前言：

氫是許多石油化工產品的重要原料。氨、甲醇等許多化學品的合成和燃料油的加氫所消耗的氫約占氫氣年需求的三分之二。另外，化工、制藥、冶金、半導體生產、食品、玻璃、航天等工業也使用氫。
現在，全球氫需求約為5000萬噸/年。而且，氫需求還會增長，例如，石油化工和煉廠的氫需求以每年6-7％的速度增長。目前，導致氫需求增長的主要原因是日益增長的環保要求和加工低質量的原油；將來，燃料電池在汽車和各種分散供電設備中的應用將導致氫需求的大幅度迅速增長。
工業制氫的方式有很多種，而石化煉油廠根據其自身的特點，一般主要采用輕烴水蒸汽轉化法和重油部分氧化法制氫技術。輕烴水蒸汽轉化制氫因其工藝流程簡單，條件緩和，不需要純氧，主要設備較少，投資省，氫氣成本低，被公認為是煉油廠制氫*佳方案。
轉化爐是制氫裝置的核心設備。在這里，烴類原料和水蒸汽在催化劑的作用下，發生一系列的熱裂解、催化裂解、脫氫、加氫、積碳、氧化、變換、甲烷化反應。其主要反應為：
CmHn＋mH2O  → mCO＋（m/2＋n）H2 ＋Q
CO＋3H2 → CH4＋ H2O
CO＋3H2O → CO2 ＋ H2
所以轉化爐設計的好壞直接影響裝置長周期運行。
轉化爐從結構形式上看主要有頂燒爐、側燒爐、階梯爐和底燒爐四種，但目前在制氫裝置中廣泛應用的爐型只有頂燒式和側燒式兩種。
頂燒爐的所有轉化爐管分幾排布置在一個爐膛內，排列比較緊湊，燒嘴位于爐頂，火焰向下燃燒，直接加熱爐管。爐膛大致呈正方形。
側燒爐由兩個輻射室并列組成，每個輻射室內排列一排爐管（傳統設計為每個輻射室內排列兩排爐管的布置，以減小輻射室的長度），其燒嘴為小型燒嘴，位于爐墻兩側，每側爐墻由下到上分布6排。火焰短小，向四周呈放射狀噴出，加熱爐墻，利用爐墻的輻射熱加熱爐管。
國內*近十多年來，已不再建造側燒爐，原因是：
(1). 當制氫裝置變換氣的凈化改為PSA提純技術后，由于PSA的尾氣要作為轉化爐的燃料氣，而PSA的尾氣壓力很低，為0.03Mpag，要把如此低的壓力平均分配到側燒爐的諸多火嘴，保證火嘴的正常燃燒，在技術上存在一定難度；
(2). 傳統的側燒爐外型結構不科學，對流段向上延伸，造成爐體高聳，維修不便，由于對流段較高導致汽包位置過高；
(3). 由于爐管空速較低，為減少轉化爐占地面積，爐管在爐膛中采取交叉型“之”字排列，引起爐管左右兩側受熱不均，*終導致爐管彎曲。Tops¢e公司則擁有自己的專利技術，率先解決了上述技術難題。
雖然這兩種爐型都有自己先進可靠的設計手段，但分別又有各自的設計特點，它們將影響裝置的建設投資、能耗、可操作性及占地等。下面以100000Nm3/h制氫裝置為例，著重對其主要方面如技術參數，工藝特點，投資，占地等方面進行探討。
1. 水碳比和爐出口溫度：
    輕烴水蒸汽轉化制氫裝置的氫氣成本構成中，原料和燃料費用約占氫氣成本的80％，動力消耗、催化劑及化學藥劑消耗、大修折舊以及人工費等只占20%左右。由此可見，欲降低氫氣成本必須抓住原料和燃料消耗這兩個大頭。
而影響原料和燃料耗量的因素主要是轉化爐出口殘余甲烷的含量和轉化反應所需的水碳比數量。水碳比是用來表示制氫轉化爐操作條件的一個術語，是指轉化進料中水蒸汽的摩爾數和碳原子摩爾數的比值，可縮寫為S/C。它是轉化反應*為重要的指標，S/C過低的害處是轉化爐管容易結焦，增加爐管壓降，降低催化劑活性，甚至引起爐管損壞或者爆管；同時轉化效果不好，轉化爐出口殘余甲烷含量增加，導致原料消耗增加；而S/C過高，不但燃料耗量增加，同時流過裝置的質量流量增加，增加了各種設備的尺寸，比如下游設備由于蒸汽冷凝所需的換熱面積增加而導致設備投資增加，因此在確保裝置安全和滿足工藝要求的前提下，S/C的數值越低越好。
現代制氫裝置設計的發展趨勢是盡可能降低S/C數值以*大程度地降低操作費用和投資成本。因此需從經濟和安全兩方面確定裝置的S/C數值，目前國內技術S/C一般在4.0左右，國外頂燒爐在3.0左右，國外側燒爐在原料為液體時S/C為2.5，原料為氣體時為2.0。
側燒爐技術之所以能把S/C降到如此低的數值，主要原因是與其爐型的結構特點有關。因為側燒爐的火嘴分上下幾排加熱爐管，爐管受熱均勻，由于烴類的轉化反應是強吸熱反應，所以可以通過提高爐出口溫度來降低殘余甲烷含量；而頂燒爐由于存在距入口3米點處高的爐管熱強度的限制（參見圖2-1），使得其出口溫度不敢提高，因此為了降低轉化爐出口殘余甲烷含量，只有提高S/C的數值。
使用側燒式轉化爐，工藝上可以采用較低的S/C，這是側燒爐的優勢之一。低S/C帶來的好處是明顯的。例如從裝置的瓦斯耗量分析，對于年產氫氣100000Nm3/h裝置，當加工煉廠尾氣時，Tops¢e的瓦斯耗量是1.971t/hr，Linde是6.876t/hr，KTI是4.010t/hr。因此僅按照一套制氫裝置加工煉廠氣時，年開工8,400小時，每噸瓦斯1150元計算，Tops¢e比Linde每年可節省人民幣（6.876－1.971）*8400*1150＝4,700萬元，比KTI每年可節省人民幣（4.010－1.971）*8400*1150＝2,000萬元。
2. 工藝特點：

2.1 傳熱方式
頂燒爐的燃燒器安裝在輻射室頂部，火焰從上往下燃燒，煙氣流動方向與爐管內介質流動方向相同，傳熱方式為并流傳熱；側燒爐燃燒器安裝在輻射室側墻，火焰通過爐墻對爐管加熱，煙氣流動方向與管內介質流動方向相反，傳熱方式類似逆流傳熱。從傳熱機理來講，在進出口溫度相同的情況下，逆流傳熱比并流傳熱的傳熱推動力要高一些。
2.2 管壁的溫度和熱強度分布
由于不同的傳熱方式，頂燒爐和側燒爐具有不同的爐管表面熱強度和管壁溫度分布。參見圖2-1。
頂燒爐火焰集中在爐膛頂部，所以該處輻射傳熱能力非常強，具有非常高的局部熱強度，同時該處的管壁溫度也*高。*高管壁溫度和*大熱強度同時在轉化管頂部約3米處出現峰值，這是頂燒式轉化爐的特點。該特點造成轉化爐管要有較高的設計壁溫。
據2000年《Hydrocarbon Processing》報導，對于常規穩妥設計的制氫裝置，爐管的平均熱強度經常在20,000~23,000 Btu/hr.ft2之間變化（55,000~63,000kcal/h.m2）；同樣，*大熱強度通常在35,000~40,000 Btu/hr.ft2之間變化（95,000~108,000kcal/h.m2）。熱強度如果超出這些范圍就說明轉化爐已被推向超出設計界限，并能減少爐管和催化劑的使用壽命。目前國外頂燒爐的平均熱強度為65,000 kcal/h.m2，*高熱強度達120,000kcal/h.m2，爐管外壁溫度在火焰前端高達950℃。
對于側燒式轉化爐，由于燃燒器均勻分布在沿管長方向的不同標高，輻射傳熱比較均勻，爐管熱強度分布曲線平緩，從而可以降低設計壁溫，減少轉化管壁厚，節約高合金爐管，或者允許有較高的轉化氣出口溫度，以降低殘余甲烷含量，提高氫氣產率。在管壁設計溫度相同時，側燒爐可以允許較大的總平均爐管表面熱強度，這樣傳熱面積會相應減少，轉化爐管數量有所下降。目前國外側燒爐的平均熱強度為75,000 kcal/h.m2，爐管外壁溫度在爐出口附近為910℃。
圖2-1：



2.3  轉化反應熱量的要求
轉化反應為吸熱反應，維持反應所需的熱量是通過輻射，由煙氣傳給反應物。在爐管的進口處，反應物有著較低的平衡溫度，而且烴類原料的分壓較高，轉化反應只受到催化劑活性和熱傳遞速率的限制。在爐管出口處，由于轉化已經基本完成，原料的分壓較低，吸熱量較小。
頂燒爐由于上部火焰溫度高，爐管上部的傳熱速率快，因而恰好可以滿足轉化反應上部新鮮原料反應速度快，吸熱量大的要求。側燒爐有六排燒咀，通過每排燒咀的設計能量不同進行調節，靠進爐管的進口前五排燒咀能量比*下面燒咀的能量大100%，這樣具有更靈活有效的調節手段，使全爐溫度分布趨于更合理。
2.4 煙氣流動影響
2.4.1  頂燒爐燃燒器的能量分配、燃燒器之間位置、以及燃燒器與爐墻的距離都嚴重影響煙氣的流動，設計不慎引起煙氣返混，影響傳熱效果。這一點在茂名的制氫轉化爐內得到證實（向爐膛內噴干粉能觀察到返混現象）。因此，頂燒爐燃燒器設計更為關鍵，流體動力學的設計難度大。
2.4.2  頂燒爐的煙氣從底部煙道格柵進入煙道，在底部由于轉化幾乎完成，爐管溫度較高，煙氣進入煙道時高速流動引起的爐管沖刷（頂燒爐為不均勻沖刷），比側燒爐嚴重的多。因為側燒爐的煙氣從頂部進入煙道，在頂部原料分壓高，完成轉化需大量吸熱，而爐管管壁溫度卻較低（管壁溫度約700℃）。
2.4.3  據國外文獻記載，從頂燒爐底部煙道格柵的孔隙中穿出的輻射熱也會造成爐管局部的溫度升高，影響爐管壽命，甚至有燒穿爐管的報導。
2.4.4  另外，當煙氣引風機故障停機時，爐膛內的火焰方向就會改變為向上燃燒，處理不及時會燒壞爐頂設備。
3. 操作情況

3.1  燃燒器周圍環境溫度
頂燒爐的燃燒器都集中在爐頂，空氣預熱溫度高達500℃以上，空氣分配管也集中在爐子頂部，爐頂的溫度就非常高，尤其在夏季，溫度達60℃，操作過程中調節燃燒器條件惡劣。現在的轉化爐設計是通過計算流體動力學，結合流體流量分析去確定操作中爐頂內部的空氣流動模型和空氣溫度。
而側燒爐的燃燒器均布置在側墻，操作過程中調節燃燒器條件比較好。
3.2  開工時燃燒器調節時間
側燒爐*明顯的劣勢就是燃燒器數量多，所以在開工過程中，點火時花費的時間和調整時間比頂燒爐要長。
3.3  燃燒器的維修工作量
    同樣的，側燒爐由于燃燒器數量多，如果燃燒器的質量不好，或者管網瓦斯的質量不好，都會增加維修燃燒器的工作量。
3.4  日常循檢
由于頂燒爐在距離頂部3米點處的局部爐管熱強度特別高，所以要求在日常生產中要特別注意加強循檢，注意觀察火焰是否燒偏導致火舌舔著爐管，或者在裝置切換原料時或改變負荷時，也要密切觀察火焰的燃燒情況；還要觀察該區域催化劑是否產生積炭現象，爐管是否存在花斑、熱管現象。
側燒爐由于是靠爐墻的輻射熱加熱爐管，所以爐管受熱均勻，爐管的故障幾率大大較低。國外側燒爐設計一般在爐膛內不安裝溫度計，在日常循檢中，要求操作人員利用遠紅外測溫槍，定期定量測量爐管外壁溫度，要求溫差在20℃以內。
3.5  工作空間
由于頂燒爐的進料管、燃燒空氣配管、瓦斯配管均集中在爐頂，所以爐頂的空間狹小，日常維護和裝卸催化劑不方便；側燒爐頂部沒有火嘴，比較寬敞，裝卸催化劑容易。
3.6  催化劑的還原
    轉化催化劑的活性組分是還原態的單質鎳，在生產中應嚴格防止其被高溫蒸汽氧化為氧化鎳。不論是頂燒爐還是側燒爐，在裝置停工時都要求轉化催化劑要在還原氣氛下停車，即要求在停車的同時通入一定量的氫氣。這樣做的好處是保證轉化催化劑始終處于還原狀態，下次開工時不需單獨對催化劑進行還原（需10～12小時），直接使用即可，節省了開工時間，節省了裝置能耗，又避免了轉化催化劑反復被氧化和被還原，延長催化劑的使用壽命。
Tops¢e要求其預轉化催化劑在裝置停工時必須通入氫氣。因為一旦其被蒸汽氧化，下次開工時很難還原完全，即催化劑的活性將有所下降。而頂燒爐催化劑如果在停工時沒有及時通入氫氣，下次開工時也可重新對催化劑進行還原。
3.7  爐管溫度的調節
    雖然頂燒爐的燃料放熱分布與反應吸熱分布較協調，但爐管縱向溫度不能調節，在操作末期或催化劑積碳情況下，由于上部反應較少，管內介質溫度升高很快，造成轉化爐管的管壁溫度升高，對爐管壽命有影響，設計管壁溫度也需要取較大的裕量；同時由于積碳導致催化劑活性下降，又不敢提高爐溫，所以會轉化爐出口殘余甲烷含量上升，裝置能耗增加。
    為防止頂燒爐的入口溫度達不到設計溫度，國內通常是在煙氣進對流段的入口處增加幾個隧道火嘴，以增加換熱溫度。但實際操作中一般不點，因為如果點燃隧道火嘴，火焰會隨煙氣方向飄動，容易燒壞對流段換熱盤管。如果轉化爐的出入口溫度提不起來，一般采用增加燃燒空氣量或多燒管網瓦斯的方法解決，無疑增加了裝置能耗。
側燒爐由于其燒嘴位于爐墻兩側，由下到上分布6排，可以根據需要靈活調節沿爐管長度方向受熱的負荷，對不同工況的適應情況較好。
4．爐管使用壽命

由于在頂燒式轉化爐中，火焰從上部向下直接加熱爐管，因此從爐管頂部到出口之間的爐管表面熱強度是不均勻的，爐管的管壁溫度也是不均勻的。爐管的管壁溫度和熱強度在距離頂部三分之一爐管處出現峰值，這是頂燒式轉化爐的特點，這一特點限制了的爐管的整體材質使用；同時，由于頂燒爐管長期受到高溫煙氣的不均勻沖刷，也會降低其使用壽命。由于側燒式轉化爐爐管受熱均勻，側燒爐比頂燒爐壁平均熱強度高，因此爐管壽命更長。在相同材質情況下，側燒爐允許有較高的爐出口溫度。實際工業應用裝置，側燒爐出口常常溫度超過900℃，在制甲醇工藝中，轉化出口甚至高達965℃。
5. 占地面積

從占地面積上看，由于頂燒爐的輻射室呈正方形，因此節省占地面積，同時其燒嘴數量相對較少，適于大型化。但頂燒爐由于煙氣是從爐膛下部流出，因此其對流段大多采取平臥地面式布置，所以其對流段的占地較大。對于100000Nm3/h制氫裝置，根據對流段布置的差異，如Linde公司對流段設計為7段，Krupp Uhde公司對流段設計為9段。根據不同的工藝設計要求，頂燒爐系統的總長度一般在85米左右。參見圖5-1：

由側燒爐的特點決定了其輻射室為長方形結構，因此占地面積較大，但由于煙氣是從爐膛頂部流出，所以其對流段有4段位于空中，只有2段位于地面，因此其對流段占地面積較少。對于100000Nm3/h制氫裝置，根據不同的工藝設計要求，側燒爐系統的總長度一般在90米左右。參見圖 5-2：

6.  建設投資

6.1  燃燒器數量
100000Nm3/h制氫裝置，頂燒爐的燃燒器數量為84個，側燒爐燃燒器數量為360個。雖然單個燃燒器頂燒爐比側燒爐結構復雜些，造價高一些，但總的數量比側燒爐少許多，因此這部分總體的投資較少。側燒爐燃燒器投資比頂燒爐多20％。
6.2  爐管數量
轉化爐管是轉化爐中*貴的部件。不管采用何種爐型，由于爐管材料的改進，轉化爐熱強度得到普遍提高，碳空速也有了很大的提高，頂燒爐為1200 h-1，側燒爐為1400h-1。碳空速的提高，減少了轉化爐管的根數，Topsøe的側燒轉化爐僅有250根爐管，KTI和Linde的爐管數量分別為276根、282根。轉化爐管的減少，直接減少了轉化爐的外觀尺寸，降低了工程投資。
6.3  催化劑裝填數量
由于側燒爐比頂燒爐的碳空速高，因此減少了轉化爐管的根數，也減少了轉化催化劑的裝填量，頂燒爐的催化劑裝量為37.6m3，側燒爐為30.6m3。
6.4  配管
頂燒爐的燃燒器數量較少，密集排列在爐頂，燃料配管及空氣配管相應簡化。側燒爐燃燒器數量較多，分布在輻射室側墻，因此其燃料配管及空氣配管較多，投資比頂燒爐增加很多。
6.5  熱部件
6.5.1 上部集合管系統
頂燒爐的所有爐管分幾排布置在一個爐膛內，排列緊湊，爐膛大致呈正方形。高溫原料氣先進入一根橫向總入口集合管，由此引出4～5根豎向集合管，分別與4～5根橫向集合管相連，這樣的集合管引出許多上尾管，每根上尾管連接一根爐管。因此其上部集合管系統排列復雜，投資較高。
側燒爐由兩個輻射室并列組成，每個輻射室內排列一排爐管，而且爐管數量較少，因此上部集合管系統排列簡單，投資較低。
6.5.2 下部集合管系統
Linde公司和KTI公司設計的頂燒爐，下部集合管系統布置與上部集合管系統類似，爐管的出口連接下尾管，轉化氣通過一排下尾管匯集于一根熱壁集合管，4～5根熱壁集合管*后匯于一根冷壁集合管。這部分過渡的熱壁管由于溫度高、壓力高、臨氫，使用的材料是和轉化爐爐管同等的高合金材料，因而投資將有所增加。
Topsoe公司設計的下集合管系統是采用全冷壁管，即取消了下尾管和熱壁集合管。轉化氣自爐管出來后通過接頭直接連在冷壁管上，簡化了轉化爐結構，減少了故障幾率，將低了建設投資。
熱部件的投資頂燒爐比側燒爐多30％。
6.6  輻射室鋼結構
頂燒爐輻射室的長度14米，寬度14米，總高度32米（因其上下集合管系統結構復雜，所以高度增加）；側燒爐單個輻射室的長度34米，寬度3米，總高度22米。因此側燒爐在鋼結構方面的投資比頂燒爐多約60％。
6.7  耐火材料
側燒爐在耐火襯里方面的投資比頂燒爐多約60％。
6.8  恒力彈簧吊架
側燒爐的爐管數量少于頂燒爐，因此在彈簧吊架方面的投資少于頂燒爐。

結束語：
頂燒式和側燒式這兩種轉化爐型在大型化制氫工業中都有非常成功的應用經驗，它們都有自己先進可靠的設計手段，不管采用哪種爐型，都能保證裝置長周期正常運行。只不過側燒爐型在中型制氫裝置中其優勢將更為突出，而頂燒爐則更適宜于裝置大型化，因為隨著裝置規模的增加，側燒爐輻射室占地面積呈線性增長；同時，轉化爐本身的投資也將超過頂燒爐。因此，如果選擇制氫專利商的話，不能僅看轉化爐的爐型，還需比較其它工藝設計、裝置能耗、可操作性、設備投資、占地面積、技術指標、相關業績等等。

結論：
（1）    由于使用側燒爐在工藝上允許使用較低的水碳比，所以可以極大節省轉化爐瓦斯耗量，對降低裝置能耗很有好處。
（2）    可操作性方面總體上是側燒爐好于頂燒爐，例如爐溫可調、故障幾率小等，但是側燒爐由于火嘴多，在開工點火和溫度調節方面花費時間較長。
（3）    側燒爐輻射室占地面積大于頂燒爐，對流段占地面積小于頂燒爐。一般的，如果裝置規模大于80000Nm3/h，總占地面積是側燒爐多于頂燒爐。
（4）    頂燒爐在爐管、催化劑和其它熱部件的投資較高，而側燒爐在鋼結構、耐火襯里、瓦斯和燃燒空氣管線方面的投資較高，因此兩種爐型在轉化爐本身方面的投資基本持平。但是使用側燒爐時裝置的總體投資將下降。
（5）    由于頂燒爐存在局部高的爐管表面熱強度和受煙氣沖刷的影響，所以側燒爐的爐管壽命要高于頂燒爐。
（6）    側燒爐型在中型制氫裝置中其優勢將更為突出，而頂燒爐則更適宜于大型化裝置。

萬制氫轉化爐一般采用頂燒式，采用側燒占地面前太大，曾在一套老制氫裝置待過，2萬的處理量，側燒的，占地面前大，81個火嘴，維護時工作量也大。頂燒*大優點就可以實現大型化加工。從設備方面考慮，轉化爐風機一般帶聯鎖的，一開一備，但備機一般不設自啟，因為風機開機前也有很多準備工作要做的。這是從保護設備方面來考慮，但很多時候，也把風機的聯鎖切除或旁路，因為轉化爐每次停爐再點爐挺麻煩的，而風機故障停機后，可以一方面降低轉化爐燃料等處理方法，另一方面安排人員迅速到現場將備機開起來。