硫黃回收爐類設(shè)備耐火襯里失效原因淺析

唐 昕 彭 宛 周 蓉 繆 暉

0 前言

硫黃回收是天然氣處理工藝過程中將脫硫單元附屬生成的酸氣回收制成硫黃的單元。 天然氣經(jīng)脫硫單元出來的酸氣主要含有H2S、CO2、H2O 及少量烴類等， 為滿足環(huán)境保護要求，應(yīng)全部回收其中的H2S，并轉(zhuǎn)化為元素S8。

克勞斯硫黃回收法是目前廣泛使用的硫回收法，它是熱反應(yīng)和催化制硫的一種工藝方法。 再熱爐、尾氣焚燒爐等高溫燃燒設(shè)備是硫黃回收單元的重要設(shè)備， 直接關(guān)系到整個工程的投產(chǎn)和安全運行。 經(jīng)理論計算，爐內(nèi)燃燒區(qū)域溫度可達2 050 ℃，爐壁的耐火襯里常被高溫破壞［1］。因此耐火襯里的質(zhì)量成為設(shè)備安全運行的關(guān)鍵，其設(shè)計通常對耐火襯里材料的理化性能指標(biāo)（如耐火度、荷重軟化溫度、耐壓/抗折強度等）要求很高。

表1 國外某重點工程的再熱爐、尾氣焚燒爐耐火襯里材料技術(shù)要求

1 試驗對比

國外某重點工程的再熱爐、尾氣焚燒爐耐火襯里材料的技術(shù)要求見表1，其參考標(biāo)準為GB 50474-2008《隔熱耐磨襯里技術(shù)規(guī)范》［2］、JC/T 498-1992（1996）《高強度耐火澆注料》［3］和GB/T 2994-2008《高鋁質(zhì)耐火泥漿》［4］等。

1.1 目測

圖1 目測重質(zhì)料品牌一拆模前表面質(zhì)量

現(xiàn)場采用某澆注料（下稱品牌一）澆注的再熱爐、尾氣焚燒爐的耐火襯里。2012 年9 月5 日開始澆注，6 日完成，8 日拆模， 拆模后外觀檢查底部出現(xiàn)較大的孔洞，表面質(zhì)量較差， 未達到設(shè)計要求和引證的標(biāo)準規(guī)范的規(guī)定，需修補，拆模前后耐火襯里目測情況見圖1、2。 部分襯里表面結(jié)構(gòu)疏松，用手就可剝落，未形成強度，見圖3。

圖2 目測重質(zhì)料品牌一拆模后表面質(zhì)量

1.2 回彈儀測試

為查明原因，對現(xiàn)場采用品牌一已澆注的1 臺再熱爐和3 臺尾氣焚燒爐， 用ZC 3-W 型無線數(shù)字回彈儀進行了表面回彈測試，即混凝土耐壓強度的無損檢測。 在常溫下對每臺設(shè)備每列模具按上下左右的順序進行測試，測試結(jié)果見表2。

圖3 品牌一拆模后用手就可剝落

由表2 的數(shù)據(jù)可看出，耐火襯里的表面強度不均勻，技術(shù)要求中材料耐壓強度為110 ℃烘干后大于40 MPa，但是由于材料表面耐壓強度過低，即使烘干后強度有所增加，也不能達到要求的40 MPa。 故已澆注的4 臺設(shè)備的耐火襯里不合格。

表2 再熱爐和尾氣焚燒爐耐火襯里表面耐壓強度回彈儀測試結(jié)果表

1.3 力學(xué)試驗測試

將再熱爐和尾氣焚燒爐的施工標(biāo)準試塊 （40 mm×40 mm×160 mm）在烘干機中150 ℃烘24 h，并進行耐壓/抗折強度試驗?？拐蹖嶒灆C見圖4，耐壓試驗機見圖5。再熱爐和尾氣焚燒爐施工標(biāo)準試塊耐壓/抗折強度見表3。

從表3 顯示兩組試塊耐壓/抗折強度差異較大，第一組好于現(xiàn)場回彈儀測試的結(jié)果，初步判斷是施工制作過程中造成的差異，兩組試塊均不能滿足技術(shù)要求中耐壓/抗折強度大于40/6 MPa 的規(guī)定。

圖4 抗折試驗機

圖5 耐壓試驗機

表3 再熱爐和尾氣焚燒爐施工標(biāo)準試塊耐壓/抗折強度

1.4 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

現(xiàn)場采用品牌一的澆注料1∶1 制作了爐內(nèi)耐火襯里模型，嚴格按照廠家的配方和制作工藝，在自然養(yǎng)護3 d后， 取樣打磨成40 mm×40 mm×160 mm 的標(biāo)準試塊，烘干機中110 ℃烘24 h 后進行耐壓/抗折試驗。 制作的耐火襯里模型見圖6。

圖6 制作的耐火襯里模型

取出耐火襯里試驗?zāi)Ｐ椭兄谱鞯? 個標(biāo)準試塊進行耐壓/抗折強度試驗，試驗結(jié)果見表4。 耐壓強度平均40.45 MPa，抗折強度平均7.1 MPa，滿足技術(shù)規(guī)格書中對耐壓/抗折強度的要求。

表4 試驗?zāi)Ｐ痛蚰コ傻臉?biāo)準試塊烘干后耐壓/抗折強度

1.5 耐火襯里品牌比選

采用現(xiàn)場兩種品牌的耐火澆注料進行常溫耐壓/抗折強度的比選，共進行6 組試驗，自然養(yǎng)護3 d，烘干機中110 ℃烘24 h 常溫耐壓/抗折強度比較見表5。

表5 品牌測試烘干后耐壓/抗折強度

由表5 檢測結(jié)果可知，前三組滿足技術(shù)規(guī)格書的要求，其中第一組數(shù)據(jù)中耐壓/抗折強度數(shù)據(jù)明顯好于其他組；后三組不能滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

2 理論分析

a) 已澆注4 臺設(shè)備的耐火襯里耐壓/抗折強度均不合格，需重新澆注。

b) 爐內(nèi)襯里分上、下側(cè)分開施工，同一臺設(shè)備澆注中總有一側(cè)相對較好。

c)完全按品牌一的配方和施工要求制作的試驗?zāi)Ｐ驮噳K，從測試結(jié)果看滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

d) 品牌二的澆注料110 ℃烘干的耐壓/抗折強度的數(shù)據(jù)，滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

e) 技術(shù)規(guī)格書引用標(biāo)準和GB 50211-2004 《工業(yè)爐砌筑工程施工及驗收規(guī)范》［5］中對耐火襯里的要求性能參數(shù)的對比見表6。

技術(shù)規(guī)格書中Al2O3含量為94%，110 ℃烘干的耐壓強度40 MPa，抗折強度6 MPa，數(shù)值偏低，建議將來工程中爐類關(guān)鍵設(shè)備在保留其他參數(shù)不變的情況下，材料的耐壓/抗折強度提高為60/8 MPa。

表6 各規(guī)范標(biāo)準中對于耐火襯里性能參數(shù)對比

f） 對與水泥結(jié)合的澆注料在澆注、 養(yǎng)護過程中，由于鋁酸鹽水泥特性， 環(huán)境溫度大于35 ℃可能會造成結(jié)合強度降低。

水泥和澆注料水化時生成的水化物隨養(yǎng)護溫度變化而不同，在養(yǎng)護溫度21℃以下時生成水化物主要是CaO·Al2O3·10 H2O(CAH10)和鋁膠（AH3），在養(yǎng)護溫度21～35 ℃之間生成水化物主要是2 CaO·Al2O3·8 H2O (C2AH8)和鋁膠（AH3），在養(yǎng)護溫度35 ℃以上時生成水化物主要是3 CaO·Al2O3·6 H2O(C3AH6)和鋁膠（AH3），見下式。

在常溫下， 只有C3AH6是穩(wěn)定水化物，CAH10和C2AH8均為亞穩(wěn)定水化物，隨著時間延長，溫度升高，它們均轉(zhuǎn)化為C3AH6， 這種轉(zhuǎn)化會引起所結(jié)合的澆注料強度下降，其原因是：

CAH10和C2AH8為六方針狀或片狀水化物， 而C3AH6為立方粒狀水化物，C3AH6結(jié)合強度不如CAH10和C2AH8;

CAH10、C2AH8和C3AH6的 真 密 度 分 別 為1.72、1.95、2.53 g/cm3，因此由CAH10和C2AH8轉(zhuǎn)化為C3AH6時膠結(jié)物相中空隙率增大，膠結(jié)物的結(jié)合面積下降導(dǎo)致強度下降；

氧化鋁凝膠（Al2O3·aq）轉(zhuǎn)化為結(jié)晶時，會出現(xiàn)密度增大，所結(jié)合的澆注料空隙率增大，使結(jié)合強度下降。

3 結(jié)論

a）國外某重點工程選用的耐火襯里材料是高氧化鋁澆注料。 根據(jù)理論分析可知，水泥澆注養(yǎng)護過程的溫度條件是相當(dāng)苛刻的，必須控制在小于35 ℃，在規(guī)范要求中，明確規(guī)定施工過程的溫度為5～32 ℃。 國外沙漠地區(qū)夏季氣溫高，雖然在進行耐火襯里澆注施工采取了降溫措施，但環(huán)境溫度超過35 ℃甚至更高的情況較多， 時間也較長，導(dǎo)致澆注后自然養(yǎng)護期間耐火襯里強度下降。

b）現(xiàn)場環(huán)境溫度明顯下降，在無日照情況下溫度低于30 ℃對澆注過程有利。

c）因水泥成型為放熱反應(yīng)，而熱量對于水泥成型后的常溫強度不利，制作新的模具（底部模具改小并留排氣眼、制作預(yù)留孔模具等），在水泥成型后應(yīng)迅速拆除模具對保證耐火襯里的強度也有利。

［1］ 王 澎. H2S 對天然氣處理設(shè)備的腐蝕及相應(yīng)對策［J］. 天然氣與石油，2010,28(2)：34-36.Wang Peng. Corrosion of H2S on Natural Gas Processing Equipment and Corresponding Countermeasures ［J］. Natural Gas and Oil,2010,28(2)：34-36.

［2］GB 50474-2008，隔熱耐磨襯里技術(shù)規(guī)范［S］.GB 50474-2008, Technical Specification for Heat-insulation and Wear-resistant Linings［S］.

［3］JC/T 498-1992（1996），高強度耐火澆注料［S］.JC/T 498-1992 （1996）， High-strength Casting Refractory［S］.

［4］GB/T 2994-2008，高鋁質(zhì)耐火泥漿［S］.GB/T 2994-2008，High Alumina Refractory Mortars ［S］.

［5］GB 50211-2004，工業(yè)爐砌筑工程施工及驗收規(guī)范［S］.GB 50211-2004，Specifications for Construction and Acceptance of Industrial Furnaces［S］.