九久公司纯氧法焚硫炉装置优化提升

刘纪中 , 程建军

(安阳化学工业集团有限责任公司 , 河南 安阳 455133)

安阳九久化学科技有限公司采用纯氧和硫黄反应生产二氧化硫,在装置建成投产后,经常会出现氧管烧坏、第一废热锅炉换热管泄漏等问题,严重影响装置的安稳长满优运行。通过增加温度检测、优化焚硫炉的氧管设计以及增加雷达液位仪表等措施,逐步消除了影响安全生产的瓶颈问题。

1 工艺流程

空分系统送来的纯氧在焚硫炉内与液体硫黄发生燃烧反应,由于反应放出大量的热,炉内温度急剧升高,焚硫炉燃烧区温度在1 000 ℃左右,反应放出的燃烧热通过对流和辐射方式被液体硫黄吸收,产生大量的硫黄蒸气,在焚硫炉出口,二氧化硫和硫黄蒸气温度下降至600 ℃左右。由于硫黄过量,氧气基本全部消耗完,离开焚硫炉的物料主要为硫黄和二氧化硫气体,经过一级废热锅炉后气体温度降至180 ℃左右,经过二级废热锅炉后气体温度降至130 ℃左右,同时副产部分蒸汽。一级废热锅炉放置在焚硫炉正上方,降温后的硫黄蒸气变成液体,在重力作用下又返回焚硫炉内,少量硫黄蒸气在二级废热锅炉中继续降温,含有液体硫黄的二氧化硫气体经一级、二级硫黄分离器后,液体硫黄由其下部排至熔硫池内,气体中微量的硫黄与三氧化硫反应生成二氧化硫。

三氧化硫制备:从二氧化硫气化罐送来的二氧化硫气体与氧气按8∶1的比例(体积比)混合,低温混合气体首先通过换热器与从三氧化硫转化器出来的高温气体换热,然后再进入电加热器继续升温至420 ℃以上;从三氧化硫转化器底部进入第一层催化剂,二氧化硫与氧气发生反应生成三氧化硫,气体温度升至500 ℃;经低温二氧化硫气体冷却降温至440 ℃左右,再进入二层催化剂继续反应;经过二次反应后的高温气体与低温的原料气换热降温至150 ℃,与焚硫炉系统送来的含有微量单质硫黄的二氧化硫气体混合;经过硫黄氧化器的分布器进入发烟硫酸液面以下,进行鼓泡反应后溢出,在发烟硫酸的催化作用下三氧化硫与单质硫反应生成二氧化硫气体。气体从其顶部离开后再经过两次浓硫酸洗涤,吸收炉气中过剩的三氧化硫气体和水分,净化洗涤干净的二氧化硫气体经过氟冰机冷凝器冷却后,制得低温液态二氧化硫产品,进入产品储槽。

2 存在问题及原因分析

2.1 存在问题

公司生产装置2015年建成投产,但是在纯氧和液体硫黄生产液体二氧化硫的过程中,暴露出的问题如下:①焚硫炉氧管经常烧坏。纯氧焚硫炉氧管在每次停车检查时,均发现氧管被烧坏,更为严重的是2018年还发生了一次进焚硫炉氧管全部被烧掉的严重事故。②第一废热锅炉列管经常泄漏。在正常生产过程中,多次发现二氧化硫气体中水分含量严重超标的情况,在停车检查时,发现第一废热锅炉部分换热管出现泄漏。

2.2 原因分析

2.2.1焚硫炉氧管烧坏

在装置正常生产时,纯氧焚硫炉的氧气管线是浸没在液体硫黄下面,其温度≤500 ℃,304不锈钢管线完全能满足使用要求。氧管被烧坏可能发生在以下两个阶段:①在焚硫炉点火之后,硫黄液位不断升高,炉内温度不断升高,氧气管线内的纯氧直接引燃温度>1 000 ℃的304不锈钢管线。根据操作规程,当气相温度达到120 ℃时,往焚硫炉送氧开始生产,液体硫黄液位逐步升高并淹没氧管,期间焚硫炉出口温度经历了一个由低到高、再由高到低的过程。正常生产时根据焚硫炉出口气体温度来判定是否需要添加液体硫黄,当焚硫炉出口温度达到500 ℃时,停止加液体硫黄,当温度升至600 ℃时开始添加液体硫黄。焚硫炉内设有上、下隔墙。从氧气进口至气体出口,下隔墙和上隔墙交错布置,高温气体以S型依次通过每一道隔墙,主要是让高温气体和低温气体充分混合。由于焚硫炉内设有隔墙,为防止出现液封,焚硫炉最高液位不能超过焚硫炉内径的50%。焚硫炉出口气体温度主要受液体硫黄的蒸发面积影响,液位越高,蒸发面积越大,传热距离越小,传热量越大,液体硫黄气化量越大,混合气的温度越低;反之混合气体温度越高。②当装置接正常停车通知后,需提前12 h停止向焚硫炉进液体硫黄,此时硫黄液位逐渐降低,炉内温度逐渐升高,当液体硫黄液面接近氧管位置时,高温气体很可能引燃不锈钢管线,不锈钢管线内的纯氧会加速燃烧掉整个不锈钢管线。2018年发生的焚硫炉外面的氧气管线烧坏事故,经分析可能是氧气管线外的冷却水夹套缺水所致。

2.2.2第一废热锅炉换热管内漏

正常生产时,焚硫炉内液体硫黄大量过剩,氧气与硫黄反应放出的热量大部分被液体硫黄吸收气化为蒸汽,焚硫炉进第一废热锅炉时的气体温度约600 ℃,当焚硫炉内液体硫黄含量不足时,液体硫黄气化量下降,进入第一废热锅炉的气体温度会大幅度升高,废热锅炉换热管在高温热应力作用下使换热管泄漏。废热锅炉蒸汽压力远大于焚硫炉气体压力,泄漏的蒸汽进入二氧化硫气体中,如果发现不及时,水蒸气和二氧化硫在低温处会形成亚硫酸腐蚀设备和管线。公司焚硫炉设备检测时发现局部减薄严重,最薄处只有4.2 mm,远低于设计硫黄厚度16 mm。

3 优化措施

3.1 炉内硫黄液位检测改造方案

在焚硫炉的运行过程中,检测炉内液体硫黄液位的高低是关键。根据设计和操作法要求,该装置投运初期主要根据炉温来判断液位是否正常,当进第一废热锅炉前的炉温达到600 ℃时开始向焚硫炉内加液体硫黄,当炉温降至500 ℃停止加液体硫黄。正常生产时,基本能保证二氧化硫系统正常运行,但是当出现异常情况时,就很难对焚硫炉内部液位做出准确判断。在行业内,焚硫炉炉气温度高,二氧化硫泄漏后危害大,纯氧法生产二氧化硫装置的焚硫炉液体硫黄液位测量难度很大。为此,考虑采用间接的方法测量液位,就是增加温度检测仪表间接检测焚硫炉液位的高低。

正常生产时,焚硫炉内液体硫黄温度在460～470 ℃,而硫黄蒸气和炉气温度基本一样,在600 ℃左右,液体硫黄和硫黄蒸气温度相差较大,可以采用一组均匀分布的热电偶,根据测量的温度数据来辅助判定焚硫炉液位大致高度。

选取靠近焚硫炉气体出口旁边的温度计e4法兰口作为温度仪表增加的位置。选取这个位置原因:①远离高温燃烧区,温度套管不易被烧坏,能大大延长套管使用寿命,而且硫黄液面相对平稳,波动小,便于气液分界面的温度检测;②该位置处于炉气流动通道上,测温灵敏,能够真实反映温度高低;③对于高温场合,特别是套管比较长的测温点,一般选择垂直安装,这样套管不易弯曲,便于今后检修;④该位置离焚硫炉内一组加强筋最近,只有300 mm,便于温度套管固定。

实施过程:把原来的温度计套管和铠装热电偶拆除,利用该温度检测法兰口重新制作一支较长的温度套管,套管材质和原来一样,为DN40的S31008耐热不锈钢。依据焚硫炉设备设计图纸,焚硫炉的内径为4 m,保温层厚度为0.4 m,温度计法兰口到焚硫炉金属壁为0.2 m,这样新温度套管的插入深度为4.6 m。为防止套管在高温及炉气冲击下产生弯曲变形,影响日后检修,因此需要对套管进行固定。由于套管紧靠加强筋,在加强筋上焊接支撑架,用半圆形管夹把温度套管固定在加强筋上,每间隔1 m加一个支撑。

根据氧管高度和操作经验,为更好地判断焚硫炉内液体硫黄高度,以焚硫炉e4温度计的尾端(即焚硫炉的底部)为基准,到焚硫炉的垂直中间位置是2 m,均匀分布10个测温点,其间隔为0.2 m,另外需恢复原来的温度检测点,其插入深度1.2 m,这样一共11支K型铠装热电偶,并通过带屏蔽多芯K型补偿导线引至中控室DCS系统进行显示和监测,帮助工艺操作人员判断液体硫黄液位高度,改造后焚硫炉图见图1。

1.加强筋 2.温度套管 3.固定卡 4.固定支撑图1 改造后焚硫炉设备结构图

方案实施后,液面温度差别没有想象的那么明显,该方法不能给工艺人员提供可靠的液位参考数据,液体硫黄液位检测方案需进一步优化。

3.2 高温雷达液位计安装改造

通过查找资料发现德国VEGA公司生产的PULS68高温型雷达仪表性能可以满足焚硫炉液位检测,其使用温度可以达到450 ℃,采用陶瓷型天线提高了耐高温能力,通过延长喇叭口天线长度进一步降低了高温对其影响。

在焚硫炉上部靠近封头和炉气出口有一个DN100备用法兰口,可利用该法兰口安装一个高温雷达液位计。在法兰口上安装一台同口径闸板阀,主要目的是解决高温雷达液位计出现故障或泄漏情况后能及时与焚硫炉隔离,为液位计检修和事故处理提供方便。在一根长度为1 m的Φ108 mm×4 mm碳钢管外套上一根Φ159 mm×4.5 mm碳钢管,两端用150 mm×108 mm×4.5 mm钢板进行封堵,形成一个水夹套,用法兰与闸板阀连接;高温雷达液位计安装在水夹套上面,也通过法兰与水夹套连接,水夹套的作用是降低硫黄蒸气温度;水夹套与散热器相连,水夹套上部出口与散热器上部进口相连,水夹套下部进口与散热器下部出口相连,脱盐水在水夹套和散热器之间依靠液体密度差自循环,低温水从散热器进入水夹套吸收热量,密度变小,热水向上流动,最终从水夹套顶部进入散热器,高温水在散热器内向外界散发热量,水温下降,水的密度增大,高密度的水向下流动,再进入水夹套内循环流动。脱盐水管线为Φ32 mm×3.5 mm,中间加装有闸板阀、法兰连接。水夹套、散热器、以及脱盐水管线和相应阀门组成一个自循环冷却降温装置,其中散热器换热面积为1 m2,可以满足换热需要。

因为硫黄低于114 ℃就会开始凝固,为防止硫黄凝固,影响雷达液位计的正常测量,需要控制夹套温度在125 ℃以上。根据水蒸气的饱和蒸汽压,需要控制夹套的压力在0.2～0.5 MPa内,因此需要在夹套的出口到散热器的入口间增加就地压力表和双金属温度计,通过调整阀门开度,保证夹套温度在150～160 ℃。为防止系统超压在散热器上部安装一个DN20的安全阀,设定压力为0.6 MPa。在水夹套底部安装一个DN20的补水阀。系统投运前,通过该阀向系统补水。改造图见图2。

1.闸阀 2.夹套管 3.高温雷达仪表 4.散热器 5.夹套入口阀 6.夹套出口阀 7.散热器出口阀 8.散热器入口阀 9.压力表 10.温度计 11.安全阀 12.补水阀图2 改造后焚硫炉

实施后,高温雷达液位计运行稳定可靠,测量准确,为工艺提供了直观的监测数据,稳定了焚硫炉的工艺操作。

3.3 去除氧管

原设计焚硫炉内的氧管比较长,开停车时液体硫黄与氧管接近或接触造成氧管烧坏。为解决这个问题,首先把焚硫炉内的氧管去除,其次为防止连接焚硫炉的氧气管线被烧坏,在连接焚硫炉的Φ133 mm×4 mm的不锈钢氧气管线里面套上一段Φ108 mm×4.5 mm的刚玉套管,其长度超过氧气管口200 mm,不锈钢管线和刚玉套管之间的环隙用氧化铝耐高温材料填实,彻底解决了纯氧与不锈钢管线直接接触引起氧气管线被烧坏的问题。

原设计在焚烧炉外的氧管进口位置设有水夹套,目的是利用水的汽化热来降低氧气管线的温度,使其达不到着火点,避免氧气管线被烧坏。计划停炉时,操作工根据停车方案首先停止接收液体硫黄,焚硫炉内液位开始下降,如果液位下降至氧气管线下方,而且焚硫炉内压力较高,在停止接收氧气的时候,硫黄蒸气会倒流进入氧气管线内,与管道内的氧气发生燃烧反应,把氧气管线中的氧气消耗掉,如果燃烧温度过高有可能引燃氧气管线。为防止这种情况的发生,将氧气管线入口用于降温的水夹套长度由500 mm延长至2 000 mm,这样即使出现硫黄蒸气倒流情况,由于夹套降温作用,燃烧的液体硫黄也不会烧坏氧气管线。改造图见图3。

注:1.氧管 2.夹套冷却 3.刚玉管图3 去除氧管改造图

4 结语

高温雷达液位计解决了焚硫炉液位检测难题,刚玉套管解决可燃物不锈钢与助燃物纯氧接触燃烧的技术难题,延长氧气管线上的水夹套长度,降低了不锈钢管线的温度,解决了硫黄气体在氧气管线中燃烧引燃不锈钢管线问题,这些措施不仅解决了安阳九久科技公司液体二氧化硫装置的安全生产难题,也为同行的安全生产提供了借鉴。