硫黃回收裝置關鍵設備現狀及發展

劉文廣 邢 超 彭 宛 胡益武

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041

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硫黃回收裝置關鍵設備現狀及發展

劉文廣 邢 超 彭 宛 胡益武

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041

國內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鍵設備。實際生產運行中出現的高溫爐內襯里垮塌、燃燒器襯里損壞而導致停產的事故，以及高溫爐配套的燃燒器長期依賴進口，常對工程投資、建設周期及維護運行帶來了諸多制約因素。介紹了硫黃回收裝置關鍵設備的技術現狀及存在問題，以及目前解決硫黃回收裝置工程技術難題的研發進展和主要成果，為保障硫黃回收裝置安全運行和實現關鍵設備國產化提供參考。

硫黃回收；高溫爐；設備安全；國產化

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，傳統的克勞斯法技術經過不斷更新，在工藝流程、設備設計、催化劑選擇和自動控制系統應用等方面有了長足進展。國內通過引進、消化吸收和技術創新，已完全掌握克勞斯法全套技術并形成較為完善的硫黃回收工藝體系[1-5]，并經過了裝置長期運行實踐的檢驗。

但近年來，作為硫黃回收裝置關鍵設備的主燃燒爐、再熱爐、尾氣焚燒爐等，先后出現了高溫爐襯里垮塌、燃燒器襯里燒壞而導致停產的事故。為解決上述技術難題，對設備的結構型式和測試方法等進行了改造和創新，成果顯著，并成功應用于工程上，為保障硫黃回收裝置安全運行和實現關鍵設備國產化提供了參考。

1 關鍵設備技術現狀

1.1 基本結構

1.1.1 主燃燒爐

主燃燒爐主要為臥式鞍座支撐結構[6]，由燃燒器以法蘭形式連接金屬殼體。內部接觸高溫介質部分采用耐火和隔熱襯里，設備內中后部設置擋火花墻，殼體外部設置防燙裝置等。主燃燒爐典型結構見圖1。

圖1 主燃燒爐典型結構

1.1.2 再熱爐

再熱爐主要為臥式鞍座支撐結構，由燃燒器以法蘭形式連接金屬殼體。設備內分燃燒混合室和再熱反應室，燃燒混合室由于溫度高采用耐火和隔熱襯里；再熱反應室溫度較低采用隔熱襯里。殼體上設置過程氣環形分配腔體，殼體外部設置防燙裝置。再熱爐典型結構見圖2。

1.1.3 尾氣焚燒爐

尾氣焚燒爐主要為臥式鞍座支撐結構，由燃燒器以法蘭形式連接金屬殼體。設備內分燃燒混合室和反應室，燃燒混合室由于溫度高采用耐火和隔熱襯里；反應室溫度較低采用隔熱襯里。殼體上設置空氣和過程氣環形分配腔體，殼體外部設置防燙裝置。尾氣焚燒爐典型結構見圖3。

圖2 再熱爐典型結構

圖3 尾氣焚燒爐典型結構

1.2 存在問題

燃燒器是實現燃料燃燒過程的設備，是高溫爐重要部件之一，為高溫爐提供熱源。由于其技術復雜，主要依賴進口。燃燒器在實際工程生產運行中主要存在以下問題：

1)燃燒器內部襯里由于局部超溫出現垮塌不能修復而導致裝置停產[7-9]，燃燒器襯里垮塌見圖4。

圖4 燃燒器襯里垮塌

2)燃燒器主要靠引進，價格昂貴，維修更換困難，供貨周期長影響工程建設周期，急需國產化開發[10]。

3)引進的燃燒器與國內生產的爐體連接法蘭和襯里材料不匹配，燃燒器和爐體設計不配套，造成連接法蘭泄漏、爐體長時間異常振動[11]，影響裝置運行和使用壽命。

由于高溫爐內介質燃燒反應復雜，內部氣流的溫度場、速度場和濃度場的分布情況，特別是溫度場的分布對設備的設計影響至關重要。高溫爐制造中材料性能和施工質量也是保證設備安全平穩運行的因素，但國內對高溫爐內部氣流的場分布尚未深入研究，高溫爐的結構設計主要采用經驗式做法，通過現場反饋，發現部分高溫爐內襯里出現局部燒壞的情況。因此掌握高溫爐內氣流的場分布尤為重要。

2 技術研發及主要成果

2.1 燃燒器結構優化

為優化燃燒器結構，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高造成垮塌，燃燒器采用了環壁保護技術[12-16],其結構見圖5。通過冷態氣流將燃燒區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，延長高溫爐整體壽命，實現硫黃回收裝置的長周期運行。

圖5 燃燒器結構

通過對采用環壁保護技術的燃燒器試驗測試，以再熱爐用燃燒器為例，測試對比數據見表1，天然氣采用等當量燃燒時，理論燃燒溫度高達2 050 ℃，采用環壁保護技術后，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 再熱爐用燃燒器測試對比數據

燃燒器負荷/(m3·h-1)溫度/℃無環壁保護有環壁保護無環壁保護有環壁保護邊壁溫度降低值/℃1920133011901403231136012101504041138812501385252149512602356363160012103907369>16001250>4007983>16001260>400

2.2 爐內氣流的場分布數值模擬分析

為掌握高溫爐內氣流的溫度場、速度場、濃度場的分布情況，利用計算機數值模擬分析方法[17]，采用FLUENT數值模擬軟件，計算燃燒爐內氣流的三場分布。以再熱爐計算溫度場為例，結合燃燒器環壁保護技術，對燃燒器和再熱爐體進行計算機建模分析，圖6是采用環壁保護技術的燃燒器通入不同保護氣量，及再熱爐爐體直徑一定的情況下，爐體內以x軸長度方向的壁面溫度分布情況。從圖6可以看出，無保護氣時，筒體1.5 m處內壁溫度達到1 227 ℃，在實際工程中，由于工況變化等原因，爐內可能出現局部超溫，造成襯里損壞；保護氣量為6 000 m3/h時，內壁溫度達477 ℃左右；保護氣量為2 000 m3/h時，內壁溫度介于兩者之間。這是因為保護氣量增大時，氣流能夠沿著壁面一直向爐體后部“沖”去，增加對壁面的保護范圍。

圖6 不同保護氣量下再熱爐體壁面的溫度分布

為進一步驗證數值計算方法的可靠性和精度，根據工程現場運行數據，以實際再熱爐尺寸建模，分別取壁面溫度和出口溫度，與計算機數值模擬分析方法計算的數據進行對比結果如下：

1)圖7為壁面溫度的實測與模擬數據，其中x、y軸為溫度，實測數據與模擬數據分布在對角線上。各模擬數據均勻分布于實測數據范圍內，可見模擬工況與運行工況較吻合。

圖7 再熱爐壁面溫度的實測與模擬數據

2)圖8為出口溫度的實測與模擬數據。從圖8可以看出，實測數據與模擬數據吻合較好。實測數據與模擬數據均勻分布在260～290 ℃，誤差較小。

圖8 再熱爐出口溫度的實測與模擬數據

從工程實測和模擬數據對比分析可知，采用計算機數值模擬分析方法能夠較真實地反映高溫爐實際運行中爐內氣流的場分布情況。

3 解決措施

1)硫黃回收裝置高溫爐用燃燒器采用環壁保護技術，通過數值模擬分析方法，進行結構改進，有效控制高溫爐襯里內壁溫度，解決了局部超溫造成的襯里垮塌問題。

2)國內通過環壁保護型燃燒器的技術研發，并對整體高溫爐結構、自動控制等方面進行改進，已實現硫黃回收裝置高溫爐全套制造的國產化，打破了進口產品價格、供貨周期、售后服務等因素的制約。

3)利用數值模擬分析方法對氣流在燃燒器和爐內的場分布分析，確定溫度場、濃度場、速度場分布規律及影響因素，進行襯里材料和燃燒器及爐體結構配套設計，解決燃燒器和爐體設計不匹配問題。

4 結論

1)國內運用環壁保護技術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壁溫度，解決由于局部超溫造成的襯里垮塌問題，實現燃燒器的國產化。

2)利用FLUENT數值模擬軟件對爐內氣流的場分布進行分析，并通過實際工程數據與計算機分析結果對比，驗證了利用數值模擬方法能夠較真實地反映高溫爐實際運行的場分布情況。在工程應用中，利用數值模擬分析方法對不同工況、不同設備結構進行模擬，找出燃燒器和爐體結構變化與溫度場、濃度場、速度場之間的關系，轉化形成系列公式，從而為設備尺寸的合理選擇、襯里材料及厚度的優化以及設備開停工操作程序的選擇提供理論依據。

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2015-10-10

中國石油天然氣集團公司重點項目資助(KY 2013-13)

劉文廣(1980-)，男，貴州貴陽人，高級工程師，學士，現從事石油化工機械設計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.021