硫黃回收裝置關(guān)鍵設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展

劉文廣 邢 超 彭 宛 胡益武

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041

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硫黃回收裝置關(guān)鍵設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展

劉文廣 邢 超 彭 宛 胡益武

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041

國(guó)內(nèi)含硫天然氣處理廠硫黃回收裝置普遍采用克勞斯工藝方法，主燃燒爐、再熱爐、尾氣焚燒爐是克勞斯法硫黃回收裝置中的關(guān)鍵設(shè)備。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)的高溫爐內(nèi)襯里垮塌、燃燒器襯里損壞而導(dǎo)致停產(chǎn)的事故，以及高溫爐配套的燃燒器長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，常對(duì)工程投資、建設(shè)周期及維護(hù)運(yùn)行帶來(lái)了諸多制約因素。介紹了硫黃回收裝置關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，以及目前解決硫黃回收裝置工程技術(shù)難題的研發(fā)進(jìn)展和主要成果，為保障硫黃回收裝置安全運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化提供參考。

硫黃回收；高溫爐；設(shè)備安全；國(guó)產(chǎn)化

0 前言

克勞斯法(Claus process)是含硫天然氣處理廠硫黃回收裝置普遍采用的工藝方法，傳統(tǒng)的克勞斯法技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷更新，在工藝流程、設(shè)備設(shè)計(jì)、催化劑選擇和自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用等方面有了長(zhǎng)足進(jìn)展。國(guó)內(nèi)通過(guò)引進(jìn)、消化吸收和技術(shù)創(chuàng)新，已完全掌握克勞斯法全套技術(shù)并形成較為完善的硫黃回收工藝體系[1-5]，并經(jīng)過(guò)了裝置長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐的檢驗(yàn)。

但近年來(lái)，作為硫黃回收裝置關(guān)鍵設(shè)備的主燃燒爐、再熱爐、尾氣焚燒爐等，先后出現(xiàn)了高溫爐襯里垮塌、燃燒器襯里燒壞而導(dǎo)致停產(chǎn)的事故。為解決上述技術(shù)難題，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和測(cè)試方法等進(jìn)行了改造和創(chuàng)新，成果顯著，并成功應(yīng)用于工程上，為保障硫黃回收裝置安全運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化提供了參考。

1 關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 基本結(jié)構(gòu)

1.1.1 主燃燒爐

主燃燒爐主要為臥式鞍座支撐結(jié)構(gòu)[6]，由燃燒器以法蘭形式連接金屬殼體。內(nèi)部接觸高溫介質(zhì)部分采用耐火和隔熱襯里，設(shè)備內(nèi)中后部設(shè)置擋火花墻，殼體外部設(shè)置防燙裝置等。主燃燒爐典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 主燃燒爐典型結(jié)構(gòu)

1.1.2 再熱爐

再熱爐主要為臥式鞍座支撐結(jié)構(gòu)，由燃燒器以法蘭形式連接金屬殼體。設(shè)備內(nèi)分燃燒混合室和再熱反應(yīng)室，燃燒混合室由于溫度高采用耐火和隔熱襯里；再熱反應(yīng)室溫度較低采用隔熱襯里。殼體上設(shè)置過(guò)程氣環(huán)形分配腔體，殼體外部設(shè)置防燙裝置。再熱爐典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1.1.3 尾氣焚燒爐

尾氣焚燒爐主要為臥式鞍座支撐結(jié)構(gòu)，由燃燒器以法蘭形式連接金屬殼體。設(shè)備內(nèi)分燃燒混合室和反應(yīng)室，燃燒混合室由于溫度高采用耐火和隔熱襯里；反應(yīng)室溫度較低采用隔熱襯里。殼體上設(shè)置空氣和過(guò)程氣環(huán)形分配腔體，殼體外部設(shè)置防燙裝置。尾氣焚燒爐典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖2 再熱爐典型結(jié)構(gòu)

圖3 尾氣焚燒爐典型結(jié)構(gòu)

1.2 存在問(wèn)題

燃燒器是實(shí)現(xiàn)燃料燃燒過(guò)程的設(shè)備，是高溫爐重要部件之一，為高溫爐提供熱源。由于其技術(shù)復(fù)雜，主要依賴進(jìn)口。燃燒器在實(shí)際工程生產(chǎn)運(yùn)行中主要存在以下問(wèn)題：

1)燃燒器內(nèi)部襯里由于局部超溫出現(xiàn)垮塌不能修復(fù)而導(dǎo)致裝置停產(chǎn)[7-9]，燃燒器襯里垮塌見(jiàn)圖4。

圖4 燃燒器襯里垮塌

2)燃燒器主要靠引進(jìn)，價(jià)格昂貴，維修更換困難，供貨周期長(zhǎng)影響工程建設(shè)周期，急需國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)[10]。

3)引進(jìn)的燃燒器與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的爐體連接法蘭和襯里材料不匹配，燃燒器和爐體設(shè)計(jì)不配套，造成連接法蘭泄漏、爐體長(zhǎng)時(shí)間異常振動(dòng)[11]，影響裝置運(yùn)行和使用壽命。

由于高溫爐內(nèi)介質(zhì)燃燒反應(yīng)復(fù)雜，內(nèi)部氣流的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分布情況，特別是溫度場(chǎng)的分布對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)影響至關(guān)重要。高溫爐制造中材料性能和施工質(zhì)量也是保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行的因素，但國(guó)內(nèi)對(duì)高溫爐內(nèi)部氣流的場(chǎng)分布尚未深入研究，高溫爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)式做法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反饋，發(fā)現(xiàn)部分高溫爐內(nèi)襯里出現(xiàn)局部燒壞的情況。因此掌握高溫爐內(nèi)氣流的場(chǎng)分布尤為重要。

2 技術(shù)研發(fā)及主要成果

2.1 燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)，有效控制燃燒器出口和爐體襯里壁面溫度，避免襯里由于局部溫度過(guò)高造成垮塌，燃燒器采用了環(huán)壁保護(hù)技術(shù)[12-16],其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。通過(guò)冷態(tài)氣流將燃燒區(qū)域與燃燒室邊壁隔離，有效控制燃燒室邊壁的耐熱襯里材料的表面溫度，改善耐熱襯里材料受熱工況，延長(zhǎng)高溫爐整體壽命，實(shí)現(xiàn)硫黃回收裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

圖5 燃燒器結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)采用環(huán)壁保護(hù)技術(shù)的燃燒器試驗(yàn)測(cè)試，以再熱爐用燃燒器為例，測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，天然氣采用等當(dāng)量燃燒時(shí)，理論燃燒溫度高達(dá)2 050 ℃，采用環(huán)壁保護(hù)技術(shù)后，可將燃燒室邊壁溫度控制在1 200～1 400 ℃，不影響高溫燃燒效果。

表1 再熱爐用燃燒器測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)

燃燒器負(fù)荷/(m3·h-1)溫度/℃無(wú)環(huán)壁保護(hù)有環(huán)壁保護(hù)無(wú)環(huán)壁保護(hù)有環(huán)壁保護(hù)邊壁溫度降低值/℃1920133011901403231136012101504041138812501385252149512602356363160012103907369>16001250>4007983>16001260>400

2.2 爐內(nèi)氣流的場(chǎng)分布數(shù)值模擬分析

為掌握高溫爐內(nèi)氣流的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的分布情況，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析方法[17]，采用FLUENT數(shù)值模擬軟件，計(jì)算燃燒爐內(nèi)氣流的三場(chǎng)分布。以再熱爐計(jì)算溫度場(chǎng)為例，結(jié)合燃燒器環(huán)壁保護(hù)技術(shù)，對(duì)燃燒器和再熱爐體進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模分析，圖6是采用環(huán)壁保護(hù)技術(shù)的燃燒器通入不同保護(hù)氣量，及再熱爐爐體直徑一定的情況下，爐體內(nèi)以x軸長(zhǎng)度方向的壁面溫度分布情況。從圖6可以看出，無(wú)保護(hù)氣時(shí)，筒體1.5 m處內(nèi)壁溫度達(dá)到1 227 ℃，在實(shí)際工程中，由于工況變化等原因，爐內(nèi)可能出現(xiàn)局部超溫，造成襯里損壞；保護(hù)氣量為6 000 m3/h時(shí)，內(nèi)壁溫度達(dá)477 ℃左右；保護(hù)氣量為2 000 m3/h時(shí)，內(nèi)壁溫度介于兩者之間。這是因?yàn)楸Ｗo(hù)氣量增大時(shí)，氣流能夠沿著壁面一直向爐體后部“沖”去，增加對(duì)壁面的保護(hù)范圍。

圖6 不同保護(hù)氣量下再熱爐體壁面的溫度分布

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性和精度，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以實(shí)際再熱爐尺寸建模，分別取壁面溫度和出口溫度，與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析方法計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如下：

1)圖7為壁面溫度的實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)，其中x、y軸為溫度，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)分布在對(duì)角線上。各模擬數(shù)據(jù)均勻分布于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，可見(jiàn)模擬工況與運(yùn)行工況較吻合。

圖7 再熱爐壁面溫度的實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)

2)圖8為出口溫度的實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)。從圖8可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合較好。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)均勻分布在260～290 ℃，誤差較小。

圖8 再熱爐出口溫度的實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)

從工程實(shí)測(cè)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析方法能夠較真實(shí)地反映高溫爐實(shí)際運(yùn)行中爐內(nèi)氣流的場(chǎng)分布情況。

3 解決措施

1)硫黃回收裝置高溫爐用燃燒器采用環(huán)壁保護(hù)技術(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬分析方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，有效控制高溫爐襯里內(nèi)壁溫度，解決了局部超溫造成的襯里垮塌問(wèn)題。

2)國(guó)內(nèi)通過(guò)環(huán)壁保護(hù)型燃燒器的技術(shù)研發(fā)，并對(duì)整體高溫爐結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制等方面進(jìn)行改進(jìn)，已實(shí)現(xiàn)硫黃回收裝置高溫爐全套制造的國(guó)產(chǎn)化，打破了進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格、供貨周期、售后服務(wù)等因素的制約。

3)利用數(shù)值模擬分析方法對(duì)氣流在燃燒器和爐內(nèi)的場(chǎng)分布分析，確定溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布規(guī)律及影響因素，進(jìn)行襯里材料和燃燒器及爐體結(jié)構(gòu)配套設(shè)計(jì)，解決燃燒器和爐體設(shè)計(jì)不匹配問(wèn)題。

4 結(jié)論

1)國(guó)內(nèi)運(yùn)用環(huán)壁保護(hù)技術(shù)研制了用于硫黃回收裝置高溫爐用燃燒器，能夠有效控制高溫爐襯里內(nèi)壁溫度，解決由于局部超溫造成的襯里垮塌問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)燃燒器的國(guó)產(chǎn)化。

2)利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)爐內(nèi)氣流的場(chǎng)分布進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)際工程數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)分析結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了利用數(shù)值模擬方法能夠較真實(shí)地反映高溫爐實(shí)際運(yùn)行的場(chǎng)分布情況。在工程應(yīng)用中，利用數(shù)值模擬分析方法對(duì)不同工況、不同設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，找出燃燒器和爐體結(jié)構(gòu)變化與溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)化形成系列公式，從而為設(shè)備尺寸的合理選擇、襯里材料及厚度的優(yōu)化以及設(shè)備開(kāi)停工操作程序的選擇提供理論依據(jù)。

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2015-10-10

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)項(xiàng)目資助(KY 2013-13)

劉文廣(1980-)，男，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)從事石油化工機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.021