硫磺回收裝置烘爐過程中設備的異常熱膨脹及防護

段新昌

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

隨著全球含硫原油和天然氣資源的大量開發，以Claus法從酸性氣中回收元素硫的工藝已成為天然氣(或煉廠氣)加工的一個重要組成部分[1]。某煉油廠硫磺回收裝置的生產規模為2×120 kt/a。根據全廠總加工流程安排，該裝置以來自溶劑再生裝置及酸性水汽提裝置的酸性氣為原料，采用常規Claus+加氫還原吸收工藝技術，生產液體硫磺和固體硫磺產品。裝置由兩列完全相同的單元組成，每個單元分別由各自的制硫和尾氣處理部分組成，單元的操作彈性為30%～110%。溶劑配置回收和存貯系統、裝置液硫的存貯系統、成型系統及公用工程部分(為兩個單元共用)。硫磺回收裝置主要由4部分組成，即制硫、尾氣處理、尾氣焚燒和液硫成型。對于煉廠型的硫磺回收裝置，由于酸性氣中H2S體積分數基本在50%以上，所以制硫部分普遍采用直流式改良Claus工藝(亦稱常規Claus)回收酸性氣中93%～95%的元素硫。H2S與O2之間的反應速率極快，通常在燃燒爐中即可完成[2]。剩余的元素硫則由尾氣處理部分回收，最后尾氣采用熱焚燒工藝焚燒后排入大氣。

裝置中有多個設備含有耐火襯里和耐火材料，主要有：制硫燃燒爐、尾氣焚燒爐、一級轉化器、二級轉化器和尾氣加氫反應器等。這些設備操作溫度都比較高，烘爐操作作為施工建設的一部分，其中關鍵步驟就是控制好熱膨脹。本次烘爐過程中有多處異常熱膨脹，由于發現及時、處理得當,避免了設備和基礎的損壞。

1 烘爐過程

硫磺回收裝置烘爐的目的有4個：第一，脫除爐體內耐火襯里和耐火材料中的自然水和結晶水，使耐火材料緩慢燒結，以防止爐膛劇烈升溫時因水分大量汽化膨脹造成襯里開裂、變形甚至倒塌；第二，考察加熱爐系統儀表的使用性能；第三，考察施工質量，瓦斯系統、供風系統的設計、使用情況；第四，通過烘爐，熟悉和掌握燃燒爐和焚燒爐的操作。

該硫磺回收裝置烘爐操作自尾氣焚燒爐點爐F-202開始，至制硫燃燒爐F-201降溫、改軸流風機強制通風降溫結束，歷時17天，順利完成烘爐任務。

烘爐流程：制硫燃燒爐→制硫余熱鍋爐→一級冷凝冷卻器→一級蒸汽加熱器→一級轉化器→二級冷凝冷卻器→二級蒸汽加熱器→二級轉化器→三級冷凝冷卻器→尾氣分液罐→尾氣一級加熱器→尾氣二級加熱器→加氫反應器→蒸汽發生器→尾氣急冷塔→尾氣焚燒爐→蒸汽過熱器→尾氣廢熱鍋爐→尾氣煙囪。

烘爐過程中溫差較大的設備及其規格見表1所示。

烘爐之前，對管線的熱膨脹，彈簧支吊架、設備的熱位移，設備襯里、法蘭的氣密性及螺栓的緊固性進行了集中檢查和整改，但在烘爐升溫過程中，還是發現了不少熱膨脹問題。烘爐期間異常熱膨脹問題見表2所示。

表1 烘爐過程中溫差較大的設備及其規格

表2 異常熱膨脹問題統計

2 異常熱膨脹原因分析

產生異常熱膨脹設備主要集中在兩部分，一部分表現在反應器相關設備上，另一部分表現在尾氣焚燒爐相關設備、管線上。

2.1 熱膨脹與熱應力

一般來說，碳鋼設備在升溫過程中，或多或少都會出現熱膨脹。設備在升溫過程中，設備殼體溫度隨著介質溫度升高而升高。物體都有受熱膨脹的特性，設備殼體(本次烘爐中的設備以碳鋼和合金鋼為主)在升溫過程中出現膨脹，而設備基礎固定在地面，不受介質溫度變化的影響，因此設備殼體在升溫過程中會出現膨脹，而基礎不會隨介質溫度變化。具體表現為：在升溫過程中，設備會變長；在降溫過程中，設備會變短，而升溫和降溫過程中基礎尺寸基本沒有變化。

熱脹冷縮變化量可用式(1)表示：

△L=α×△t×L

(1)

其中，△L是熱膨脹量，α為材料的線膨脹系數，△t是溫差，L是原長度。

因溫度變化引起的自由膨脹受到限制，在彈性體內引起的應力，稱為熱應力。

熱膨脹受限情況下熱應力計算可用式(2)表示：

σt=-αE△t

(2)

其中，σt為熱應力，E為材料彈性模量，α為材料的線膨脹系數，△t為膨脹受限下的溫度差[3]。

從式(1)和式(2)中可以看出：在材質一定的情況下，金屬的熱膨脹量與溫差和設備幾何尺寸有關，金屬承受的溫差越大，尺寸越大，產生的膨脹就會越大；膨脹受限時，熱應力和溫差成正比。設計者在設計時都會考慮熱膨脹影響，并且采取相應的措施來避免產生熱應力，比如，設備一端固定一端滑動(固定端起到定位作用，滑動端用來吸收熱膨脹)、管道設置膨脹節等。

2.2 反應器異常熱膨脹原因分析及處理

反應器R-101、R-102、R-202、R-103、R-201、R-203的熱膨脹問題相同，均為滑動端螺栓孔膨脹空間不足，基礎灌漿層水泥部分脫落。

反應器異常熱膨脹問題原因分析如下：安裝過程中安裝精度不足，預留的熱膨脹空間達不到設計要求。反應器在升溫過程中，隨著反應器外壁(反應器外壁殼體材質為Q245R)溫度的逐漸上升，反應器殼體逐漸變長，滑動端螺栓預留空間完全被占用。隨著升溫的繼續，熱膨脹還在進一步加大，熱膨脹受限，熱應力作用在基礎上，由于二次灌漿層與原基礎的結合不如一次灌漿牢固，所以表現為二次灌漿層首先脫落。升溫過程中發現有脫落的灌漿層，應及時聯系施工單位，將反應器滑動端螺栓孔加大，釋放溫差應力，并增加一部分預留空間，為后續繼續升溫做準備。

2.3 尾氣焚燒爐相關設備管線異常熱膨脹原因分析及處理

尾氣焚燒爐相關設備管線異常熱膨脹表現為：尾氣焚燒爐、蒸汽過熱段的熱移動方向為整體由尾氣廢熱鍋爐向爐頭方向移動；內部襯里在檢查時發現波紋管后襯里擋板變形，波紋管限位；蒸汽過熱器放空管管線變形，管托懸空。

尾氣焚燒爐從結構上可分為3部分，前面是焚燒爐，中間是蒸汽過熱器，后面是尾氣廢熱鍋爐，設備的3部分之間均為固定連接，尾氣廢熱鍋爐后煙道管線直接插入尾氣煙囪，結構簡圖如圖1所示。

圖1 尾氣焚燒爐、蒸汽過熱器、尾氣廢熱鍋爐及部分管線結構

設計熱膨脹方向是：尾氣焚燒爐的熱移動方向為由固定端向滑動端移動，蒸汽過熱器的熱膨脹由波紋管吸收，尾氣廢熱鍋爐和直管段向煙囪方向移動。但在波紋管的安裝過程中，存在安裝缺陷。升溫過程中兩列的熱移動方向均和原設計不符，尾氣焚燒爐、蒸汽過熱器一起向爐頭方向移動。

按照設計，波紋管處內襯筒比后襯里擋板長10 mm(冷態下，結構簡圖見圖2)，而實際安裝過程中，部分后襯里擋板卡在內襯筒的外側(見圖3)。在波紋管吸收熱膨脹時，后襯里擋板卡位于內襯筒，波紋管吸收膨脹量不足，尾氣焚燒爐固定端和尾氣廢熱鍋爐固定端的熱膨脹受到限制。在升溫過程中，尾氣焚燒爐固定端和尾氣廢熱鍋爐固定端之間產生熱應力。熱應力作用在后襯里擋板上，造成后襯里擋板變形；作用在設備基礎上，導致二次灌漿層首先脫落。

圖2 波紋管結構

圖3 波紋管襯里擋板卡位

升溫過程中發現焚燒爐固定端二次灌漿層有脫落，應及時將焚燒爐的固定端改為滑動端，釋放其中的熱應力。焚燒爐固定端改為滑動端后，蒸汽過熱器向焚燒爐方向移動(原設計向尾氣廢熱鍋爐方向移動)，蒸汽過熱器出口管道隨蒸汽過熱器一起移動(比原設計移動量大)，管線熱移動受限，出現管線變形、管托懸空。烘爐結束進入設備內部，打磨掉限位的后襯里擋板，防止下次升溫過程中再次卡位。

烘爐過程中，由于存在溫差，熱膨脹不可避免，這一點設計者已經充分考慮。因此安裝施工過程的精度和質量是防護的重要一環。烘爐前應對設備和管托等釋放熱膨脹的位置進行檢查，如管道的彈簧支吊架、膨脹節、管托等，設備支撐、波紋管等。這些重點部位應盡可能裸露在外邊，方便升溫過程中巡回檢查。烘爐升溫操作嚴格按照烘爐曲線進行，組織技術人員不間斷巡回檢查，確保維保人員隨時處于待命狀態，一旦發現異常，及時處理。烘爐結束，對E111/E211內部進行檢查，發現后襯里擋板變形，打磨去除卡位的擋板，消除隱患。

3 結語

硫磺回收裝置異常熱膨脹原因有：施工期間設備基礎施工質量較差，安裝精度不足，螺栓的安裝尺寸和設計誤差大，尾氣焚燒爐波紋管存在安裝缺陷。由于在烘爐過程中組織到位，及時發現異常熱膨脹，并認真分析原因，及時處理，避免了設備、基礎、管道等的損壞。