浅析荒煤气处理装置耐硫变换系统管道布置

张智平

摘要：本文介绍了荒煤气处理装置耐硫变换系统设备布置、材料选择；讨论了耐硫变换系统管道布置，通过CAESARII软件模拟计算，确保高温管道安全稳定运行。

关键词：荒煤气；变换炉；高温换热器；管道布置

1前言

新疆某公司绿电耦合焦炉煤气资源综合利用项目，将焦炉煤气作为合成LNG的原料气，并联产液氨。该项目实施煤炭分级分质清洁高效综合利用，不仅将优质的煤炭资源就地转化，而且把产业链上的有用资源“吃干榨净 ”，实现产品附加值最大化，将对促进焦化与能源行业的技术进步与产业发展具有重要的意义，为焦炉煤气的综合治理和利用作出示范，变废为宝，使环境、经济和社会效益得以协调和统一，为带动区域现代煤化工产业发展及技术升级有着重要的战略意义。

本项目主要生产装置为12.5亿Nm³/年煤炭热解焦炉煤气净化装置，4.3亿Nm³/年解析气净化装置，包含气体预处理系统，耐硫变换系统，MDEA脱硫脱碳系统，甲烷化系统和公用工程等系统。

2 荒煤气耐硫变换系统设备布置

耐硫变换系统反应温度高（最高设计温度465℃），管道口径大（最大口径为600），是该装置核心部分。该系统的设备布置和管道布置是该装置设计的重点和难点。

主要工艺流程介绍如下：自TSA净化的净化气压力为0.55MPaG，经净化气压缩机（C-201）一级增压至1.2MPaG，然后分为两股进入两个系列进行耐硫变换。耐硫变换主要将原料气中的CO通过反应转化成H2，提高煤气中的H2含量。耐硫变换的反应方程式如下：CO+H2O=CO2+H2。经净化气压缩机（C-201）一级增压后的净化气温度为125℃，经过前热交换器（E-201AB）和主热交换器（E-202AB）加热至230℃之后利用中压蒸汽增湿，然后进入预变换炉（R-201AB）进行脱氧、脱氯。脱氧、脱氯之后的变换气进入增湿器（V-202AB）再利用中压蒸汽和除氧水增湿后进入变换炉（R-202AB）一段进行变换反应，使变换气中的CO转化为H2。变换炉（R-202AB）一段出口的变换气先经过主热交换器（E-202AB）为进入预变换炉（R-201AB）的净化气预热，然后进入低压蒸汽发生器（E-206AB）产生0.6MPaG蒸汽供MDEA系统使用，减少装置蒸汽耗量。变换气自低压蒸汽发生器（E-206AB）出口冷却至200℃后进入变换炉（R-202AB）二段进行变换反应，使变换气中的CO继续转化为H2，变换气中的CO含量降低至0.5%（v%）后进入前热交换器（E-201AB）和除氧水预热器（E-204AB）回收余热。余热回收后的变换气经变换气水冷器（E-205AB）冷却至40℃后经变换气分液罐（V-203AB）分液。分出的液体回到一级洗氨塔（T-101）顶部作为洗氨水回用，气体进入二级脱硫塔（T-201）进行再次脱硫。

主要设备介绍如下：

表2-1 耐硫变换系统反应器一览表

序号	编号	名称	数量(台)	操作介质	温度(℃)		压力(MPaG)		规格
					设计	操作	设计	操作
1	R-201AB	预变换炉	2	净化气/变换气	400	305	1.38	1.20	Φ3800×16200(T/T)
2	R-202AB	变换炉	2	变换气	400	194/344	1.38	1.20	Φ3800×23400(T/T)

表2-2 耐硫变换系统容器一览表

序号	编号	名称	数量(台)	操作介质	温度(℃)		压力(MPaG)		规格及内部结构（设备型式）
					设计	操作	设计	操作
1	V-202AB	增湿器	2	变换气	350	231~305	1.38	1.20	Φ2400×5500(T/T)
				除氧水
2	V-203AB	变换气分液罐	2	变换气	80	40	1.38	1.20	Φ2400×5000(T/T)
				凝液
3	V-204	二级脱硫气液分离器	1	变脱气	80	40	1.38	1.20	Φ4200×8000(T/T)
				脱硫液

表2-3 耐硫变换系统换热器一览表

序号	编号	名称	数量(台)	操作介质		温度（℃）				压力(MPaG)				规格型号
				管程	壳程	管程		壳程		管程		壳程
						进	出	进	出	进	出	进	出
1	E-201AB	前热交换器	2	变换气	净化气	217	181	125	170	1.18	1.18	1.20	1.19	BEM-1100-1.38-172-3/25-Ⅰ
				设计条件		240		240		1.38		1.38		立式
2	E-202AB	主热交换器	2	变换气	净化气	345	300	170	230	1.18	1.17	1.19	1.18	BEM-1000-1.38-102-2.5/25-Ⅰ
				设计条件		365		365		1.38		1.38		立式
3	E-204AB	除氧水预热器	2	除氧水	变换气	104	145	181	139	2.00	2.00	1.18	1.17	BEM-1200-2.5/1.38-256-4/25-4Ⅰ
				设计条件		200		200		2.50		1.38		立式
4	E-205AB	变换气水冷器	2	变换气	循环水	149	40	32	42	1.18	1.17	0.45	0.25	BEM-1200-1.38/0.8-561-6/19-Ⅰ
				设计条件		170		80		1.38		0.63		立式
5	E-206AB	低压蒸汽发生器	2	变换气	除氧水、低压蒸汽	300	194	145	164	1.18	1.15	2.00	0.60	BKU-1000/1800-1.38/0.78-184-3/25-2Ⅰ
				设计条件		320		185		0.40		3.50		卧式

备注：其中净化气压缩机（C-201）、一级洗氨塔（T-101）、二级脱硫塔（T-201）非耐硫变换系统设备只在主要工艺流程中体现。

荒煤气耐硫变换系统设备布置：

根据该装置主要工艺流程、主要设备，可以看出耐硫变换系统分AB两个系列，设备应对称布置。考虑到与整体装置的对接性，中间设置管廊（9米*7.5米）与其他系统相连接，两侧设置框架，管廊顶层及框架根据设备人孔、阀门布置等情况设置操作平台。设备布置见图2-1、2-2。

图2-1耐硫变换设备平面布置面

图2-2耐硫变换设备立面布置面

3 耐硫变换系统材料选择

耐硫变换系统介质为变换气，主要成分有氢气，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，氮气，氨气，硫化氢等。按照最高操作工况设计压力1.38MPa，设计温度415℃。硫化工况设计压力0.58MPa，设计温度465℃。

根据SH/T3059《石油化工管道设计器材选用规范》选材要求，高温管道应选15CrMo材质（可满足-20~550℃）。根据HG/T 20615《钢制管法兰Class系列》法兰温压曲线，法兰应采用CL300。

4 反应器R-201A至R-202A管道布置及应力分析

4.1反应器R-201A至R-202A管道工艺参数

管道参数详见下表4.1-1：

表4.1-1反应器R201A至R202A管道参数

	R-201A出口	V-202A入口	V-202A出口	R-202A入口
操作温度(0C)	305	305	234	234
最大操作温度(0C)	450	450	450	450
设计温度(0C)	465	465	465	465
操作压力(MpaG)	1.2	1.2	1.2	1.2
设计压力(MpaG)	1.38	1.38	1.38	1.38
公称直径(DN)	DN600	DN600	DN600	DN600
公称压力(CL)	CL300	CL300	CL300	CL300
管道材料	15CrMo	15CrMo	15CrMo	15CrMo
接管尺寸(mm)	Ø610x10.0	Ø 610x10.0	Ø 610x10.0	Ø 610x10.0

4.2反应器R-201A至R-202A管道布置及支架设置

从R-201A出口到V-202A入口管道成立面Z型，R-201A和V-202A裙座标高都在4200mm左右，靠近反应器第一个支架70点设置为可变弹簧支架和止推支架，水平方向130点和160点设置承重支架。从V-202A出口到R202A入口管道布置成立面Z型，R-202A和V-202A裙座标高都在4200mm左右。反应器顶部635点垂直位移量大，设置恒力弹簧支架和南北导向支架，620点和590点设置四个方向导向支架，保证管道的稳定性，560点设置承重支架。因管道口径大，温度高，承重支架优先采用聚四氟乙烯板低摩擦支架。根据应力计算CAESAR II结果，一次应力最大值为ASMEB31.3许用应力56.5%，二次应力最大值为ASMEB31.3许用应力40.7%。管道柔性较好，一次二次应力均通过。管道应力分析模型见图4.2-1。

图4.2-1 R-201A出口到V-202A入口管道布置图

4.3管口受力要求

反应器进出口受力与力矩按照SH/T3074《石油化工钢制压力容器》附录D要求见下表4.3-1：

表4.3-1反应器进出口受力与力矩要求

		Fx(N)	Fy(N)	Fz(N)	Mx(N.m)	My(N.m)	Mz(N.m)
	DN600	21600	28800	28800	44928	51840	34560

反应器进出口管道受力与力矩见下表4.3-2

表4.3-2反应器进出口受力与力矩结果

		Fx(N)	Fy(N)	Fz(N)	Mx(N.m)	My(N.m)	Mz(N.m)
	R-201A出口	15426	28801	8610	36239	44981	35565
	V-202A入口	25916	32958	8615	68154	31621	34537
	V-202A出口	1062	25941	1764	34828	4270	5717
	R-202A入口	4363	32815	5522	55708	6604	24683

根据应力计算CAESARII结果，一次二次应力均通过，最终管口受力与力矩反馈给设备专业和制造厂复核。对比表4.3-1与表4.3-2可以看出，设备管口基本满足制造厂管口受力与力矩要求。

5反应器与高温换热器管道布置及应力分析

5.1反应器与高温换热器管道工艺参数

管道参数详见下表5.1-1：

表5.1-1反应器与高温换热器管道参数

	E-202A入口	E-202A出口	跨线	E-206A出口
操作温度(0C)	344	300	344	194
最大操作温度(0C)	450	320	450	450
设计温度(0C)	465	320	465	465
操作压力(MpaG)	1.2	1.2	1.2	1.2
设计压力(MpaG)	1.38	1.38	1.38	1.38
公称直径(DN)	600	600	600	600
公称压力(CL)	CL300	CL300	CL300	CL300
管道材料	15CrMo	15CrMo	15CrMo	15CrMo
接管尺寸(mm)	Ø610x10.0	Ø610x10.0	Ø610x10.0	Ø610x10.0

5.2反应器与高温换热器管道布置及支架设置

E-202A为立式换热器，从R-202A出口到E-202A入口管道，阀门布置在EL+12000层平台上。靠近反应器第一个支架120点设置为可变弹簧支架，310点设置承重支架，480点设置承重支架和水平导向支架，靠近E-202A支架550点设置弹簧支架。E-206A为卧式换热器，从E-202A出口到E-206A入口管道布置成上U型，靠近换热器E-206A支架2015点设置弹簧支架和东西方向导向，减少管口受力与力矩。从E-206A出口至反应器E-202A管道步步高布置，靠近E-202A出口管道1380和1420点设置承重支架，1330点设置承重支架和南北导向支架，靠近反应器入口R-202A支架点1280为弹簧支架。反应器硫化工况跨线阀门也布置在EL+12000层平台上，靠近阀门880点设置承重支架，960点设置弹簧支架。因管道口径大，温度高，承重支架优先采用聚四氟乙烯板低摩擦支架。根据应力计算CAESAR II结果，一次应力最大值为ASMEB31.3许用应力63.5%，二次应力最大值为ASMEB31.3许用应力55.9%。管道柔性较好，一次二次应力均通过。管道应力分析模型见图5.2-1。

图5.2-1高温换热器进出口管道布置图

5.3反应器与高温换热器管口受力要求

反应器与高温换热器管口受力与力矩按照SH/T3074《石油化工钢制压力容器》附录D要求见下表5.3-1：

表5.3-1反应器与高温换热器受力与力矩要求

		Fx(N)	Fy(N)	Fz(N)	Mx(N.m)	My(N.m)	Mz(N.m)
	DN600	21600	28800	28800	44928	51840	34560

反应器与高温换热器管口管道受力与力矩见下表5.3-2

表5.3-2进出口受力与力矩结果

		Fx(N)	Fy(N)	Fz(N)	Mx(N.m)	My(N.m)	Mz(N.m)
	R-202A-N2	4221	30828	5618	27157	8478	14796
	R-202A-N3	27760	31534	4332	48021	20598	37293
	E-202A入口	28623	21880	11530	23629	71106	47437
	E-202A出口	15595	26956	12451	50092	5340	34586
	E-206A入口	15837	19101	12451	52309	29014	2102
	E-206A出口	5905	15764	4438	12509	3556	7993

根据应力计算CAESARII结果，一次二次应力均通过，最终管口受力与力矩反馈给设备专业和制造厂复核。对比表5.3-1与表5.3-2可以看出，设备管口基本满足制造厂管口受力与力矩要求。

6结论

荒煤气耐硫变换系统是整个装置的核心部分，变换炉反应器进出口管道因温度高，硫化工况操作温度达到450度，受力要求比较苛刻，更是重中之重。本文通过简述设备管道布置，通过CAESARII软件应力计算，通过合理设置支架形式及设置弹簧支架，使管口受力与力矩符合相关标准要求。我们掌握正确的设计思路，充分理解工艺的特点和操作工况，按照标准规范和项目设计经验，设计出符合操作，检修，满足工艺和生产需要的成果，从而达到装置安全稳定运行目的。

参考文献

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[8]SH/T3059-2012，石油化工管道设计器材选用规范[S].