硫磺回收装置工业炉设计回顾

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1、7 0 2 0 0 6 年全国硫酸工业技术交流会论文集 硫磺回收装置工业炉设计回顾 夏毓芳 ( 中国石化集团南京设计院) 近年来，随着我国经济持续稳定的高速发展， 石油进F I 量逐年增长，高含硫原油比例越来越高。 大量H ：s 如不加以回收利用，对环境污染很大。 硫磺回收装置的任务就是将污水汽提和溶剂再生 的富含H ：s 气体转化为硫磺，以解决有毒气体 H ：s 对大气的污染问题。 在硫磺回收装置中，工业炉设备的设计条件 较为苛刻，需要考虑高温、压力、腐蚀和爆炸等因 素。因此，设计中需对每个环节进行深入研究，才 能保证安全可靠。 本文以某7 0k t a 硫磺回收装置为例，仅对主 燃烧炉和尾

2、气焚烧炉的设计作一回顾，着重介绍 设备结构设计特点和材质选择。 1 主要结构， 主燃烧炉( 图1 ) 和尾气焚烧炉( 图2 ) 均为该 7 0k t a 硫磺回收装置中的关键设备。在项目的 基础设计阶段，根据炉膛结构特点、炉膛温度以及 耐腐蚀性的要求，主燃烧炉采用衬砖结构，尾气 图1 主燃烧炉 1 壳体；2 内衬；3 雨罩；4 花墙 焚烧炉采用整体浇注结构。 一十印二卜r 1Y 一仨 一+ 卜一。；一+ 一一 峰严鬻l = 丽t 、 I t 、 、 “H 0 、 獠 一、曳 题 一一暂 = 搿 心 、 斗 图2 尾气焚烧炉 1 级问空气入口；2 第二级空气入口；3 废气入口； 4 壳体；5 内

3、衬；6 雨罩 由于用户原有2 0k t a 硫磺回收装置的工业 炉内衬曾经使用过浇注料，出现炉衬开裂和大面 积脱落的情况，因此用户强烈要求两台炉子的炉 衬全部采用衬砖结构。 为此，我们对国内硫磺回收装置中工业炉的 炉衬使用情况进行广泛的调查和研究，其中运行 情况较差的不到半年，炉衬就出现了塌落情况，而 运行较好的使用五六年，甚至八九年，炉衬仍然完 好，无H ：s 侵蚀现象。调研结果表明，炉衬材料 无论是采用定形还是不定形耐火材料，均有成功 和失败的先例。导致炉衬失效有诸多影响因素， 如炉衬结构设计、选材是否满足工况要求，炉衬材 料采购是否满足设计要求。炉衬施工是否满足规 范要求，炉衬养护及烘炉

4、方案是否正确，工艺操作 是否正常等等。要想达到理想的使用效果。从选 材、设计、采购、施工和操作，任何一个环节都应足 够地重视，否则都将影响设备的长周期稳定运行。 根据调研结果，并考虑到用户的意见，在施工 图设计阶段，我们决定两台工业炉的内衬全部按 衬砖结构设计。 2 设计条件 设备主要设计参数见表1 。 夏毓芳硫磺回收装置工业炉设计回顾 7 1 2 1 主燃烧炉 主燃烧炉的作用是将富含H ：S 的酸性气与 一定比例的空气在炉内? 昆合燃烧反应，约7 0 的 H ：S 转变成S ；，而剩余的H ：S 中的三分之一与空 气反应变成S O ：，气体中的杂质和有害物质都在 此燃烧掉。其后在克劳斯反应器

5、中催化剂的作用 下，使S O ：和未反应的H ：S 发生转化反应，生成 单质硫。 2 2 尾气焚烧炉 含硫尾气经过加氢吸收尚有一定量的H ：S 等有害物质，其含量远远超过国家排放标准要 求。所以，在尾气焚烧炉中配以燃料气和空气， 并使空气过量，在高温情况下，使H ：S 转化成毒 性较小的S O ：气体，同时尾气中还有C O ：、水蒸 气、N ：和0 ：等，再通过热量回收，送至高烟囱排 放到大气。 3 炉壳温度的确定 燃烧后的高温含硫过程气中含有H ：S 、S O ：、 S 小C S 2 、C O S 、C O ：、水蒸气和氮气等，这些介质常 以复合形式对设备和管道所使用的材料产生腐 蚀。当金属

6、设备处于3 1 0 以上高温时，碳钢就 会发生高温硫化腐蚀。另外，热应力作用下产生 的疲劳和冲击，以及长期高温引起的材料显微组 织的变化，都会引起材料的蠕变破坏等。以上因 素的联合作用往往使腐蚀变得严重和复杂。 主燃烧炉和尾气焚烧炉燃烧温度在l0 0 0 以上，为防止高温硫化腐蚀，均设置了耐火隔热内 衬。当设备衬里完好的情况下，介质对钢壳是没 有腐蚀的。但当衬里出现裂纹、剥落情况时，介质 窜入衬里内层并与设备壳体接触时会产生局部 腐蚀。 在主燃烧炉的正常操作中，一般均严格控制 氧气量，所以无过剩氧，不会生成s O ，。但是，如 果装置操作有波动，则容易导致氧气过剩，生成 S O ，。在尾气焚烧

7、炉中，由于有过量空气存在，部 分S O ：会和氧气反应生成s O ，。如果炉壳温度低 予露点温度，就会产生冷凝酸，导致设备壳体腐蚀 穿孔。因此，炉壳壁温在任何环境条件下均应高 于露点温度，才能保证硫磺回收装置的使用寿命。 为确保一定的裕量，炉壳最低壁温一般应控制在 1 5 0 以上。同时，要考虑到高温硫化腐蚀及炉 壳材质的强度，炉壳最高壁温一般要控制在2 5 0 以下。 设计中发现，因地区气候的不同，虽然在夏季 无风的最高气温下满足小于2 5 0 的壁温要求， 但是在冬季有风的最低气温下未必能达到大于 1 5 0 的壁温要求。因此，炉壳外防护雨罩的设 置可有效地减小风速和气温对炉壁温度的影响。

8、 此外，雨罩的设置还可防止下雨时炉壳急冷而造 成的炉壁热损失，保证装置的稳定运行。 4 耐火衬里的设计 4 1 工作条件 a 炉膛温度高，正常操作时温度在10 0 0 14 0 0 t 2 。但在风量控制不当或气量不稳定时，温 度会高达16 0 0 一l7 0 0 ； b 介质中存在多种腐蚀性气体； e 燃烧温度会产生波动，每次波动即是对内 衬材料的一次热冲击； d 炉壳温度严格控制在1 5 0 2 5 0 ； e 炉体直径较大，高温强度要求严格。 4 2 耐火衬里材料的要求 鉴于炉子苛刻的工作条件，耐火材料必须具 备以下特性： ， 7 2 2 0 0 6 年全国硫酸工业技术交流会论文集 a

9、具有优异的耐高温性能，即较高的耐火度 和荷重软化温度； b 具有相当好的抗高温酸性气体侵蚀的 能力； c 热震稳定性好，可适应气量不稳定、频繁 开停炉的工况，防止温度急变在材料内部产生热 应力而导致衬里剥落和开裂； d 具有长期稳定的导热系数，保证炉壳温度 在规定的范围内； e 具有较高的高温强度，良好的体积稳定性 和较好的抗蠕变性，重烧线变化率小。 4 3 耐火衬里材料的选择 两台炉子工作温度较高，其中焚烧炉前段和 后段温差较大，需根据不同部位的工作条件，采用 不同等级的耐火材料。各种耐火材料的性能指标 见表2 。 表2 各种耐火材料的性能 a 主燃烧炉最高工作温度为14 0 0 。炉膛 主

10、体耐火材料采用三层结构，迎火面工作层采用 刚玉砖，厚度为1 1 4m m ；中间层采用莫来石质隔 热砖，厚度为11 4m m ；最外层采用高铝质隔热砖， 厚度为6 5m m 。前后锥体部位采用内砌外浇结 构，内层迎火面采用铬刚玉砖，外层采用刚玉浇注 料。另外，炉内花墙采用圆柱空心刚玉砖，厚度为 3 5 0m m 。 经传热计算，采用该种耐火衬里结构后的钢 壳温度为1 6 6 。 b 尾气焚烧炉前段炉膛最高工作温度l7 0 0 ，炉膛主体耐火材料采用三层结构，迎火面工作 层采用刚玉砖，厚度为1 1 4m m ；中间层采用莫来 石质隔热砖，厚度为1 1 4m m ；最外层采用高铝质 隔热砖，厚度为

11、1 1 4m m 。前段锥体部位采用内砌 外浇结构，内层迎火面采用铬刚玉砖，厚度为1 1 4 n l l ；外层采用刚玉浇注料，厚度为1 5 5m m 。后段 炉膛最高工作温度7 2 5 ，炉膛主体采用黏土质 耐火砖，厚度为1 5 0m m 。 经传热计算，采用这些结构的耐火衬里后，前 段钢壳温度为1 6 8 ，后段钢壳温度为2 0 0 。 4 3 1 刚玉砖 刚玉砖是以刚玉为主晶相的铝硅系耐火制 品，在石化行业已广泛应用于高温、高压、化学腐 蚀和机械磨损等工作环境，具有纯度高、强度大、 耐高温、抗侵蚀、抗热震的性能( 见表2 ) 。两台炉 子高温段迎火面均采用刚玉砖。 4 3 2 铬刚玉砖

12、铬刚玉砖是以氧化铝一氧化铬为主要原料， 经过高温熔化合成的一种固溶体。与刚玉砖相 比，在耐火度、荷重软化温度、热震稳定性、抗侵蚀 能力、高温蠕变和抗折强度等方面，具有更优良的 性能。使用中耐冲刷、耐磨损、抗侵蚀、抗结构剥 落，已取得良好的使用效果。两台炉子高温锥段 迎火面均采用铬刚玉砖，其主要理化性能指标见 表2 。 夏毓芳硫磺回收装置工业炉设计回顾 7 3 4 4 耐火衬里膨胀缝设计 工业炉砌筑所用耐火材料和其它材料一样， 受热后体积会膨胀，产生内应力。若炉子衬里没 有留设膨胀缝，由于应力关系就会使炉壳变形，或 使衬里挤碎、拱起，严重的甚至脱落塌陷。膨胀缝 的作用就是消除衬里受热膨胀所产生的

13、内应力。 膨胀缝的大小主要取决于耐火材料的性质和 工作温度。刚玉砖砌体每米长膨胀缝间隙为9 1 0m m 。留设膨胀缝的原则是既不减弱砌体的强 度，又不应成为炉气流通的缝隙。其位置应避开 受力和开孔部位。膨胀缝结构见图3 。 滑动缝，铺设汕 纸，小抹耐火泥 j 刚求砖 莫来l i 质 隔热m e 图3刚玉砖层膨胀缝示意：， 4 5 特殊结构的处理 尾气焚烧炉前段结构复杂，大小开孔达3 0 多 个，其中两圈每圈l o 个开孔与炉体中心线呈4 5 0 夹角，且在圆周方向非均匀分布。该部位有三个 备选方案： a ) 根据开孔角度和分布情况，设计异形砖， 与耐火材料供货商共同合作，根据供货商具备的 成

14、型和烧制能力，确定分块情况； b ) 开孔段简体内衬采用刚玉浇注料预制件； C ) 开孔段筒体内衬采用刚玉浇注料现场浇 注，设计特制的锚固砖帮助固定浇注料。 经论证后决定采用8 方案。如果设计结构不 合理，异形砖在制造过程中废品率较高，因此设计 时经反复酝酿，比较，根据开孔尺寸、角度，本着尽 量减少异形砖种类，简化异形砖型式和减轻异形 砖重量的宗旨，兼顾异形砖的成型、脱模和烧成条 件，确定了开孔部位异形砖的设计尺寸。在实际 砌筑过程中，发现其中有两块最大的斜开孔异形 砖烧成后变形量较大，不能满足设计要求。因施 工工期很紧，结果局部采用刚玉浇注料现场浇注。 5 耐火衬里的施工要点 耐火衬里施工的

15、技术要求在标准规范中都有 详细说明，在此仅叙述其施工要点。 a 所有焊接工作( 包括工艺、电气、仪表、土 建的平台支架等) 都必须在耐火衬里砌筑前完 成，衬里砌筑完毕后不得再施焊。 b 耐火材料应有质量证明书，有时效性的材 料应注意其有效期限。 c 耐火砖和保温砖禁用水浸，施工现场应有 防雨措施，以防衬里材料淋雨受潮。 d 砌体所有灰缝均应泥浆饱满。灰缝尺寸 按图纸要求，刚玉砖和铬刚玉砖的灰缝为lm m ， 莫来石隔热砖、高铝隔热砖及其之间的灰缝为3 l n l n ，刚玉砖和莫来石隔热砖之间的灰缝为1m m 。 内外层之间的灰缝必须错开，不允许出现贯通缝。 e 应按图纸要求留设膨胀缝，缝内禁

16、止填塞 泥浆，在填塞耐火纤维之前，应将碎屑及杂物清除 干净。注意图3 所示的耐火砖搭接部位禁止抹 泥浆。 砌筑前应先对复杂和重要部位进行预排， 以便及时发现问题加以解决。 g 砌筑时遇有接管和人孑L 时，应先砌筑该部 位的异形砖，再砌筒体砖。 h 砌筑完毕后炉墙表面应平整，凹凸度和椭 圆度均应满足设计要求。 6 设备运行情况 该装置自2 0 0 4 年1 2 月8 日开车至今，已运 行一年多时间，主燃烧炉和尾气焚烧炉操作运行 正常。正常运行期间，厂里定期对工业炉壳壁温 度进行检测，未发现局部过热现象，炉壳外壁温度 在1 5 0 1 9 0 之间。 本次设计对各个环节都进行过比较深入细致 的研究和考虑，设备能否长期稳定运行，还有待时 间的考验。 7结语 在广泛检索技术资料，收集相关设计规范的 同时，我们还和耐火材料研究单位和耐火材料生 7 4 2 0 0 6 年全国硫酸