而BEU型彎管
部分清洗困難；BES型可更換單根換熱管，而
BEU型不能更換單根換熱管。
3．2 介質(zhì)管殼程
由于CO變換反應為等分子反應，出現(xiàn)了煤
氣預熱器熱側(cè)氣體(變換氣)和冷側(cè)氣體(水
煤氣)摩爾流量相等，熱側(cè)氣體體積流量大于
冷側(cè)氣體的情況。
(1)若變換氣走殼程，為了避免殼程氣速
高引起管束振動和聲共鳴，變換氣流速就需比走
管程低，換熱器殼體直徑會比變換氣走管程大，
水煤氣氣速也相應降低，換熱器傳熱效率隨之降
低。由于變換氣溫度高，變換氣走殼程，那么殼
體可能就要用等級更高的材質(zhì)，或增加殼體壁
厚。對于U型管式換熱器， 由于變換氣和水煤
氣都帶少量灰塵，且水煤氣帶灰更多，更易結(jié)
垢，若變換氣走殼程，換熱器長期運行必然引起
管內(nèi)結(jié)垢導致管程壓降增大。
(2)與變換氣走殼程相比，水煤氣走殼程
的變換氣可取相對較高的流速，殼體直徑縮小，
傳熱效率增加，可降低殼體材質(zhì)等級和殼體壁
厚。為方便清洗，水煤氣走殼程的換熱管選擇正
方形排布。
3．3 材質(zhì)
煤氣預熱器殼程和管程的設計壓力都取
6．8MPa(G)，殼程水煤氣和管程變換氣的組成
見表2。
表2 煤氣預熱器介質(zhì)組分 (v％)
CO H2 CO2 N2+Ar CH4 H2S+COS H20
水煤氣l9．o6 13．78 7．95 0．22 0．02 0．32 58．65
變換氣3．42 29．42 23．60 0．22 0．02 0．32 43．00
由表2可知，水煤氣和變換氣中H 含量較
高，操作溫度均高于200~C，需考慮H 腐蝕。
殼程氫分壓為6．9×0．1378=0．95MPa，根據(jù)
《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》HG 20581—1998
中的規(guī)定，并考慮2O℃ 以上的溫度安全裕量，
在300℃以下可以使用碳鋼，3o0℃ 以上需要使
用Cr—Mo鋼。管程設計溫度更高，氫分壓也更
高，考慮使用Cr—Mo鋼。管殼程氣體中都含一定
量的H s，考慮高溫H S．H：腐蝕，根據(jù)《鋼制
黃萬福CO變換煤氣預熱器設計探討 35
化工容器材料選用規(guī)定》SH 3075—1995，可采
用不銹鋼，也可采用以抗氫鋼Cr—Mo鋼為基材的
不銹鋼復合板或堆焊不銹鋼結(jié)構(gòu)。其選擇一般以
400oC為界限，400oC以上選擇堆焊，400℃ 以下
選擇復合板。
煤氣預熱器換熱管選用不銹鋼321材質(zhì)，管
箱選用Cr．Mo鋼堆焊不銹鋼321材質(zhì)，簡體選用
Cr．Mo鋼加不銹鋼321復合板。
3．4 換熱管
考慮到水煤氣和變換氣易結(jié)垢，換熱管外徑
選25mm；考慮高溫高壓和高氣速對換熱管的沖
蝕，換熱管壁厚選2．5mm，換熱管中心間距不
小于32mm。
3．5 折流板
為了維持一定的傳熱效率，氣速不能太低，
殼程氣速過高易引起管束振動和聲共鳴，對于換
熱管規(guī)格、管間距、排布方式一定的換熱器，當
選用單弓形或雙弓形折流板時，可采用加縱向隔
板消解聲共鳴，只能通過加大殼體直徑以降低殼
程氣速解決管束振動。當殼體直徑加大時，殼程
氣體流速降低，管程氣體流速也相應降低，換熱
器傳熱效率大大下降，很不經(jīng)濟。因此采用缺口
不布管型式(NTIW)折流板，通過加縱向隔板
消解聲共鳴，通過在管板和折流板之間、折流板
和折流板之間加支撐板消除管束振動。NTIW雖
然折流板缺口不布管，但通過加支撐板消除管束
振動，管殼程都可保持較高氣速，換熱器傳熱效
率高，總體上比用單折流板和雙折流板經(jīng)濟。
4 計算
4．1 設計模式計算
末期100％負荷工況換熱器工藝參數(shù)和物性
數(shù)據(jù)由Aspen Plus 2006進行流程模擬后直接導
人HTFS+，工藝參數(shù)見表3。換熱管選擇見
表4。
表3 設計工藝參數(shù)
熱側(cè)
交換氣(進／出)
冷側(cè)
水煤氣(進／出)
流量，kg／h
溫度，℃
操作壓力，kgf／cm2(A)
換熱量，keal／h
允許壓降，ksf／cm
294196 294196
45l 389．78 243．5 305
63．687 64．65
850D526
0．5 O．5
污垢系數(shù)，m ·h· ／kcal 0．ooo6 0．001
光管 25 2．5 平均 32 正四角304SS 光滑默認值
換熱管和管板材質(zhì)為不銹鋼321，HTFS+材
料庫沒有321材質(zhì)，熱計算選用304代替。折流
板采用NTIW 型，方向水平，切割率15％。管箱
材質(zhì)為15CrMo堆焊321，筒體材質(zhì)為15CrMo加
321復合板，熱計算選HTFS+的1／2Cr一1／2Mo
代替。
先算BES型單管程單殼程，管殼程壓差設
計，管程采用波紋膨脹節(jié)，得到的備選結(jié)果見
表5。
再算BEU型，得到的備選結(jié)果見表6。
表5 選BES型設計模式計算備選結(jié)果
36 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設計2010，20(1)
由于HTFS+熱計算選用材質(zhì)和煤氣預熱器
實際使用材質(zhì)成分接近(304代替321，1／2Cr一
1／2Mo代替15CrMo堆焊321和15CrMo加321復
合板)，且換熱器成本計算基于統(tǒng)一價格基準，
采用H I +進行成本比較是可行的。從表5、
表6的最佳結(jié)果比較可知(見兩表的最后一
行)，與BES型相比，BEU型殼體大、殼程壓降
大、造價高。由于HTFS+軟件計算時未計算膨
脹節(jié)的成本，如要兩者成本相等，則需增加部分
膨脹節(jié)和管箱的成本。因此BES成本較BEU低。
由表6的優(yōu)選結(jié)果可知，BEU型管長為3m，
此時面積裕量約為50％ ，裕量較大，換熱器計
算的最終結(jié)果的換熱管可能會小于3m，而殼體
直徑為1．7m以上。根據(jù)計算，殼程管口公稱直
徑最小為500ram，若殼程一個管口朝上，另一
個管口朝下，則鞍座距離太近，換熱器支撐困
難；若兩個管口同時朝上，鞍座距離可加大，但
殼程兩個管口距離太近，換熱器實際傳熱效果
不好。
若選用BES型，殼程兩個管口都朝上，保
證了鞍座之間的距離，換熱器支撐穩(wěn)定。煤氣預
熱器外形見圖2。
與BEU型相比，BES型的另一個優(yōu)點是管
殼程都清洗方便。
圖2 煤氣預熱器外形簡圖
綜上，BES型在制造成本、結(jié)構(gòu)強度、方便
清洗等方面都優(yōu)于BEU型換熱器，因此項目煤
氣預熱器選用BES型。同時，根據(jù)比較結(jié)果可
知，項目煤氣預熱器不能選用更多管程的換
熱器。
4．2 校核模式計算
以表5所示的設計模式計算結(jié)果為基本依
據(jù)，將HTFS+計算模式改為校核模式，調(diào)整換
熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到合適的結(jié)果。
表5所示計算結(jié)果對應的換熱器殼體內(nèi)徑為
1172mm，校核模式計算殼體取標準內(nèi)徑
1200mm，換熱管間距調(diào)整為33ram，折流板切割
率調(diào)整為16％ ，換熱管長4500ram，折流板間距
900mm，3塊折流板，有效換熱面積237．3m ，
面積裕量12．72％ ，管程流速16．71m／s，殼程流
速8．28m／s。部分結(jié)果和參數(shù)見表7。
2010，20(1) 黃萬福CO變換煤氣預熱器設計探討 37
以上校核模式計算的換熱器存在管束振動和
聲共鳴，見表8和表9。
表8 管束振動分析表
僅用于氣相 進口 管束 出口 U彎
在管板和折流板之間、折流板和折流板之間
各加一塊支撐板(稱解諧隔板)見圖3，消除了
管束振動。在管板和折流板之間、折流板和折流
板之間各加一塊平行于殼側(cè)氣體流向的縱向隔
板，消除了聲共鳴。支撐板和縱向隔板把殼程氣
體分成了更多的流道，但不影響換熱器的傳熱
效果。
圖3 縱向解諧隔板示意圖
4．3 校核末期110％ 負荷工況
由Aspen Plus 2006進行流程模擬后直接導
出催化劑末期1 10％負荷工況下煤氣預熱器的工
藝參數(shù)和物性數(shù)據(jù)到HTFS+，將校核模式計算
的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)輸人后運行，得到的結(jié)果見
表10。
按催化劑末期100％負荷設計的換熱器滿足
催化劑末期I10％負荷的生產(chǎn)要求，末期110％
負荷換熱器面積裕量為5．65％。換熱器無管束
振動和聲共鳴。
4．4 正常100％負荷工況模擬
在Aspen Plus 2006中建立如圖1所示的水
煤氣帶旁路的正常100％負荷工況的流程。將按
末期100％負荷工況校核模式計算的換熱器導人
流程，設定物流點5的溫度為275oC，可模擬正
常100％負荷工況水煤氣旁路流量和換熱器殼程
出口溫度T 。表11為模擬得到的正常100％ 負
荷工況煤氣預熱器的操作參數(shù)，經(jīng)過換熱器的水
煤氣流量為73649kg／h，占總量294195kg／h的
38 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設計2010，20(1)
流體名稱
流量，kg／h
氣相，進／出，kg／h
溫度，進／出，℃
密度，ks／m
粘度，cP
比熱，kcal／(kg·℃)
熱導率，keal／(h·m2·℃)
壓力，kg m
流速，m／s
壓降，允許／計算，kgc／m
最小污垢系數(shù)，h·m ·~C／kcal
水煤氣
73649
73649 73649
243．5 37l|35
31．54 24．06
O．O24 O．o29
O．4765 0．4608
0．048 0．O62
64．65
2．22
O．5 O．O27
O．o01
294196
422
21．53
O．03
0．472
O．O92
63．808
變換氣
294196
294196
39o．35
22．63
0．029
0．4705
0．088
16．32
O．5 O．15
O．OOo6
注：換熱器尺寸為1200—4500ram；型式為BES；臥式；連接為1并聯(lián)，1串聯(lián)；單臺有效面積為237．1m ；單殼程；殼程有效面積為
237．1m ；換熱量為4387763keal／h；校正平均溫差為90．37℃；傳熱速率，計污垢204．8keal／(h·m ·℃)，不計污垢319．1keal／(h
·m ·℃ )。
25．03％ ，換熱器水煤氣側(cè)出口溫度為
371．35℃。換熱器計算結(jié)果顯示，管程氣體流速
為16．32m／s，殼程氣體流速為2．22m／s，殼程
壓降為2．671kPa，遠低于末期100％負荷工況殼
程壓降。該工況下即使不加支撐板和縱向隔板，
也不存在管束振動和聲共鳴。
5 結(jié)果和討論
(1)煤氣預熱器工況多，應根據(jù)熱負荷最大
的工況即末期1 10％負荷工況計算，考慮到裝置
大部分時間按100％負荷操作，且催化劑壽命周
期內(nèi)末期工況時間短，則選用末期100％負荷工
況進行熱設計計算，換熱器面積裕量12．72％。
經(jīng)校核，末期110％ 負荷工況下面積裕量為
5．65％ ，滿足操作要求。
(2)該甲醇裝置的煤氣預熱器選用BES型，
采用正方形布管，兩側(cè)清洗方便。單管程單殼
程，管殼程壓差設計，采用管程波紋膨脹節(jié)消除
管殼程熱應力。
(3)煤氣預熱器采用NTIW型折流板，在管
板和折流板之間、折流板和折流板之間加支撐板
和縱向隔板，在不改變換熱器其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和不
影響傳熱的條件下，消除了管束振動和聲共鳴。
如果不加支撐板和縱向隔板，末期工況將產(chǎn)生管
束振動和聲共鳴；正常工況下由于很大部分氣體
走旁路，不產(chǎn)生管束振動和聲共鳴。
(4)煤氣預熱器正常100％負荷工況模擬結(jié)
果顯示，水煤氣大部分走旁路，換熱器殼程的流
速和壓降大大降低，特別是水煤氣帶灰較多，正
常工況氣速低，更易結(jié)垢，結(jié)垢后氣體流通面積
變小，壓降可能會大大增加，此問題可通過定期
對設備進行清洗解決。
(修改回稿2009—07-02)

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