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60 kt / a 硫化氢焚烧炉的设计与运行总结

编辑:耐火浇注料   时间:2021-03-29    浏览:   

鲁西化工集团股份有限公司(以下简称鲁西化工) 近期建造了1 套 60 kt /a WSA 湿法制酸装置(称为硫回收工段) ,河南耐火砖用于回收处理甲醇、合成氨、西区煤气化炉 3 套装置的硫化氢气体。由于硫化氢气体具有易燃易爆、高危剧毒、无法储存、严禁排空的特点,如果硫回收工段出现问题,特别是作为核心装置的硫化氢焚烧炉一旦出现炉衬坍塌、串气,维修时间较长,将会导致整个东区 3 套生产装置的停车,造成巨大的经济损失。

1、硫化氢焚烧炉的筑炉材料选择及效果

硫化氢燃烧炉燃烧介质为含 H2S,S,SO2等的过程气,但因生产及工艺条件限制,该过程气中常混有各种轻烃和微量甲醇,致使该炉燃烧过程中有时温度骤然升高,无法控制。生产中将这种温度的大幅度波动称为“飞温”,每次“飞温”即是对内衬材料的一次热冲击。鲁西化工由于1套硫回收装置要处理甲醇、合成氨和煤气化炉 3 套装置产生的硫化氢酸性气体,存在气源波动大的情况。所以,为了降低“飞温”导致炉衬损伤,设计时选择抗热冲击强的耐火材料、增加焚烧炉抗热冲击的余量和空间显得非常有必要。甲醇项目部调查了相关厂家硫化氢焚烧炉选材及改进方案,具体见表 1。

表 1 相关厂家硫化氢焚烧炉选材及改进方案

由表 1 可见: 各石化厂家在改进方案中多选用了刚玉质耐火浇注料。因此,根据使用经验,鲁西化工选择了抗热冲击性强的铬刚玉耐火喷射浇筑料作为硫化氢焚烧炉的优选筑炉材料。

经过开车初期的调控后,硫化氢焚烧炉 DCS 控制系统转入自动化控制,可以应对轻微的系统波动; 当硫化氢来源发生较大波动时,仍需操作人员手动调控。产能越大,调控反应时间越长。焚烧炉的“飞温”情况不可避免,硫化氢焚烧炉在投产运行80 d 内发生了 35 次“飞温”。“飞温”现象频繁且无规律可循,但因硫化氢焚烧炉筑炉材料选择了抗热冲击性强的铬刚玉耐火喷射浇筑料,有效地抵抗了“飞温”的热冲击。硫化氢焚烧炉 80 d 内 35 次“飞温”数据如图 1。

图 1 硫化氢焚烧炉 80 d 内“飞温”数据示意

2、冷凝酸腐蚀及应对方案

2. 1 冷凝酸腐蚀

焚烧炉外壳一般由碳钢制成,由于炉内苛刻的高温及还原性工艺条件,高铝砖碳钢必须进行保护以免酸(液相的 H2 O,SO2,SO3 ) 及高温下的 H2 S 腐蚀。当耐火砖出现脱落或者裂缝时,烟气将与钢壳体接触。如果钢壳体表面温度低于冷凝酸露点,腐蚀将不可避免地发生。因此,焚烧炉钢壳体温度必须高于酸露点。焚烧炉钢壳体处的酸露点一般在200 ~ 210 ℃,可通过保温措施保证钢壳体温度高于220℃。防止冷凝酸的腐蚀可以通过控制 2 个关键点来实现: ①减少高温酸性烟气与炉壳的接触; ②严格控制炉壳温度高于冷凝酸露点。

2.2应对方案

1)为了减少高温酸性烟气与炉壳的接触,焚烧炉内衬设计时选用喷涂工艺,将耐火材料与炉壳黏附成一体,增强炉衬密闭性,最大程度减少高温酸性烟气与炉壳的接触。

2) 传统耐火砖尺寸固定,无法通过调整炉衬厚度来控制炉壁温度,焚烧炉实际运行中,燃烧炉外壁温度一般低于冷凝酸露点,有的仅 160 ℃,远低于设计要求,存在腐蚀现象。为了严格控制炉壳温度高于冷凝酸露点,鲁西化工设计时放弃传统耐火砖而选用不定型耐火材料,并进行精确计算,通过控制炉衬、外保温厚度,实现炉壁温度大于冷凝酸生成温度( 220 ℃ ) 。开车后炉壁温度与理论计算温度对比见表 2。由表 2 可见: 开车后炉壁实际温度基本符合理论计算的炉壁温度,将炉壁温度控制在高于冷凝酸露点运行。

表 2 开车后炉壁温度与理论计算温度对比

3、炉壁厚度设计的选择

根据石化厂家硫化氢焚烧炉的设计和使用经验,炉壁厚度有 2 个方案: 薄壁和厚壁,它们的优缺点对比见表 3。

表 3 薄壁和厚壁设计的优缺点

通过表 3 对比,为了提高焚烧炉安全性和可靠性,为未来系统出现意外情况保留足够的设计余量和空间,鲁西化工在设计时选择了可以应对炉壁超温的厚壁设计。

4、焚烧炉挡墙的设计

根据石化厂家使用经验,硫化氢焚烧炉的挡墙一般采用花墙设计,需将炉膛分割为 3 个独立的空间。因此,需要设计 3 个人孔,以用于焚烧炉故障检修的进入通道。人孔用普通的耐火砖和硅酸铝纤维棉封堵,人孔越多,焚烧炉的易损点就越多,容易造成焚烧炉倒塌变形。

鲁西化工在设计时将花墙方式改为左右式挡墙。左右式挡墙方式将炉膛合并成一个整体空间,耐火砖材料厂家进而将 3 个人孔减少至 1 个,最大程度地减少了焚烧炉的易损点,强化了炉衬整体强度,可有效防止焚烧炉倒塌变形。

这种结构的挡墙有使用 10 年不倒塌的实际案例,可以充分保证焚烧炉的整体使用寿命。

5、运行情况

硫化氢焚烧炉出口烟气主要成分: φ ( CO2 )11. 140%,φ( N2 ) 66. 778%,φ( O2 ) 10. 781%,φ( H2O) 6. 824%,φ( SO2 ) 4. 477%,设计温度 800 ~ 1 000 ℃,流量 39 388 m3 /h,焚烧炉外形尺寸为4 074 mm × 11 318 mm。自 2017 年 11 月开车以来,除因硫回收装置其他设备原因短暂停车调整以外,硫回收系统均稳定运行,停车期间曾打开人孔检查焚烧炉内部,未发现炉衬有坍塌损毁情况。

6、结语

60 kt /a 硫化氢焚烧炉设计过程中在筑炉材料的选择、防腐蚀设计、壁厚及挡墙的设计等方面进行了改进,硫化氢焚烧炉开车后,运行稳定良好,炉衬无坍塌损毁,炉壁无局部高温和冷凝酸腐蚀,新型喷涂筑炉技术和设计细节的优化为焚烧炉稳定运行提供了有力的保障。


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