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摘 要：本文针对普光净化厂克劳斯炉超温原因进行分析和研究，并针对出现的问题进行，提出了解决办法，提高了设备使用寿命及安全性。
关键词：克劳斯炉 超温原因 技改 优化
一、背景概述
普光气田位于四川省达县-宣汉县的石油天然气勘查矿权区块内，勘探面积1116平方公里，天然气资源量8916亿立方米，截至目前已累计探明天然气地质储量3813亿立方米，是迄今国内发现的规模最大、丰度最高的特大型整装海相气田。普光天然气净化厂以普光气田高含硫天然气（H2S含量13.0%-18.0%，CO2含量为8.0%-10.0%，有机硫含量340.6mg/m3）为原料。总工艺流程采用MDEA法脱硫、催化水解法脱COS、TEG法脱水、常规Claus二级转化法硫磺回收、SCOT法尾气处理和酸水汽提的工艺路线，硫磺设计回收率达到99.8%以上。
装置的平稳生产离不开良好的设备工况作为基础。普光天然气净化厂原料天然气压力高（原料气压力最高可达8.5Mpa），硫化氢、二氧化碳、有机硫含量高（H2S含量13.0%-18.0%，CO2含量为8.0%-10.0%，有机硫含量340.6mg/m3），工艺控制方案复杂，工艺操作难度大；与之配套的硫磺回收装置单套产能为国内最大（年产硫磺20万）。在如此规模和复杂的工艺条件下，对净化装置的各动、静设备具有极大地考验，一旦相关设备出现故障，轻则会对装置的安全平稳生产带来隐患，重则将会导致整个净化装置停工，产品气、酸性气放空，严重影响到气田的生产，地方的环境和下游用户用气平稳。
二、第二节 存在的问题
2009年10月份天然气净化厂第一联合装置投产试运，12月份克劳斯反应炉外壁温度就达到400℃左右，超过了设计外壁温度315℃，如果长时间外壁超温运行，将导致外壁材料性能发生变化，同时在高温情况下，碳钢会出现高温硫腐蚀，会是材料厚度严重减薄，严重的情况下会出现外壁穿孔，大量酸性气及高温烟气泄漏，对环境及人员安全产生巨大危害。随着联合装置的先后开工投产，不断出现克劳斯反应炉外壁超温情况，最终全厂所有的12台设备全部出现超温，最高外壁温度达到610℃，联合装置四联合二列克劳斯反应炉壳体烧穿。由于克劳斯反应炉出现的问题，导致净化厂频繁检修，严重影响净化厂生产能力。克劳斯反应炉问题已成为净化厂长周期安全稳定及积极争产上产的瓶颈，亟待解决。
三、设备介绍
天然气净化厂克劳斯反应炉衬里采取分区设计，其中，炉前区与燃烧器相接段为燃烧区，采用双层砖结构（隔热砖厚150mm，耐火砖厚114mm）；炉主体为反应混合区，采用单层隔热浇注料加单层耐火砖结构（浇注料厚100mm，耐火砖厚114mm），克劳斯反应炉主要设计参数：
尺寸：总长15.423 m，壳体内径3.0 m，衬里内径（前区+后区）2.472+2.572 m，长径比 5.14； 压力：设计压力0.4 MPa（g）。操作压力0.06 MPa（g）；
温度：操作温度1067℃，正常运行外壁温度在180～315℃，最高允许外壁温度343℃；负荷：正常操作工况的酸性气量为30000 Nm3/h，设备最大工况的酸性气量为37000 Nm3/h；最小操作工况的酸性气量为11250 Nm3/h；线速度：8.82 m/s；
停留时间：1.05 s。
超温原因分析
针对净化厂克劳斯反应炉外壁超温现象，先后对12台炉子进行停工内部检查，发现内部衬里存在不同程度的损坏，主要存在问题包括：耐火砖局部下沉，高温热电偶套管破损、周围浇筑料破损脱落，尾部过渡段浇筑料出现贯穿性裂缝、衬里多处脱落，膨胀缝缝隙过大、陶纤烧结粉化脱落，看火孔浇注料损坏等。
由于克劳斯炉内部耐火层（耐火砖、隔热砖、浇注料等）的脱落、破裂，导致了反应炉内的克劳斯反应所产生的高温烟气和火焰直接作用在了克劳斯炉的壳体内壁，一方面导致反应炉的烧穿，另一方面碳钢会出现高温硫腐蚀，会使材料厚度严重减薄，
四、.衬里失效原因分析
1.反应炉振动
由于前期建厂期间交通运行原因以及国内经验等问题，克劳斯反应炉在投入使用前就出现了同轴度，椭圆度等关键参数的变形问题。在投入使用后，部分反应炉出现了变形上翘等现象，最终导致在克劳斯炉运行过程中整个反应炉了较大的振动，振动的最大位移值达到了100微米以上。炉子的振动导致了耐火材料的破裂和下沉甚至脱落。
2.克劳斯反应炉衬里结构
净化厂克劳斯反应炉主要功能是为H2S转化为单质硫提供反应场所。炉内衬里的工作环境为：1200℃，高浓度H2S（60%）且具有极强的腐蚀性，流量大（最高达90994.6Nm3/h）。该工作条件及其恶劣，对耐火材料性能和砌筑结构有苛刻的要求。
引进的GOUDA耐火衬里设计采用美国Black&Veach公司衬里结构，由一层浇注料加一层耐火砖组成，在现场应用过程中频繁损坏，已造成衬里材料大面积脱落，高温热烟气窜至炉体外壁，造成外壁穿孔，无法满足现场工艺要求。国内硫磺炉设计虽然取得部分经验，但是普光净化擦汗那个克劳斯反应炉直径及长度均远远大于其他100多套国内设备，炉体直径的扩大，导致内部衬里结构也随之扩大。大直径卧式衬里结构的稳定使用，还需要进一步设计及实践总结。另外，普光净化厂硫磺回收单元由于其他换热器泄漏等原因，频繁停工，造成耐火衬里频繁冷热交变，最终导致了衬里的失效。
3.燃烧器
硫磺回收处理规模大，国内没有成熟的克劳斯反应炉燃烧器设计及使用经验。天然气净化厂克劳斯反应炉为20万吨级特大型设备，国内没有预制配套的燃烧器使用经验，主要表现为：国内没有大规模燃烧器在设计条件下的运行情况分析，特别是流场温度及速度分布，直接影响整个硫磺回收反应的程度和反应位置，最终影响到克劳斯反应炉振动。 五、日常保护措施
综合以上分析，净化装置工作人员采用了以下措施防止克劳斯反应炉超温：
1.指派专人每日定期测量反应炉振动，若连续出现60微米以上的振动，则及时调整负荷、鼓风机压力等参数，减缓振动。
2.对于已经超温的位置，及时用减温蒸汽对其外壁进行吹扫，带走热量，防止烧穿炉壁。
3.利用装置大检修机会，及时更换衬里。
六、技术改造
2010年8月按照中石化党组要求，炼油事业部组织成立普光天然气净化厂克劳斯反应炉问题攻关小组，对克劳斯反应炉壳体结构、衬里结构及燃烧器部件进行攻关研究，经攻关组专家分析，确定克劳斯反应炉损坏的主要原因为壳体长径比太大（5.20）、易变形，衬里结构不合理、已损坏及燃烧器火焰不稳定等。
1.壳体设计及制造技术
对不同长径比炉体的模拟、分析、计算和试验等，优选最佳长径比为2.75；
开发了大直径、薄壁炉体制造防变形的技术和工装，正在申请专利。优化了高温热偶布局，延长热偶使用寿命。
2.衬里设计及研究改造技术
创新设计卯榫型3层衬里结构，正在申请专利；研制出高抗热震稳定性能耐火砖，完全能满足现场频繁开停工需求，大大提高衬里使用寿命。炉体上下采用不同密度和隔热性能的材料，提高底部承载能力和上部隔热效果，将耐火砖和各人砖错缝安装，防止出现衬里烧穿等事故隐患。
3.燃烧器优化技术
在设计工况条件下，通过对燃烧器进行CFD模拟分析、实验改进，改善了燃烧器预混合效果，增强了燃烧稳定性。实现燃烧器核心部件国产化，大大降低维修费用及周期。
4.技改成果
2011年10月，根据研究成果，中石化炼油事业部组织普光分公司在天然气净化厂第二联合装置第二系列上开展克劳斯反应炉国产化扩径改造；2012年9月29日，扩径改造后的122系列克劳斯反应炉投酸性气运行，经酸性气130%负荷测试，运行状况良好；2013年元月中旬，炼油事业部会同油田事业部、科技开发部、安全环保局及镇海炼化、扬子石化等单位专家对该改造设备进行现场负荷标定，改造后的克劳斯炉在80%、100%、110%及130%的装置负荷下运行平稳，各项工艺参数达到指标要求，产品质量合格，改造取得圆满成功。
七、结束语
经过技术改在，成功解决了六套联合装置12台克劳斯炉超温问题，节约了大量开工及运行成本，将技改成果应用在实际生产中，既保证了普光净化厂的年处理量，也确保了高含硫装置运行的平稳性，真正做到装置开工及运行期间事故率为“0”。
作者简介：李杨杨，1987年生，助理工程师，毕业于辽宁石油化工大学测控技术与仪器专业。主要研究方向：高含硫天然气净化、硫磺回收和尾气处理、在线分析仪表、DCS和SIS控制。
关键词：克劳斯炉 超温原因 技改 优化
一、背景概述
普光气田位于四川省达县-宣汉县的石油天然气勘查矿权区块内，勘探面积1116平方公里，天然气资源量8916亿立方米，截至目前已累计探明天然气地质储量3813亿立方米，是迄今国内发现的规模最大、丰度最高的特大型整装海相气田。普光天然气净化厂以普光气田高含硫天然气（H2S含量13.0%-18.0%，CO2含量为8.0%-10.0%，有机硫含量340.6mg/m3）为原料。总工艺流程采用MDEA法脱硫、催化水解法脱COS、TEG法脱水、常规Claus二级转化法硫磺回收、SCOT法尾气处理和酸水汽提的工艺路线，硫磺设计回收率达到99.8%以上。
装置的平稳生产离不开良好的设备工况作为基础。普光天然气净化厂原料天然气压力高（原料气压力最高可达8.5Mpa），硫化氢、二氧化碳、有机硫含量高（H2S含量13.0%-18.0%，CO2含量为8.0%-10.0%，有机硫含量340.6mg/m3），工艺控制方案复杂，工艺操作难度大；与之配套的硫磺回收装置单套产能为国内最大（年产硫磺20万）。在如此规模和复杂的工艺条件下，对净化装置的各动、静设备具有极大地考验，一旦相关设备出现故障，轻则会对装置的安全平稳生产带来隐患，重则将会导致整个净化装置停工，产品气、酸性气放空，严重影响到气田的生产，地方的环境和下游用户用气平稳。
二、第二节 存在的问题
2009年10月份天然气净化厂第一联合装置投产试运，12月份克劳斯反应炉外壁温度就达到400℃左右，超过了设计外壁温度315℃，如果长时间外壁超温运行，将导致外壁材料性能发生变化，同时在高温情况下，碳钢会出现高温硫腐蚀，会是材料厚度严重减薄，严重的情况下会出现外壁穿孔，大量酸性气及高温烟气泄漏，对环境及人员安全产生巨大危害。随着联合装置的先后开工投产，不断出现克劳斯反应炉外壁超温情况，最终全厂所有的12台设备全部出现超温，最高外壁温度达到610℃，联合装置四联合二列克劳斯反应炉壳体烧穿。由于克劳斯反应炉出现的问题，导致净化厂频繁检修，严重影响净化厂生产能力。克劳斯反应炉问题已成为净化厂长周期安全稳定及积极争产上产的瓶颈，亟待解决。
三、设备介绍
天然气净化厂克劳斯反应炉衬里采取分区设计，其中，炉前区与燃烧器相接段为燃烧区，采用双层砖结构（隔热砖厚150mm，耐火砖厚114mm）；炉主体为反应混合区，采用单层隔热浇注料加单层耐火砖结构（浇注料厚100mm，耐火砖厚114mm），克劳斯反应炉主要设计参数：
尺寸：总长15.423 m，壳体内径3.0 m，衬里内径（前区+后区）2.472+2.572 m，长径比 5.14； 压力：设计压力0.4 MPa（g）。操作压力0.06 MPa（g）；
温度：操作温度1067℃，正常运行外壁温度在180～315℃，最高允许外壁温度343℃；负荷：正常操作工况的酸性气量为30000 Nm3/h，设备最大工况的酸性气量为37000 Nm3/h；最小操作工况的酸性气量为11250 Nm3/h；线速度：8.82 m/s；
停留时间：1.05 s。
超温原因分析
针对净化厂克劳斯反应炉外壁超温现象，先后对12台炉子进行停工内部检查，发现内部衬里存在不同程度的损坏，主要存在问题包括：耐火砖局部下沉，高温热电偶套管破损、周围浇筑料破损脱落，尾部过渡段浇筑料出现贯穿性裂缝、衬里多处脱落，膨胀缝缝隙过大、陶纤烧结粉化脱落，看火孔浇注料损坏等。
由于克劳斯炉内部耐火层（耐火砖、隔热砖、浇注料等）的脱落、破裂，导致了反应炉内的克劳斯反应所产生的高温烟气和火焰直接作用在了克劳斯炉的壳体内壁，一方面导致反应炉的烧穿，另一方面碳钢会出现高温硫腐蚀，会使材料厚度严重减薄，
四、.衬里失效原因分析
1.反应炉振动
由于前期建厂期间交通运行原因以及国内经验等问题，克劳斯反应炉在投入使用前就出现了同轴度，椭圆度等关键参数的变形问题。在投入使用后，部分反应炉出现了变形上翘等现象，最终导致在克劳斯炉运行过程中整个反应炉了较大的振动，振动的最大位移值达到了100微米以上。炉子的振动导致了耐火材料的破裂和下沉甚至脱落。
2.克劳斯反应炉衬里结构
净化厂克劳斯反应炉主要功能是为H2S转化为单质硫提供反应场所。炉内衬里的工作环境为：1200℃，高浓度H2S（60%）且具有极强的腐蚀性，流量大（最高达90994.6Nm3/h）。该工作条件及其恶劣，对耐火材料性能和砌筑结构有苛刻的要求。
引进的GOUDA耐火衬里设计采用美国Black&Veach公司衬里结构，由一层浇注料加一层耐火砖组成，在现场应用过程中频繁损坏，已造成衬里材料大面积脱落，高温热烟气窜至炉体外壁，造成外壁穿孔，无法满足现场工艺要求。国内硫磺炉设计虽然取得部分经验，但是普光净化擦汗那个克劳斯反应炉直径及长度均远远大于其他100多套国内设备，炉体直径的扩大，导致内部衬里结构也随之扩大。大直径卧式衬里结构的稳定使用，还需要进一步设计及实践总结。另外，普光净化厂硫磺回收单元由于其他换热器泄漏等原因，频繁停工，造成耐火衬里频繁冷热交变，最终导致了衬里的失效。
3.燃烧器
硫磺回收处理规模大，国内没有成熟的克劳斯反应炉燃烧器设计及使用经验。天然气净化厂克劳斯反应炉为20万吨级特大型设备，国内没有预制配套的燃烧器使用经验，主要表现为：国内没有大规模燃烧器在设计条件下的运行情况分析，特别是流场温度及速度分布，直接影响整个硫磺回收反应的程度和反应位置，最终影响到克劳斯反应炉振动。 五、日常保护措施
综合以上分析，净化装置工作人员采用了以下措施防止克劳斯反应炉超温：
1.指派专人每日定期测量反应炉振动，若连续出现60微米以上的振动，则及时调整负荷、鼓风机压力等参数，减缓振动。
2.对于已经超温的位置，及时用减温蒸汽对其外壁进行吹扫，带走热量，防止烧穿炉壁。
3.利用装置大检修机会，及时更换衬里。
六、技术改造
2010年8月按照中石化党组要求，炼油事业部组织成立普光天然气净化厂克劳斯反应炉问题攻关小组，对克劳斯反应炉壳体结构、衬里结构及燃烧器部件进行攻关研究，经攻关组专家分析，确定克劳斯反应炉损坏的主要原因为壳体长径比太大（5.20）、易变形，衬里结构不合理、已损坏及燃烧器火焰不稳定等。
1.壳体设计及制造技术
对不同长径比炉体的模拟、分析、计算和试验等，优选最佳长径比为2.75；
开发了大直径、薄壁炉体制造防变形的技术和工装，正在申请专利。优化了高温热偶布局，延长热偶使用寿命。
2.衬里设计及研究改造技术
创新设计卯榫型3层衬里结构，正在申请专利；研制出高抗热震稳定性能耐火砖，完全能满足现场频繁开停工需求，大大提高衬里使用寿命。炉体上下采用不同密度和隔热性能的材料，提高底部承载能力和上部隔热效果，将耐火砖和各人砖错缝安装，防止出现衬里烧穿等事故隐患。
3.燃烧器优化技术
在设计工况条件下，通过对燃烧器进行CFD模拟分析、实验改进，改善了燃烧器预混合效果，增强了燃烧稳定性。实现燃烧器核心部件国产化，大大降低维修费用及周期。
4.技改成果
2011年10月，根据研究成果，中石化炼油事业部组织普光分公司在天然气净化厂第二联合装置第二系列上开展克劳斯反应炉国产化扩径改造；2012年9月29日，扩径改造后的122系列克劳斯反应炉投酸性气运行，经酸性气130%负荷测试，运行状况良好；2013年元月中旬，炼油事业部会同油田事业部、科技开发部、安全环保局及镇海炼化、扬子石化等单位专家对该改造设备进行现场负荷标定，改造后的克劳斯炉在80%、100%、110%及130%的装置负荷下运行平稳，各项工艺参数达到指标要求，产品质量合格，改造取得圆满成功。
七、结束语
经过技术改在，成功解决了六套联合装置12台克劳斯炉超温问题，节约了大量开工及运行成本，将技改成果应用在实际生产中，既保证了普光净化厂的年处理量，也确保了高含硫装置运行的平稳性，真正做到装置开工及运行期间事故率为“0”。
作者简介：李杨杨，1987年生，助理工程师，毕业于辽宁石油化工大学测控技术与仪器专业。主要研究方向：高含硫天然气净化、硫磺回收和尾气处理、在线分析仪表、DCS和SIS控制。