论文部分内容阅读
摘 要：针对硫磺回收装置主燃烧炉高温、多种腐蚀介质的特点，开发出了一种内砌外浇衬里结构，提出了衬里结构的设计、计算方法，材料性能及施工要求。并通过多套硫磺回收装置的应用，以证明内砌外浇衬里结构的应用效果。
关键词：硫磺回收装置 主燃烧炉 内砌外浇衬里结构 一、前言
随着天然气处理量的增大，酸性气的处理量也越来越大，硫磺回收装置作为环保装置日益受到重视，且规模不断增大。硫磺回收主要是将酸性气（主要成分H2S，属中度危害介质）转换成单质硫，使排放的废气达到环保要求，并生产硫磺产品。主燃烧炉作为硫磺回收装置的核心设备，主要是将酸性气与一定比例的空气在炉膛内进行高温燃烧反应，使酸性气中H2S转化成SO2等气体，达到后续工艺要求。
主燃烧炉由于燃烧反应，放出大量热量，炉膛温度较高，且炉内存在H2S、 SO2、SO3等多种腐蚀性介质。这就对主燃烧炉衬里设计提出很高要求，而衬里材料及结构的好坏是决定硫磺回收装置能否正常运行的先决条件。迎火面采用刚玉莫来石大砖，隔热层及耐热层采用浇注料的内砌外浇衬里结构是经过多年实践经验而摸索出来的成功设计，本文论述了某石化公司硫磺回收装置扩能改造硫回收单元主燃烧炉衬里的计算、材料及结构的选择。
二、设计条件及设备结构简图
1.操作条件
2.设计条件
三、炉体壁温的确定
在主燃烧炉中进行的克劳斯反应属于可逆的平衡反应，在装置的全部流程中一直都存在H2S、SO2和H2O，当氧气过量时，甚至还会有SO3产生。因此，炉子的壁温设计必须保证在任何环境条件下均高于H2S、SO2、SO3露点温度，避免产生露点腐蚀。由于冬、夏两季环境气温的变化，炉体壁温略有改变。炉体壁温控制在150～250℃最为合适。
四、炉体壁温计算
1.计算参数
2.衬里厚度的选择
3.计算结果
4.计算结果分析
由于耐火材料在高温下的导热系数难以取得准确，加上LQ-800-图5是按环境温度Ta=20℃，无风条件下绘制的及读图的误差，使得层间温度、壁温与现场实测值有一定误差。该设备投用后，现场实测：炉壁侧面壁温165℃，炉顶壁温188℃，炉底壁温152℃，均高于150℃，符合设计要求。
五、炉衬材料、结构
1.主燃烧炉的操作特点
1.1炉膛温度较高：正常工作温度为1100～1350℃，最高可达1450℃，事故状态时可达1600℃，甚至更高；
1.2炉膛内存在H2O以及H2S、SO2、SO3等多种腐蚀性组分，且上游装置来的酸性气浓度及流量波动较大；主燃烧炉炉膛内部没有取热面，炉子燃烧情况的任何一次波动对炉衬而言都是一次热冲击。因此，炉衬必须具有良好的热震稳定性；壁温变化应比较小，因此要求炉衬材料有较稳定的导热系数。
2.新型内砌外浇炉衬结构
为了解决主燃烧炉炉衬在正常操作温度下，甚至超温的恶劣工况下，炉衬不烧坏、坍塌。我们对材料的性能、结构形式以及施工方法等进行了一系列的实验研究工作；对材料性能成分进行分析和适应性调整；要求炉衬材料耐高温，热震稳定性好，导热系数小，线膨胀系数低，耐酸性气侵蚀好等优点。在结构研研究出了内砌外浇形式，迎火面耐火砖采用四周带榫槽的大砖结构；提高其耐高温和耐酸性侵蚀的性能，满足高温下具有足够的强度；保证结构的整体稳定性。主燃烧炉新型内砌外浇炉衬结构分三层：第一层迎火层（耐火层），采用特制刚玉莫来石大砖；第二层隔热耐火层，采用耐温较好的中轻质隔热耐火浇注料；第三层隔热层，采用导热系数低的轻质隔热浇注料。
其结构特点：
2.1采用带榫槽的大砖结构，减少迎火层的砖缝数量，减少高温下耐火砖变形引起的砖缝累积；可根据炉径及施工人孔的大小调整砖的大小，砖越大，砖缝越少，一般要求每块砖的单重不低于30kg。
2.2带榫槽的大砖结构牢固结实。迎火面采用带榫槽的大砖结构，每环的每一块之间都互相插接，形成一个整体，环与环之间也互相插接，每环砖之间砖缝互相错开，没有直缝；整个迎火层炉砖形成一个整体，相互约束；不会产生局部坍塌现象，该结构经过实践证明效果很好。
2.3带榫槽的大砖结构由于砖与砖之间无直缝，榫槽之间涂有特制耐高温、抗腐蚀的胶泥；减少高温气体串入炉壳体造成腐蚀，同时高温下胶泥将各砖粘接为一个整体，能有效的延长炉子的使用寿命。
2.4迎火层采用带榫槽的大砖结构，靠自身的高温强度有效的起到耐火隔热的作用，保护了耐热层和隔热层内的保温钉，同时降低了保温钉的造价和用量，更加经济合理。
2.5内砌外浇结构形式具有施工方便快速特点。先进行隔热层的施工，隔热层施工时采用在铆固钉空隙挂模具后浇注，凝固后表面保持有麻面，再进行迎火层的施工，迎火层的大砖对耐热层的施工起到模具的作用，可很方便的施工耐热层，且节省了制模的时间及费用，而迎火层与耐热层之间又形成紧固作用，炉子衬里具有较好的稳定性。
2.6刚玉莫来石大砖采用钢模制作，可以将耐火砖的制造误差控制在1mm内，成型时采用震动加压成型，既保证了砖的外形又保证了砖的密度，有效的降低耐火砖的气孔率。
2.7迎火层及耐热层轴向须设置膨胀缝，膨胀缝的数量须通过传热计算，位置避开设备开口，膨胀缝宽度一般为15mm左右，膨胀缝内塞陶纤纸，其迎火面须抹10mm深的高温耐火胶泥，两层膨胀缝须错开150mm以上。
2.8采用内砌外浇结构，迎火层是具有较好热震稳定性的刚玉莫来石砖，烘炉时间可以缩短到10天左右，施工时间可在10天内完成，一般一台炉在20天内即可完成投入正常运行。
2.9该结构经济、合理、先进，与先前的小砖结构，全浇注结构相比，一次性投入基本相当，使用寿命延长了5～8年。 2.10该结构适用于不同规模的硫磺回收装置的主燃烧炉的炉衬设计和旧炉改造。
3.炉体衬里主要技术要求
3.1本设备炉体衬里所用材料应符合设计文件规定和生产厂家的技术条件。
3.2衬里施工应符合SH/T3115-2000《石油化工管式炉轻质浇注料衬里工程技术条件》、GB50211-2004《工业炉砌筑工程施工及验收规范》、SH3534-2001《石油化工筑炉工程施工及验收规范》及施工单位的施工说明，按Ⅰ类砌体要求。
4.设计、施工过程中其它注意事项
4.1由于在检修中需进入炉膛检查衬里使用情况和后续设备余热锅炉前端管板使用情况，需在炉体上设置人孔，由于人孔颈部衬里较薄，人孔砖选用容重较轻、导热系数较小的氧化铝空心球砖衬，外用高铝硅酸铝陶瓷纤维填塞，经实测人孔处壁温250℃，满足炉体壁温按300℃设计要求。
4.2为了使酸性气燃烧的更加充分，提高加热炉的热效率，某石化公司硫磺回收装置的主燃烧炉的炉内花墙由常规的一道改为两道。
4.3烘炉时用户应严格按照设计提供的烘炉曲线进行升温、保温及降温，由于在低温区用燃气烘炉会出现温度难以控制和热量分布不均的现象，建议在烘炉低温段采用电烘，且由设计人员及衬里施工技术人员现场指导。烘炉后，由设计单位、施工单位及用户组成检查组进行联检，共同确认后，方可投用。
六、结论
主燃烧炉炉衬的设计关键是确定合理的炉体壁温及选择燃烧炉专用衬里材料、结构。
1.炉体壁温按150℃～250℃设计，即可避免炉体H2S、SO2、SO3露点腐蚀问题，又可满足一般炉体材质要求。
2.炉体衬里选用内砌外浇的结构形式，在设计中规定各层衬里材料的性能指标和结构要求，以保证炉衬在高温下具有足够的强度和耐酸性气侵蚀能力。
七、存在的问题
1.由于主燃烧炉内含有一定的还原性气体，在选择耐火、隔热材料时应控制硅的含量，防止衬里材料被侵蚀产生空穴。因此，迎火层刚玉莫来石砖应控制SiO2的含量，膨胀缝内填塞含锆耐火陶纤材料改为填塞氧化铝空心球浇注料，表面涂抹10mm深高温耐火胶泥。
2.炉体衬里使用性能的好坏与衬里材料的质量、施工单位的技术水平和使用单位的操作水平有很大关系。因此，材料选购时必须选用材料性能好、技术水平较高的炉体衬里厂家，炉衬施工应选用施工水平较高、经验较丰富、责任心较强的施工单位，用户使用时应精心操作，避免炉膛温度急剧波动和超温。
作者简介：宋久芳（1963-），女，高级工程师，主要从事压力容器和压力管道设计和研究工作。
关键词：硫磺回收装置 主燃烧炉 内砌外浇衬里结构 一、前言
随着天然气处理量的增大，酸性气的处理量也越来越大，硫磺回收装置作为环保装置日益受到重视，且规模不断增大。硫磺回收主要是将酸性气（主要成分H2S，属中度危害介质）转换成单质硫，使排放的废气达到环保要求，并生产硫磺产品。主燃烧炉作为硫磺回收装置的核心设备，主要是将酸性气与一定比例的空气在炉膛内进行高温燃烧反应，使酸性气中H2S转化成SO2等气体，达到后续工艺要求。
主燃烧炉由于燃烧反应，放出大量热量，炉膛温度较高，且炉内存在H2S、 SO2、SO3等多种腐蚀性介质。这就对主燃烧炉衬里设计提出很高要求，而衬里材料及结构的好坏是决定硫磺回收装置能否正常运行的先决条件。迎火面采用刚玉莫来石大砖，隔热层及耐热层采用浇注料的内砌外浇衬里结构是经过多年实践经验而摸索出来的成功设计，本文论述了某石化公司硫磺回收装置扩能改造硫回收单元主燃烧炉衬里的计算、材料及结构的选择。
二、设计条件及设备结构简图
1.操作条件
2.设计条件
三、炉体壁温的确定
在主燃烧炉中进行的克劳斯反应属于可逆的平衡反应，在装置的全部流程中一直都存在H2S、SO2和H2O，当氧气过量时，甚至还会有SO3产生。因此，炉子的壁温设计必须保证在任何环境条件下均高于H2S、SO2、SO3露点温度，避免产生露点腐蚀。由于冬、夏两季环境气温的变化，炉体壁温略有改变。炉体壁温控制在150～250℃最为合适。
四、炉体壁温计算
1.计算参数
2.衬里厚度的选择
3.计算结果
4.计算结果分析
由于耐火材料在高温下的导热系数难以取得准确，加上LQ-800-图5是按环境温度Ta=20℃，无风条件下绘制的及读图的误差，使得层间温度、壁温与现场实测值有一定误差。该设备投用后，现场实测：炉壁侧面壁温165℃，炉顶壁温188℃，炉底壁温152℃，均高于150℃，符合设计要求。
五、炉衬材料、结构
1.主燃烧炉的操作特点
1.1炉膛温度较高：正常工作温度为1100～1350℃，最高可达1450℃，事故状态时可达1600℃，甚至更高；
1.2炉膛内存在H2O以及H2S、SO2、SO3等多种腐蚀性组分，且上游装置来的酸性气浓度及流量波动较大；主燃烧炉炉膛内部没有取热面，炉子燃烧情况的任何一次波动对炉衬而言都是一次热冲击。因此，炉衬必须具有良好的热震稳定性；壁温变化应比较小，因此要求炉衬材料有较稳定的导热系数。
2.新型内砌外浇炉衬结构
为了解决主燃烧炉炉衬在正常操作温度下，甚至超温的恶劣工况下，炉衬不烧坏、坍塌。我们对材料的性能、结构形式以及施工方法等进行了一系列的实验研究工作；对材料性能成分进行分析和适应性调整；要求炉衬材料耐高温，热震稳定性好，导热系数小，线膨胀系数低，耐酸性气侵蚀好等优点。在结构研研究出了内砌外浇形式，迎火面耐火砖采用四周带榫槽的大砖结构；提高其耐高温和耐酸性侵蚀的性能，满足高温下具有足够的强度；保证结构的整体稳定性。主燃烧炉新型内砌外浇炉衬结构分三层：第一层迎火层（耐火层），采用特制刚玉莫来石大砖；第二层隔热耐火层，采用耐温较好的中轻质隔热耐火浇注料；第三层隔热层，采用导热系数低的轻质隔热浇注料。
其结构特点：
2.1采用带榫槽的大砖结构，减少迎火层的砖缝数量，减少高温下耐火砖变形引起的砖缝累积；可根据炉径及施工人孔的大小调整砖的大小，砖越大，砖缝越少，一般要求每块砖的单重不低于30kg。
2.2带榫槽的大砖结构牢固结实。迎火面采用带榫槽的大砖结构，每环的每一块之间都互相插接，形成一个整体，环与环之间也互相插接，每环砖之间砖缝互相错开，没有直缝；整个迎火层炉砖形成一个整体，相互约束；不会产生局部坍塌现象，该结构经过实践证明效果很好。
2.3带榫槽的大砖结构由于砖与砖之间无直缝，榫槽之间涂有特制耐高温、抗腐蚀的胶泥；减少高温气体串入炉壳体造成腐蚀，同时高温下胶泥将各砖粘接为一个整体，能有效的延长炉子的使用寿命。
2.4迎火层采用带榫槽的大砖结构，靠自身的高温强度有效的起到耐火隔热的作用，保护了耐热层和隔热层内的保温钉，同时降低了保温钉的造价和用量，更加经济合理。
2.5内砌外浇结构形式具有施工方便快速特点。先进行隔热层的施工，隔热层施工时采用在铆固钉空隙挂模具后浇注，凝固后表面保持有麻面，再进行迎火层的施工，迎火层的大砖对耐热层的施工起到模具的作用，可很方便的施工耐热层，且节省了制模的时间及费用，而迎火层与耐热层之间又形成紧固作用，炉子衬里具有较好的稳定性。
2.6刚玉莫来石大砖采用钢模制作，可以将耐火砖的制造误差控制在1mm内，成型时采用震动加压成型，既保证了砖的外形又保证了砖的密度，有效的降低耐火砖的气孔率。
2.7迎火层及耐热层轴向须设置膨胀缝，膨胀缝的数量须通过传热计算，位置避开设备开口，膨胀缝宽度一般为15mm左右，膨胀缝内塞陶纤纸，其迎火面须抹10mm深的高温耐火胶泥，两层膨胀缝须错开150mm以上。
2.8采用内砌外浇结构，迎火层是具有较好热震稳定性的刚玉莫来石砖，烘炉时间可以缩短到10天左右，施工时间可在10天内完成，一般一台炉在20天内即可完成投入正常运行。
2.9该结构经济、合理、先进，与先前的小砖结构，全浇注结构相比，一次性投入基本相当，使用寿命延长了5～8年。 2.10该结构适用于不同规模的硫磺回收装置的主燃烧炉的炉衬设计和旧炉改造。
3.炉体衬里主要技术要求
3.1本设备炉体衬里所用材料应符合设计文件规定和生产厂家的技术条件。
3.2衬里施工应符合SH/T3115-2000《石油化工管式炉轻质浇注料衬里工程技术条件》、GB50211-2004《工业炉砌筑工程施工及验收规范》、SH3534-2001《石油化工筑炉工程施工及验收规范》及施工单位的施工说明，按Ⅰ类砌体要求。
4.设计、施工过程中其它注意事项
4.1由于在检修中需进入炉膛检查衬里使用情况和后续设备余热锅炉前端管板使用情况，需在炉体上设置人孔，由于人孔颈部衬里较薄，人孔砖选用容重较轻、导热系数较小的氧化铝空心球砖衬，外用高铝硅酸铝陶瓷纤维填塞，经实测人孔处壁温250℃，满足炉体壁温按300℃设计要求。
4.2为了使酸性气燃烧的更加充分，提高加热炉的热效率，某石化公司硫磺回收装置的主燃烧炉的炉内花墙由常规的一道改为两道。
4.3烘炉时用户应严格按照设计提供的烘炉曲线进行升温、保温及降温，由于在低温区用燃气烘炉会出现温度难以控制和热量分布不均的现象，建议在烘炉低温段采用电烘，且由设计人员及衬里施工技术人员现场指导。烘炉后，由设计单位、施工单位及用户组成检查组进行联检，共同确认后，方可投用。
六、结论
主燃烧炉炉衬的设计关键是确定合理的炉体壁温及选择燃烧炉专用衬里材料、结构。
1.炉体壁温按150℃～250℃设计，即可避免炉体H2S、SO2、SO3露点腐蚀问题，又可满足一般炉体材质要求。
2.炉体衬里选用内砌外浇的结构形式，在设计中规定各层衬里材料的性能指标和结构要求，以保证炉衬在高温下具有足够的强度和耐酸性气侵蚀能力。
七、存在的问题
1.由于主燃烧炉内含有一定的还原性气体，在选择耐火、隔热材料时应控制硅的含量，防止衬里材料被侵蚀产生空穴。因此，迎火层刚玉莫来石砖应控制SiO2的含量，膨胀缝内填塞含锆耐火陶纤材料改为填塞氧化铝空心球浇注料，表面涂抹10mm深高温耐火胶泥。
2.炉体衬里使用性能的好坏与衬里材料的质量、施工单位的技术水平和使用单位的操作水平有很大关系。因此，材料选购时必须选用材料性能好、技术水平较高的炉体衬里厂家，炉衬施工应选用施工水平较高、经验较丰富、责任心较强的施工单位，用户使用时应精心操作，避免炉膛温度急剧波动和超温。
作者简介：宋久芳（1963-），女，高级工程师，主要从事压力容器和压力管道设计和研究工作。