趙 凱

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司化工事業(yè)部，北京 100038)

液體硫磺儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙 凱

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司化工事業(yè)部，北京 100038)

介紹了液硫儲(chǔ)罐幾種腐蝕機(jī)理和防護(hù)措施；探討了儲(chǔ)罐加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；提出了儲(chǔ)罐平臺(tái)、盤(pán)梯設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

液硫儲(chǔ)罐； 防腐蝕； 加熱盤(pán)管； 盤(pán)梯

0 前言

目前，生產(chǎn)硫酸的主要方法有硫磺制酸、冶煉煙氣制酸和硫鐵礦制酸。對(duì)于硫磺制酸工藝流程，隨著產(chǎn)能要求的提升，需要裝置和設(shè)備的規(guī)模越做越大，液體硫磺的儲(chǔ)存就顯得非常重要。液體硫磺儲(chǔ)罐一般為大型立式圓筒型常壓儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)溫度在130～145 ℃之間，由于液體硫磺具有獨(dú)特的特性，決定了液硫儲(chǔ)罐非同一般大型儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)思路。規(guī)范合理的設(shè)計(jì)液硫儲(chǔ)罐是保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵和源頭。

1 液硫儲(chǔ)罐防腐蝕設(shè)計(jì)

1.1 腐蝕機(jī)理

液硫儲(chǔ)罐的內(nèi)部和外部有著不同的腐蝕工況，內(nèi)部主要是介質(zhì)產(chǎn)生的一系列反應(yīng)腐蝕，且內(nèi)部腐蝕是造成儲(chǔ)罐破壞的關(guān)鍵原因，外部主要是大氣與揮發(fā)物共同作用進(jìn)行的腐蝕。[1]

(1)高溫硫腐蝕

由于液硫儲(chǔ)罐的操作溫度在130～145 ℃之間，在液體硫磺與儲(chǔ)罐頂蓋之間區(qū)域，水蒸氣，硫蒸氣與鐵發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)，隨著溫度的不同，鐵被腐蝕的情況也不同，所以溫度控制是關(guān)鍵因素，100 ℃是個(gè)臨界點(diǎn)，如果高于此溫度，硫蒸氣與反應(yīng)生成的硫化亞鐵膜具有較好的保護(hù)性能，如果低于這個(gè)溫度，生成的硫鐵化合物無(wú)保護(hù)作用，根據(jù)這個(gè)原理來(lái)控制壁板溫度就是非常重要的。

(2)大氣腐蝕

液硫儲(chǔ)罐頂部一般設(shè)置通氣孔，防止負(fù)壓過(guò)大引起設(shè)備變形。由于與大氣直接相同，不可避免地產(chǎn)生大氣腐蝕，生成一定量的鐵銹，進(jìn)一步在H2S作用下生成FeS。硫蒸氣通過(guò)排氣孔排出，隨溫度下降后冷凝積聚在排氣孔周圍，慢慢滲入保溫層，如雨水進(jìn)入后就會(huì)發(fā)生腐蝕反應(yīng)，使頂蓋變薄。

(3)低溫濕硫化氫腐蝕

液硫儲(chǔ)罐內(nèi)的儲(chǔ)存溫度與輸送液體硫磺時(shí)的溫度存在一定的不同，如果經(jīng)過(guò)非常長(zhǎng)的距離輸送后，會(huì)向外界揮發(fā)產(chǎn)生一定的硫化氫，同時(shí)，在液硫中還夾帶有一定的水分，水分在輸送過(guò)程中會(huì)蒸發(fā)，當(dāng)罐頂、罐壁伴熱和保溫存在缺陷時(shí)，水蒸氣就會(huì)在稍低溫度處積聚，會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)水，從而造成有水分存在下的低溫硫化氫腐蝕。

1.2 防腐蝕措施的選擇

經(jīng)過(guò)以上腐蝕原因的分析，了解到溫度控制、與大氣隔離和壁面防腐保溫等是主要措施，在工程實(shí)踐中主要有以下幾種方法：

(1)氮封裝置

氮封裝置，即在設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐時(shí)，在儲(chǔ)罐頂部通氣孔處安裝安裝氮封裝置，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)，及氮?dú)獗攘蛘魵廨p，所以出口處氮?dú)飧≡诹蛘魵馍厦?，達(dá)到控制外排硫蒸氣的目的。特點(diǎn)是：安全系數(shù)高，有一定的局限性，生產(chǎn)成本高。

(2)防腐蝕襯里

在實(shí)際工程中，國(guó)內(nèi)外多采用防腐蝕內(nèi)襯保護(hù)層的方法，常見(jiàn)的防腐蝕涂層有：耐酸膠泥涂層、玻璃鱗片涂層和丁基橡膠涂層。特點(diǎn)是：成本低，安裝操作方便；涂層在氣液接觸部位容易老化脫落而腐蝕嚴(yán)重。

(3)噴涂防腐蝕涂料

經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)熱噴涂技術(shù)在液硫儲(chǔ)罐的實(shí)際運(yùn)用中有最好的防腐蝕效果，運(yùn)用最安全。常用的技術(shù)主要有熱鍍鋅工藝、熱噴涂鋅、鋁及其合金等工藝。特點(diǎn)是：投資較小，施工簡(jiǎn)單，減少罐內(nèi)硫化亞鐵的產(chǎn)生，避免發(fā)生自燃事故。

2 加熱與保溫設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)腐蝕原理的分析，發(fā)現(xiàn)溫度控制是至關(guān)重要的；與此同時(shí)，液體硫磺具有獨(dú)特的粘度特性，即當(dāng)溫度為120～158 ℃時(shí)，液硫的粘度最小，其流動(dòng)性能最好，故一般液硫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)，要確保液硫溫度在130～145 ℃范圍內(nèi)，避免硫磺在儲(chǔ)罐內(nèi)壁和放空管處凝固沉積。根據(jù)溫度控制的需要，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮在哪些部位設(shè)置測(cè)溫裝置，用來(lái)檢測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)不同區(qū)域的溫度，以便及時(shí)調(diào)節(jié)蒸氣用量。

前面提到，儲(chǔ)罐內(nèi)液硫溫度應(yīng)保持在130～145 ℃，首先，加熱盤(pán)管需浸沒(méi)安裝在液體硫磺內(nèi)部；其次，儲(chǔ)罐外壁貼襯保溫層，儲(chǔ)罐頂部設(shè)置保溫盤(pán)管，這樣加熱和保溫措施共同作用，能夠彌補(bǔ)從設(shè)備與外部熱交換損失的熱量，確保了溫度在可控制的范圍內(nèi)。[2]

2.1 傳熱面積的計(jì)算

儲(chǔ)罐內(nèi)加熱盤(pán)管內(nèi)介質(zhì)，多用0.4～0.5 MPa(絕壓)的飽和蒸汽，由于克服熱損失所需的傳熱面積要比熔硫部分小，一般采用傳熱面積理論計(jì)算公式如下：

F=QT/(3.6KΔtm)，m2

(1)

式中F—傳熱面積，m2；QT—設(shè)備散熱損失，kJ/h；K—傳熱系數(shù)，W/(m2·K)； Δtm—蒸汽和液硫的溫度差，K。

參數(shù)的確定：

(1)傳熱系數(shù)的確定：管內(nèi)蒸汽，管外熔融硫自然流動(dòng)時(shí)，K=110～200 W/(m2·K)。

(2)儲(chǔ)罐的散熱損失組成：設(shè)備內(nèi)部液體硫磺與氣相之間的傳熱，設(shè)備底部與外界土建之間的熱交換，大氣與設(shè)備外表面之間的熱交換。更多的時(shí)候我們還需考慮具體工程所處的當(dāng)?shù)貙?shí)際情況以及工藝配置因素的不同等。

通過(guò)以上分析，計(jì)算表面散熱是一項(xiàng)非常繁瑣的工程。在工程實(shí)踐中往往根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工程的應(yīng)用效果得出的數(shù)據(jù)，即傳熱面積與散熱面積的比值數(shù)據(jù)作為參數(shù)來(lái)確定傳熱面積。

在歷史的數(shù)據(jù)對(duì)比中，液硫儲(chǔ)槽所需傳熱面積一般為0.2～0.4 m2/m2(罐壁和頂蓋面積)或0.12～0.2 m2/m3(設(shè)備容積)就足夠了。然后根據(jù)計(jì)算出的傳熱面積，選擇適當(dāng)直徑的盤(pán)管。

2.2 罐內(nèi)加熱盤(pán)管的布置

一般情況下，設(shè)備底板不設(shè)置保溫層，底板損失熱量較大，這樣就要盡量地把加熱盤(pán)管布置在設(shè)備底板區(qū)域。在設(shè)備底板上每隔一段距離設(shè)置支架，把盤(pán)管用U型螺栓固定在支架上，均勻地布置盤(pán)管組，讓每組盤(pán)管進(jìn)出口伸出壁板后都連接到一根母管上，每根支管與母管間安裝調(diào)節(jié)閥單獨(dú)控制蒸氣流量，一旦有支管發(fā)生泄漏或其他故障，可以關(guān)掉閥門(mén)進(jìn)行屏蔽。

2.3 罐頂外部蒸氣盤(pán)管的布置

由于防止熱應(yīng)力影響，罐頂蒸氣盤(pán)管不能直接焊接在罐頂部，否則容易拉裂產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。一般的解決辦法是用尺寸稍大角鋼每隔一段距離蓋住盤(pán)管后焊接在頂蓋上，為了能夠更多的布置蒸氣盤(pán)管，在罐頂邊緣一進(jìn)一出蒸氣，然后向中心逐漸螺旋線形布置，可以根據(jù)制造和施工方便，可以把整組面積的盤(pán)管拆分為相同規(guī)格的機(jī)組，在工廠預(yù)制后，到現(xiàn)場(chǎng)直接安裝焊接。

3 平臺(tái)與盤(pán)梯設(shè)計(jì)

設(shè)備頂部設(shè)有多個(gè)工藝管道管口、儀表測(cè)口以及保溫用的蒸汽盤(pán)管設(shè)施，操作人員需到儲(chǔ)罐頂部進(jìn)行定期檢查，由于高溫操作，這樣安全措施必須做到充分無(wú)誤。

儲(chǔ)罐頂部平臺(tái)與護(hù)欄的設(shè)置要求。液硫儲(chǔ)罐的直徑一般較大，罐頂多采用自支撐固定頂?shù)那蛐晚斀Y(jié)構(gòu)，球頂坡度較大，所以必須設(shè)置到經(jīng)常檢查處的平臺(tái)，頂蓋上的護(hù)欄高度需根據(jù)球頂角度調(diào)整到至少滿足人員站在邊緣處高度的要求。

儲(chǔ)罐盤(pán)梯的設(shè)置。對(duì)于大型立式圓筒型鋼制儲(chǔ)罐，螺旋形盤(pán)梯的設(shè)計(jì)通常采用兩種形式。一種方法是盤(pán)梯焊接成整體一組，同時(shí)在罐壁上焊接一定數(shù)量支架，然后盤(pán)梯與支架相焊接。這種方法盤(pán)梯應(yīng)該設(shè)有內(nèi)、外側(cè)板，整個(gè)盤(pán)梯可以在工廠預(yù)制。另一種方法是螺旋形盤(pán)梯的每個(gè)踏步與罐壁直接焊接，踏步之間還需要有欄桿立柱互連，這樣才能形成一個(gè)整體。對(duì)于液硫儲(chǔ)罐，由于設(shè)備外壁溫度較高，熱膨脹是主要問(wèn)題，常用的解決辦法是在采用螺栓連接盤(pán)梯與罐壁，這樣第二種盤(pán)梯的設(shè)計(jì)是不適合應(yīng)用在液硫儲(chǔ)罐上的。此外，連接板應(yīng)與設(shè)備外壁完全焊接焊透，焊縫應(yīng)打磨光滑，以減少熱應(yīng)力的影響。對(duì)于小型儲(chǔ)罐，可以在設(shè)備旁設(shè)置土建的鋼梯來(lái)代替螺旋形盤(pán)梯。

4 結(jié)束語(yǔ)

液硫儲(chǔ)罐是硫磺制酸流程中的重要設(shè)備，數(shù)量多，危險(xiǎn)性高，設(shè)計(jì)階段應(yīng)全面考慮，正確選材，從源頭上精細(xì)設(shè)計(jì)，注重每個(gè)細(xì)節(jié)，這樣能夠延長(zhǎng)儲(chǔ)罐的使用壽命。

[1] 陳剛.大型液硫儲(chǔ)罐的內(nèi)壁防腐技術(shù)[J].河南化工，2012，29(2)：20-23.

[2] 黃崇順.800 kt/a硫磺制酸裝置液硫儲(chǔ)罐區(qū)及硫酸罐區(qū)設(shè)計(jì)探討[J].山東化工，2011，40(8)：61-64.

Key Points of Liquid Sulphur Storage Tank Design

ZHAO Kai

This paper introduces the mechanism and anti-corrosion technology of liquid sulphur storage tank, discusses the key points of the heating system for storage tank design, and some matters needed attention on platform and spiral ladder.

liquid sulphur storage tank； anti-corrosion； heating coils； spiral ladder

2015-01-26

趙凱(1980-)，男，遼寧臺(tái)安人，工程師，碩士研究生，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

TQ111.1

B

1003-8884(2015)02-0033-02