硫磺回收裝置烘爐過程中設(shè)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(fā)，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(chǎn)規(guī)模為2×120 kt/a。根據(jù)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(guī)Claus+加氫還原吸收工藝技術(shù)，生產(chǎn)液體硫磺和固體硫磺產(chǎn)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(tǒng)、裝置液硫的存貯系統(tǒng)、成型系統(tǒng)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(shù)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(guī)Claus)回收酸性氣中93%～95%的元素硫。H2S與O2之間的反應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)化器、二級轉(zhuǎn)化器和尾氣加氫反應(yīng)器等。這些設(shè)備操作溫度都比較高，烘爐操作作為施工建設(shè)的一部分，其中關(guān)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(fā)現(xiàn)及時、處理得當(dāng),避免了設(shè)備和基礎(chǔ)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(nèi)耐火襯里和耐火材料中的自然水和結(jié)晶水，使耐火材料緩慢燒結(jié)，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(tǒng)儀表的使用性能；第三，考察施工質(zhì)量，瓦斯系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)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(fēng)機強制通風(fēng)降溫結(jié)束，歷時17天，順利完成烘爐任務(wù)。

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(zhuǎn)化器→二級冷凝冷卻器→二級蒸汽加熱器→二級轉(zhuǎn)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(yīng)器→蒸汽發(fā)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(shè)備及其規(guī)格見表1所示。

烘爐之前，對管線的熱膨脹，彈簧支吊架、設(shè)備的熱位移，設(shè)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(fā)現(xiàn)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(shè)備及其規(guī)格

表2 異常熱膨脹問題統(tǒng)計

2 異常熱膨脹原因分析

產(chǎn)生異常熱膨脹設(shè)備主要集中在兩部分，一部分表現(xiàn)在反應(yīng)器相關(guān)設(shè)備上，另一部分表現(xiàn)在尾氣焚燒爐相關(guān)設(shè)備、管線上。

2.1 熱膨脹與熱應(yīng)力

一般來說，碳鋼設(shè)備在升溫過程中，或多或少都會出現(xiàn)熱膨脹。設(shè)備在升溫過程中，設(shè)備殼體溫度隨著介質(zhì)溫度升高而升高。物體都有受熱膨脹的特性，設(shè)備殼體(本次烘爐中的設(shè)備以碳鋼和合金鋼為主)在升溫過程中出現(xiàn)膨脹，而設(shè)備基礎(chǔ)固定在地面，不受介質(zhì)溫度變化的影響，因此設(shè)備殼體在升溫過程中會出現(xiàn)膨脹，而基礎(chǔ)不會隨介質(zhì)溫度變化。具體表現(xiàn)為：在升溫過程中，設(shè)備會變長；在降溫過程中，設(shè)備會變短，而升溫和降溫過程中基礎(chǔ)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(shù)，△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(nèi)引起的應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力。

熱膨脹受限情況下熱應(yīng)力計算可用式(2)表示：

σt=-αE△t

(2)

其中，σt為熱應(yīng)力，E為材料彈性模量，α為材料的線膨脹系數(shù)，△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(zhì)一定的情況下，金屬的熱膨脹量與溫差和設(shè)備幾何尺寸有關(guān)，金屬承受的溫差越大，尺寸越大，產(chǎn)生的膨脹就會越大；膨脹受限時，熱應(yīng)力和溫差成正比。設(shè)計者在設(shè)計時都會考慮熱膨脹影響，并且采取相應(yīng)的措施來避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，比如，設(shè)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(shè)置膨脹節(jié)等。

2.2 反應(yīng)器異常熱膨脹原因分析及處理

反應(yīng)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(chǔ)灌漿層水泥部分脫落。

反應(yīng)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(yù)留的熱膨脹空間達不到設(shè)計要求。反應(yīng)器在升溫過程中，隨著反應(yīng)器外壁(反應(yīng)器外壁殼體材質(zhì)為Q245R)溫度的逐漸上升，反應(yīng)器殼體逐漸變長，滑動端螺栓預(yù)留空間完全被占用。隨著升溫的繼續(xù)，熱膨脹還在進一步加大，熱膨脹受限，熱應(yīng)力作用在基礎(chǔ)上，由于二次灌漿層與原基礎(chǔ)的結(jié)合不如一次灌漿牢固，所以表現(xiàn)為二次灌漿層首先脫落。升溫過程中發(fā)現(xiàn)有脫落的灌漿層，應(yīng)及時聯(lián)系施工單位，將反應(yīng)器滑動端螺栓孔加大，釋放溫差應(yīng)力，并增加一部分預(yù)留空間，為后續(xù)繼續(xù)升溫做準備。

2.3 尾氣焚燒爐相關(guān)設(shè)備管線異常熱膨脹原因分析及處理

尾氣焚燒爐相關(guān)設(shè)備管線異常熱膨脹表現(xiàn)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(nèi)部襯里在檢查時發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

設(shè)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(shè)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(shè)計，波紋管處內(nèi)襯筒比后襯里擋板長10 mm(冷態(tài)下，結(jié)構(gòu)簡圖見圖2)，而實際安裝過程中，部分后襯里擋板卡在內(nèi)襯筒的外側(cè)(見圖3)。在波紋管吸收熱膨脹時，后襯里擋板卡位于內(nèi)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(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力作用在后襯里擋板上，造成后襯里擋板變形；作用在設(shè)備基礎(chǔ)上，導(dǎo)致二次灌漿層首先脫落。

圖2 波紋管結(jié)構(gòu)

圖3 波紋管襯里擋板卡位

升溫過程中發(fā)現(xiàn)焚燒爐固定端二次灌漿層有脫落，應(yīng)及時將焚燒爐的固定端改為滑動端，釋放其中的熱應(yīng)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(shè)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(shè)計移動量大)，管線熱移動受限，出現(xiàn)管線變形、管托懸空。烘爐結(jié)束進入設(shè)備內(nèi)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(shè)計者已經(jīng)充分考慮。因此安裝施工過程的精度和質(zhì)量是防護的重要一環(huán)。烘爐前應(yīng)對設(shè)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(jié)、管托等，設(shè)備支撐、波紋管等。這些重點部位應(yīng)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(shù)人員不間斷巡回檢查，確保維保人員隨時處于待命狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時處理。烘爐結(jié)束，對E111/E211內(nèi)部進行檢查，發(fā)現(xiàn)后襯里擋板變形，打磨去除卡位的擋板，消除隱患。

3 結(jié)語

硫磺回收裝置異常熱膨脹原因有：施工期間設(shè)備基礎(chǔ)施工質(zhì)量較差，安裝精度不足，螺栓的安裝尺寸和設(shè)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(fā)現(xiàn)異常熱膨脹，并認真分析原因，及時處理，避免了設(shè)備、基礎(chǔ)、管道等的損壞。