合成氨工業是一項基礎化學工業，在化學工業中占有很重要的地位。

　　合成氨生産從造氣開始直到氨的合成都伴随着熱的過程。合理地利用和控制合成氨生産過程中放出的熱量，不僅可以節約生産中的能源消耗，降低生産成本，而且可以提高 CO 變換率及氨的合成率，前者屬于餘熱利用，而後者屬于化學反應的熱控制，熱管技術在這兩方面都存在很大的開發潛力。

　　根據我國工業發展的特殊情況，我國的合成氨工業從生産規模上可分為小合成氨、中合成氨和大合成氨生産。

　　生産的原料路線有煤、油及天然氣。由于原料路線不同，因而生産工藝路線及采用的設備也不盡相同。針對不同工藝路線設備的特點，熱管技術在合成氨工業生産中有以下幾種應用類型。

　　① 回收低溫餘熱預熱助燃空氣，或生産低壓蒸汽作為生産原料；

　　② 回收高溫餘熱産生中壓蒸汽作原料蒸汽的補充，或生産高壓蒸汽作為生産的動力源；

　　③ 控制固定床催化反應器的化學反應溫度，使其向最佳反應溫度曲線無限逼近，從而提高 CO 變換反應器的 CO 變換率及合成氨塔内氨的合成率。

　　以上三種應用類型，在不同的生産規模及不同的原料工藝路線中應用的方式及設計思路均不同，必須針對不同的實際條件采用不同的結構設計才能收到良好的效果。

　　1.上、下行煤氣餘熱回收

　　上、下行煤氣是指以煤或煤球為原料的生産路線中煤造氣爐所産生的上吹半水煤氣及下吹半水煤氣。由于生産原料不同，上、下行煤氣氣體中所含塵粒及溫度也不相同。

　　1.1小合成氨上、下行煤氣餘熱回收

　　小合成氨生産大都使用煤球為原料造氣。其特點是出煤造氣爐的上、下行煤氣的溫度較低，氣體成分複雜含有大量粉塵及水蒸氣，容易引起低溫腐蝕及灰塵堵塞等一系列問題。

　　在設計此類設備中應重點考慮以下問題

　　① 由于氣體溫度低，可利用的傳熱溫差很小，要回收一定熱量必須要有很大的傳熱面積，傳熱面積過大不僅占地大、金屬耗量大，成本也高；

　　② 上、下行煤氣含有大量粉塵和水蒸氣，特别是下行煤氣含塵量更多。每标準立方米氣體的含塵量估算在 30g 以上；

　　③ 這種成分的氣體溫度不宜降得過低，否則易達到露點。一旦達到露點不僅産生露點腐蝕，而且灰塵會堵死氣體通路使設備不能使用；

　　④ 對于以碳化煤球為原料的煤氣中所含粉塵既細又黏，要使設備能長期穩定可靠運行，除能保證自清灰外，設備結構必須能考慮定期清灰以清除附着于管壁及翅片上的灰塵。

　　根據以上具體要求，設計出的熱管換熱設備首先應保證長期可靠運行，不堵塞、體積緊湊、占地面積小，設備氣體出口熱管的管壁溫度應高于氣體露點溫度（約 120℃），以防氣體中的有害成分結露。

　　根據以上原則，設計并成功運行了多年的适用于煤氣造氣上、下行煤氣餘熱回收的熱管蒸汽發生器如圖5-1、圖5-2。該設備具有如下特點。

　　① 氣體流動方向為從上到下，減少灰塵附着于管壁的可能性；

　　② 熱管的蒸發段全部采用軸向直翅片。一方面可以擴展傳熱表面，另一方面可消除熱管背部的渦流區，從而不使灰塵在此停聚。同時也減少了流動阻力損耗。

　　從煤氣爐出來的上行煤氣先經過旋風除塵器，然後從蒸汽發生器的上部向下流過熱管管束，溫度從進口的360℃左右降到出口的140℃左右進入下一工段的洗氣塔，然後去煤氣櫃。

　　下行煤氣從煤氣爐的底部出來經過旋風除塵器仍然從蒸汽發生器的頂部進入，溫度從 300℃以上降至140℃進入洗氣塔，然後去煤氣櫃。

　　1.2中合成氨上行、下行煤氣餘熱回收

　　中合成氨與小合成氨生産除在産量規模不同外，主要的區别在于中型合成氨廠的煤造氣是以塊煤為原料。因此其上行煤氣出煤造氣的溫度遠較小化肥高，大約在 600℃左右。中合成氨生産造氣工段的流程簡圖如圖 5-3 所示。

　　與小合成氨不同之處在于煤造氣爐後有一吹風氣燃燒室。上行煤氣經過燃燒室後再進入列管式廢熱鍋爐。上行煤氣與吹風燃燒氣合用一個廢熱鍋爐産生低壓蒸汽（0.4～0.8MPa）或中壓蒸汽（1.9～2.5MPa）供工藝使用。

　　由于中合成氨煤造氣爐的下行煤氣溫度較低（200℃左右），因而一般不經過廢熱鍋爐而直接去洗氣塔。

　　在上述生産流程中存在着以下幾方面的問題。

　　① 列管式廢熱鍋爐容易損壞

　　損壞的原因大都由于兩方面的原因∶

　　一是氣體流速過高，氣體中含有大量煤的灰渣或細煤粒極易将管子磨穿。

　　二是在産生低壓蒸汽時，下管闆水進口處的水溫過低，造成局部管壁低溫過冷，形成露點腐蝕。

　　二種原因都可能使局部管子破裂漏水，必須停工查漏檢修，給生産造成損失。

　　② 設備利用率不高

　　在煤造氣合成氨生産中，上行煤氣制作過程隻占一個循環的 24%～27%，吹風氣隻占一個循環的 25%～28%，亦即在一個循環中隻占 49%～55%的時間有氣體通過廢熱鍋爐，其餘時間無氣體通過，設備處于空閑狀态。

　　③ 換熱面積設計嚴重不合理

　　一般造氣工段的廢熱鍋爐均是按瞬間最大吹風氣流量設計的，而上行煤氣隻相當于吹風氣量的 30%～50%左右，這樣小的氣量通過上述按吹風器最大瞬時量設計的廢熱鍋爐，由于傳熱面積過大，必然形成上行煤氣出口溫度過低，不僅會産生露點腐蝕，而且易形成灰堵。

　　④ 低溫餘熱沒有充分回收

　　目前中型合成氨廠都将廢熱鍋爐産生的飽和蒸汽壓力提高。其優點是得到高品位的蒸汽，另一方面也提高了傳熱管壁溫度，對防止露點腐蝕有利。

　　但由于飽和蒸汽壓力提高，飽和蒸汽溫度也相應提高，為維持一定溫差，排出廢熱鍋爐氣體的出口溫度也相應提高。一般将出口溫度設計在 270℃左右。

　　由于中型合成氨生産的氣體流量較大，如果将 270℃氣體的溫度降到 140℃左右，則吹風燃燒氣、上行氣、下行氣的總回收熱量相當于一噸蒸汽的熱量（φ2700mm 煤氣爐），顯然這種低溫小溫差有腐蝕性氣體的餘熱回收采用熱管是最合适的。

　　根據以上情況，對中型合成氨煤造氣工段采用熱管技術可以有二種途徑。

　　① 在原有廢熱鍋爐後加一台熱管低溫餘熱回收裝置，将廢熱鍋爐出口 270℃的氣體降至 140℃，同時将下行煤氣（約 200℃）也經過熱管裝置，可以回收下行煤氣約 60℃溫差的熱量。

　　熱管裝置可以是氣-氣式的，即用回收的低溫餘熱加熱進入煤氣爐的空氣或過熱低壓水蒸汽。也可以是熱管省煤器的形式，加熱廢熱鍋爐的給水。

　　② 為充分考慮設備利用率及餘熱回收率，可使每一台煤造氣爐後配一台熱管蒸汽發生器專供上、下行煤氣餘熱回收，由于上下行煤氣的發生量相差不太大，設計的傳熱面積比較合理。

　　而将三台煤氣爐的吹風氣通過一個燃燒室燃燒後進入一台熱管廢熱鍋爐，可使設備的利用率達75%～84%。

　　2 .吹風氣燃燒氣餘熱回收

　　從煤氣爐出來的吹風氣中含有少量可燃成分如 CO、H，等，為充分回收其熱量，一般均首先通過燃燒室，将可燃成分燃盡， 再進廢熱鍋爐回收其熱量。

　　由于塊煤造氣和煤球造氣的吹風氣中所含可燃氣成分的含量不同，出煤造氣爐的溫度也不相同，所以在設計二種吹風氣餘熱回收熱管蒸汽發生器時應考慮的注意事項也不完全相同。

　　2.1 小合成氨吹風氣燃燒熱的利用

　　在以往的小合成氨生産中吹風氣都是直接排放，不僅浪費了能源，而且對環境造成污染和危害。80 年代末期在小合成氨蒸汽自給技術改造中，大多數小合成氨廠均進行了吹風氣燃燒熱量回收的技術改造。典型的幾種流程如圖5-6、圖5-7、圖5-8所示。

　　圖 5-6 所示流程的熱管餘熱鍋爐是一種緊湊式餘熱鍋爐，熱管的冷凝段直接插在汽包中。

　　該流程具有不少優點，如空氣預熱溫度比較高（420℃以上），對燃燒爐穩定燃燒起到良好作用。

　　過熱蒸汽的溫度也比較高（400℃），但該設計未能充分發揮熱管優勢，使高品位熱能未能得到充分利用。

　　本可産生（表壓）1.6MPa 以上中壓蒸汽，由于采用了低溫熱管，該流程隻能産生 0.4MPa（表）的低壓蒸汽。

　　其次該流程未能發揮熱管在低溫餘熱回收中的優勢，排煙溫度 160℃顯得偏高。

　　熱管鍋爐的設計未考慮大含塵量氣體中灰塵的處理，因之該設備僅适用于以塊煤為原料而不适用于以碳化煤球為原料的造氣工段。

　　圖 5-7 是另一種流程，其特點是吹風氣入燃燒爐燃燒後，産生800~900℃的高溫煙氣，直接進入高溫熱管餘熱鍋爐。

　　該鍋爐的前一部分采用了以鈉、鉀為工作介質的不鏽鋼管材為殼體的高溫熱管，可以承受 900℃以上的高溫。

　　煙氣降溫至 400℃左右進入第Ⅱ熱管空氣預熱器，加熱來自第 I熱管空氣預熱器的空氣，将空氣從 140℃左右加熱到 320℃左右去燃燒室作為吹風氣的助燃空氣。

　　出第 Ⅱ熱管空氣預熱器的煙氣約 280℃左右進入熱水加熱器，将脫氧水加熱至 130℃左右，煙氣降至 140℃左右再進入第 Ⅰ熱管空氣預熱器，将 25℃左右的常溫空氣加熱至 130℃左右進入第 ⅡI熱管空氣預熱器，最後煙氣降溫至 120℃左右排入煙囪，這一流程可以産生 1.6～2.5MPa 的中壓蒸汽，直接供變換或其他工段使用。

　　圖 5-8 的流程與圖 5-7完全一緻，隻是用普通的水管鍋爐代替了熱管鍋爐，造價比較便宜但占地面積較大。

　　2.2 中型合成氨吹風氣燃燒熱的利用

　　中小合成氨不同之處在于所有中型合成氨廠以煤造氣的工段，吹風氣都經過燃燒室燃燒後再進入廢熱鍋爐回收餘熱。

　　正如前述，原有的列管式廢熱鍋爐都是按瞬時最大吹風氣流量設計的，而吹風氣在一個循環中隻占 25%～28%的時間，所以設備的利用率不高。

　　即使上行煤氣也通過廢熱鍋爐，也隻有 50%～60%的利用率，何況上行煤氣的流量僅是吹風氣瞬時流量的 1/3。所以合理的辦法是将三台煤氣爐的吹風氣通過一個燃燒室燃燒，燃燒後的煙氣再進入一個廢熱鍋爐，這就大大提高了設備的利用率。

　　雖然利用原有的列管式廢熱鍋爐也可做到這一點，但原有的廢熱鍋爐設計的氣體流速均相當高，鍋爐進口處的流速高達 20m/s 以上。因此，高速磨損經常是管壁破壞的原因之一。

　　如果三台煤氣爐的吹風燃燒氣都經過同一鍋爐，則磨損速度将增大二倍，因而其磨損破壞幾率也将增大二倍。

　　根據中型合成氨生産的具體特點，在設計吹風氣燃燒氣餘熱回收的熱管蒸汽發生器時應注意∶

　　① 應具有很高的可靠性及比較長的使用壽命;

　　② 體積應緊湊;

　　③ 金屬耗量應少;

　　④ 注意風速的選擇，防止快速磨損。

　　3 .一段轉化爐空氣預熱器

　　一段轉化爐是 30 萬噸/年大型合成氨廠的關鍵設備。一段轉化爐的任務是在外部供熱的情況下使烴類與水蒸氣的混合物在爐管内轉化為 CH4、H2、CO、CO2等氣體混合物。其中 H2、CH是合成氨的原料。

　　一段轉化爐有多種結構型式。目前國内主要有頂部燒嘴和側壁燒嘴二種形式，分别見圖 5-9（a），圖 5-9（b）。

　　燒嘴噴出的燃料在空氣助燃下加熱爐内的轉化爐管。熱量大部分為轉化爐管吸收。轉化爐管所在區域稱為輻射段。

　　為了充分合理地利用熱量還必須使煙道氣通過對流段，在對流段内布置有各種吸收煙道氣餘熱的管道。煙氣流出對流段的溫度設計值在 250℃左右。

　　但實際上由于對流段内各種熱回收管道的表面結垢，經過一段時間運行之後，排出對流段的煙氣溫度大多在 300℃左右。排出的煙氣量（标準狀況）達 140000～240000 m²/h。如果将其降溫到 140℃排空，則回收的熱量可達8400～15000 kW。回收這部分熱量最合理的用途是加熱助燃空氣。

　　由于一段爐使用的燃料一般為輕柴油或天然氣，節約這部分燃料也就更有價值。

　　對于大型合成氨廠的設備，其運轉可靠性屬第一。特别是像一段轉化爐這樣的關鍵設備，決不能因設備事故而停車，否則造成的停車損失太大，因此熱管換熱器設計最重要的是防止灰堵。

　　對于以煤氣或天然氣、輕柴油為燃料的一段爐的煙氣的餘熱回收比較簡單，灰堵的可能性不大。

　　而對于以重油或渣油為燃料的煙氣餘熱回收則必須慎重考慮，防止灰堵的關鍵措施有如下幾條。

　　（1）保持合理的風速

　　在壓力降允許的條件下盡量采用高風速，風速高不僅不易積灰，傳熱系數也高。但風速過高又會引起壓力降加大，壓力降是由引風機的抽力決定的，所以二者必須兼顧。

　　為了保證合适的風速，許多設計者采用了等流速的設計方法。即保證煙氣通過每一排熱管的流速相等。

　　由于煙氣在通過熱管管排時，煙氣溫度不斷降低，體積不斷縮小，為了保持相等的流速，流道的截面也應該随之相應縮小。因此流體通道沿流動方向呈梯形。

　　選擇最适宜的風速與系統允許的壓力降有關，一段爐熱管空氣預熱器的壓力降一般小于600Pa。通常最小流通截面工況下的流速可在8～11m/s 的範圍内選擇。

　　（2）選擇合理的翅片間距

　　翅片間距密，熱管的根數可以減少，但翅片間距過小，不僅容易積灰，而目壓力降也大。根據不同的燃料種類，可在6～12mm 之間選擇。

　　（3）調整好末排管壁溫度

　　熱管管壁溫度的調整始終是設計者應考慮的一個重要問題。

　　特别是當煙氣流出換熱器溫度降得較低時，在逆流換熱情況下，熱管的冷側正是常溫空氣的進口。這時應當注意熱管的管壁溫度是否在煙氣露點以下。 如管壁溫度低于煙氣露點，則很容易形成灰堵。

　　煙氣的露點與燃料的含硫量以及燃燒後煙氣中的硫酸蒸汽分壓有關。設計前應弄清燃料的含硫量，根據資料查詢該種燃料煙氣的露點。

　　我國的 30 萬噸/年合成氨大型化肥廠大多從國外引進。在這些工廠中的一段轉化爐多數未配有空氣預熱器，有的廠配用了回轉式空氣預熱器，根據實用效果對比，回轉式明顯不如熱管式好。

　　目前國内的30 萬噸/年合成氨廠大多配用了熱管式空氣預熱器。資料表明，回轉式空氣預熱器改為熱管式空氣預熱器後有如下優點。

　　① 免去了回轉式電機的動力消耗;

　　② 熱回收效率提高了18.3%;

　　③ 減少了維修工作量。

　　4 .變換工段氣-氣換熱器

　　在中、小型合成氨廠的變換工段，來自熱水飽和塔的半水煤氣要與來自變換爐變換氣進行熱交換。通過換熱，水煤氣的溫度升高，而變換氣的溫度降低。

　　半水煤氣和變換氣的組分都是有毒、易爆、易燃物質（CO、H，）。所有的變換工段的變換熱交換器（第一熱交換器、第二熱交換器）都是采用列管式的，存在易腐蝕、洩漏、串氣等問題。

　　特别是第一熱交換器， 由于溫度較低，極易腐蝕，維修工作量大。腐蝕還會引起列管管口堵塞，增加系統阻力，緻使變換系統壓差增大，影響生産的安全正常運行。

　　在變換系統中應用熱管換熱器具有如下優點∶

　　① 可以調整熱管管壁溫度，控制低溫腐蝕的産生;

　　② 個别熱管損壞不會發生二種氣體的串混;

　　③ 設備緊湊，壓力降小，對變換生産有利;

　　④ 使用壽命長，投資省。

　　變換工段的半水煤氣和變換氣都具有一定的壓力，因此熱管換熱器的殼體也必須是按壓力容器設計标準設計。

　　5 .二段轉化爐高溫高壓蒸汽發生器

　　30萬噸/年合成氨廠二段轉化爐出口的轉化氣溫度約為 975℃，必須使溫度降至 360℃左右送入高溫變換爐。

　　為了充分利用這部分熱量，故使二段轉化爐出口的轉化氣通過高壓廢熱鍋爐，利用這部分廢熱來産生高壓蒸汽作為合成氨廠的動力蒸汽。

　　我國30萬噸/年合成氨廠的高溫高壓廢熱鍋爐迄今為止都是自國外引進。

　　目前主要有兩種結構形式∶

　　① U型管式，如圖5-12;

　　② 刺刀管式，如圖 5-13。

　　圖 5-12 是 U 型管式廢熱鍋爐結構，在高壓管箱内用隔闆将管闆一分為二，管闆的一側進入來自汽包下降管的循環水，由U型管的端口進入管闆下方的轉化氣殼體内。

　　循環水在 U 型管内接受管外轉化氣的熱量産生蒸汽，汽水混合物向上流動至 U型管的另一端進入高壓管箱隔闆的另一側，沿上升管進入汽包。

　　這種結構有其天生缺陷， 即汽-水循環回路不暢。因為當循環水在 U 型管内被加熱成為汽水混合物時，在整個 U型管内都有向上流動的趨勢，循環水的下降必然受到汽水混合物向上流動的阻擋。所以它的自然循環很不穩定，嚴重時形成汽阻使管子過熱爆管。

　　圖 5-13 為刺刀管式廢熱鍋爐。循環水從汽包的下降管由頂部進入中心管向下進入外套管的夾層，接受來自轉化氣的熱量，汽水混合物向上流動沿夾層進入上端的汽水室再沿上升管進入汽包。

　　這種形式的汽水循環較U 型管結構合理。但結構較複雜，中心管下端與外套管端部的距離要求很嚴，此處是循環水受熱最強的部分。

　　汽水混合物既沿夾層上升也有沿中心管向上流動的趨勢，這種趨勢也使中心管的循環水下降受到阻力，當上部分水闆分水不均時，則有可能造成循環的惡化，部分中心管供水不足引起管壁過熱爆管。

　　以上兩種進口技術都存在固有的先天缺陷。在傳統的傳熱技術範圍内，隻可能産生這些專利技術。然而如采用熱管技術，就可以使汽水循環回路非常通暢，結構又非常簡單。

　　圖 5-14 是熱管式高溫高壓廢熱鍋爐的結構示意圖。

　　從汽包下降管來的飽和水從高壓管箱的一側進入高壓管箱。飽和水在此接受熱管冷卻段放出的熱量産生汽水混合物，蒸汽從頂部出口，沿上升管進入汽包。這種循環回路是典型的汽水循環回路，因此很容易建立起自然循環，系統的循環阻力也小。

　　其工作原理是高溫的二段爐轉化氣由殼體的下部通過氣體分布器向上流動，分别由環向隔闆掃過熱管的加熱段。熱管内部的工作液體受熱汽化，向上流動到管闆上方的冷卻段。工作液體在冷卻段放出汽化潛熱加熱管箱中的飽和水，使飽和水産生蒸汽。

　　放出汽化潛熱後的工作液體沿熱管内部管壁下流，在加熱段繼續受熱汽化，工作液體蒸汽再次上升到達冷卻段，加熱管外的飽和水，使水變為蒸汽進入汽包，如此反複循環。

　　這種高溫高壓蒸汽發生器結構的優點非常明顯。因為熱管的二端均是自由的，沒有高溫下的熱膨脹問題，循環水進入高壓管箱後受到熱管的均勻加熱類似于大容積的池狀沸騰，因此沒有水分配問題。

　　熱管的内部采用了液态金屬（鈉、鉀）作為工作介質，液态金屬的特點是飽和蒸汽壓力很低。在大氣壓力的條件下，鈉的沸點是 883℃，鉀的沸點是 760℃。故在高溫條件下工作的熱管内部壓力一般處在負壓狀态，管壁不會爆破。

　　即使個别熱管管壁因某些特殊原因穿孔，内部少量的液态金屬在高溫轉化氣中将與水蒸氣反應生成氫氧化合物。由于水側的管壁完好故不會有水漏入轉化氣中，生産不會受到影響，安全可靠性遠較 U 型管式及刺刀式廢熱鍋爐高。

　　6 .絕熱化學反應器級間熱管換熱器

　　在合成氨生産中，CO變換反應器和氨合成反應器都屬于絕熱催化反應器。其化學反應是典型的氣固相催化可逆放熱反應，從反應熱力學和動力學可知，降底溫度，移走反應熱，增加壓力和降低生成物濃度， 都有利于平衡向氨生成方向移動。

　　對于不可逆放熱反應，溫度升高，則反應速率常數增大，但平衡常數的數值降低，溫度對平衡常數和反應速度的影響是相互矛盾的。因此一定組成條件下存在一個最佳反應溫度問題。

　　這裡以合成氨生産為例，其平衡曲線及最适宜溫度曲線列于圖 5-15。

　　由圖 5-15 可見，當氨濃度較高時所需的反應溫度宜低；而氨濃度偏低時，則所需的最适宜反應溫度較高，因此随着氨反應濃度的增加，觸媒床層溫度應盡量沿最适宜反應溫度線往低溫方向移動。

　　顯然這時的反應速度也是逐漸下降的。但隻要沿着最佳反應溫度曲線移動，就能保持在該溫度條件下的最大反應速率。所以如何移走反應熱量，使氨的合成反應盡量靠近最佳反應溫度進行，已成為氨合成塔内件研制的關鍵所在，也是評價該反應器優劣的重要标志之一。

　　但工業生産上要使反應完全按照最适宜反應溫度的變化規律進行操作幾乎是非常困難的。因為從圖可知，随着反應率的提高，最适宜溫度是由高逐漸降低的，如要使反應完全沿着最适宜溫度曲線進行，就要采取邊反應邊進行冷卻的措施，以移走反應熱使氣體冷卻到最适宜溫度，這就要使反應器的結構非常複雜。

　　國内外所有的合成反應器都圍繞着這一目标不斷開發新的結構，但遺憾的是迄今為還未能有重大突破，關鍵問題是在高溫高壓的有限空間内，常規的換熱技術很難實現最佳反應溫度的逼近。

　　結構的複雜性以及結構的不可靠性始終是很難逾越的障礙，熱管技術的出現給反應器的内件改造帶來了希望。

　　理論分析熱管有可能将絕熱反應器中床層的溫度控制在最佳範圍，如圖 5-16 中虛線所示。圖中橫坐标為反應床層溫度，縱坐标為氨合成率。

　　熱管技術用在絕熱催化反應器内的基本思想是逐段取出化學反應熱以控制反應在最适宜的溫度範圍内得到最大的反應率，各種具體的化學反應器的操作條件（溫度、壓力、空速等）均不一緻，因而根據不同的操作條件有不同的考慮。此研究工作已在南京化工大學取得階段性成果。

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