宋豐來

（中國石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島266071）

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硫磺回收裝置燒氨反應(yīng)爐的設(shè)計(jì)

宋豐來

（中國石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島266071）

反應(yīng)爐是硫磺回收裝置的核心設(shè)備，隨著煉油廠綜合煉油能力的提高，反應(yīng)爐也越來越多的面臨著燒氨的問題。本文分析了燒氨的反應(yīng)機(jī)理，介紹了燒氨反應(yīng)爐的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，給出了爐殼體材料、襯里材料的選取及襯里結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式。闡述了選擇性能優(yōu)良的燃燒器是燒氨反應(yīng)爐能否將氨徹底完全分解的關(guān)鍵。

硫磺回收裝置；反應(yīng)爐；燒氨；襯里；燃燒器

隨著煉油廠綜合煉油能力的提高，硫磺回收裝置也越來越多地面臨著氨氣的處理問題。現(xiàn)在煉廠大多采用的是將含氨酸性氣直接送入硫磺回收裝置的反應(yīng)爐，在生產(chǎn)硫磺的同時(shí)將汽提酸性氣中的氨氣完全焚燒掉。這種處理方式的優(yōu)點(diǎn)是投資少、設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用低，且使NOx排放指標(biāo)不大于100 mg/m3，既經(jīng)濟(jì)又滿足了環(huán)保的要求。

1　反應(yīng)爐內(nèi)的反應(yīng)機(jī)理

在反應(yīng)爐內(nèi)含氨酸性氣發(fā)生的化反應(yīng)大致歸結(jié)為以下五種主要反應(yīng)：

反應(yīng)式（3）氨氧化反應(yīng)在爐膛溫度大于1 200℃時(shí)，才開始發(fā)生，在氧氣充足的情況下，65%以上的氨氣被氧化，在1 300℃時(shí)氨的轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%。

2　燒氨反應(yīng)爐的設(shè)計(jì)關(guān)鍵

影響反應(yīng)爐的燒氨效果，總的說來主要取決于三個(gè)因素，即反應(yīng)溫度、混合程度和停留時(shí)間。其中反應(yīng)溫度是前提條件，如果溫度達(dá)不到，再長的停留時(shí)間和再強(qiáng)的混合也達(dá)不到理想的燒氨效果，在滿足燒氨溫度大于1 250℃的前提下，增加另兩個(gè)因素的任何一個(gè)都將有助于提高反應(yīng)爐的燒氨效果。此外，由于反應(yīng)爐燒嘴的火焰區(qū)域溫度很高，如果在燒嘴內(nèi)混合不均勻，就不能限制NH3與O2發(fā)生部分氧化反應(yīng)，反應(yīng)生成的是NO而不是N2，NO進(jìn)一步氧化生成NO2，在充滿SO2的氣氛中，NO2與SO2反應(yīng)生成SO3，從而成為H2SO4的來源，對設(shè)備有很強(qiáng)的腐蝕性。所以在反應(yīng)爐的設(shè)計(jì)和使用過程中，在保證爐膛溫度的同時(shí)，也必須使反應(yīng)爐內(nèi)的氣氛均勻。爐膛內(nèi)一般設(shè)置火墻來提高煙氣回流和混合完全的程度。

反應(yīng)爐內(nèi)過程氣的停留時(shí)間設(shè)計(jì)按 0.8～1.2 s考慮比較合理，停留時(shí)間過長不但使?fàn)t子投資增加，而且還可能發(fā)生可逆反應(yīng)。

對于爐膛反應(yīng)溫度，溫度越高，反應(yīng)更充分，分解NH3越徹底，但反應(yīng)溫度越高對設(shè)備殼體的材質(zhì)和襯里材料的要求就越高，也會影響爐子的長周期運(yùn)行，所以爐膛溫度一般不宜超過1 400℃，反應(yīng)爐在燒氨時(shí)爐膛溫度設(shè)計(jì)按1 100～1 400℃的范圍考慮比較理想。

含氨酸性氣必須在反應(yīng)爐內(nèi)完全分解掉，否則將會造成后續(xù)設(shè)備或管道的銨鹽結(jié)晶堵塞，影響裝置的正常運(yùn)行。

3　反應(yīng)爐殼體材料的選擇

過去有的反應(yīng)爐殼體材料為防止露點(diǎn)腐蝕設(shè)計(jì)選用ND鋼（09CrCuSb），但值得注意的是NH3與Cu離子能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氨的絡(luò)合物，降低殼體材料的強(qiáng)度，因此對于焚燒含氨酸性氣的反應(yīng)爐，殼體不能采用ND鋼。

盡管反應(yīng)爐爐膛的操作溫度在1 100～1 400℃的范圍內(nèi)，但爐體設(shè)有內(nèi)襯，殼體設(shè)計(jì)壁溫控制在170～300℃的范圍內(nèi)，不存在高溫硫腐蝕和露點(diǎn)溫度腐蝕的問題，為減少投資，殼體選用碳鋼材料（Q245R）即可。

4　襯里材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1襯里材料選擇

正常情況下，爐膛操作溫度在1 100～1 400℃的范圍內(nèi)，但在風(fēng)量控制不當(dāng)或氣量不穩(wěn)定時(shí)，爐膛溫度有可能達(dá)到1 600℃，因此襯里材料必須選取滿足此操作條件的耐火材料，而且還要求襯里材料具有穩(wěn)定的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的抗熱震穩(wěn)定性。

由于爐膛內(nèi)過程氣中含有H2S、SO2、少量的SO3等多種酸性腐蝕成分，為抵抗酸性氣腐蝕，不至于使襯里材料疏松、粉化，降低襯里材料的強(qiáng)度。須對襯里材料中的Fe2O3及堿性物質(zhì)的含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4.2爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)反應(yīng)爐爐襯的結(jié)構(gòu)大致有兩種，一種是“輕質(zhì)隔熱澆注料+高鋁質(zhì)可塑料（迎火面）”，這種結(jié)構(gòu)整體性好，具有良好的抗熱震穩(wěn)定性，而且投資低，施工簡便。但對施工和烘爐要求比較高，要求施工時(shí)保持連續(xù)性。另一種是“輕質(zhì)隔熱澆注料+剛玉質(zhì)耐火磚（迎火面）”，這種結(jié)構(gòu)具有良好的抗高溫和耐腐蝕性，但造價(jià)較高，磚結(jié)構(gòu)也受爐子直徑的限制，如果直徑較大，磚整體結(jié)構(gòu)的連接性降低，在較強(qiáng)的熱沖擊下上部耐火磚很容易脫落。

從過去筆者設(shè)計(jì)的多套反應(yīng)爐的運(yùn)行情況來看，爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用“輕質(zhì)隔熱澆注料+高鋁質(zhì)可塑料（迎火面）”這種結(jié)構(gòu)，未見襯里脫落現(xiàn)象，爐子運(yùn)行平穩(wěn)良好。兩種耐火材料的性能見表1。

表1　爐襯耐火材料的性能

襯里厚度的設(shè)計(jì)，需根據(jù)壁溫控制在170～300℃的范圍內(nèi)的要求進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，防止?fàn)t壁產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。

4.3花墻設(shè)計(jì)

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，花墻是反應(yīng)爐爐膛內(nèi)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，它不但受到高溫氣流的沖擊，也由于花墻前后的溫度不一致，會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，很容易倒塌。為使花墻能承受較大的外力沖擊，設(shè)計(jì)把花墻嵌入耐火襯里層內(nèi)，并在其兩側(cè)留10 mm寬的伸縮縫，花墻磚采用干砌。

5　燃燒器

燃燒器是反應(yīng)爐的核心部件，對于焚燒含氨酸性氣的反應(yīng)爐，能否將氨完全徹底地焚燒掉，主要取決于燃燒器的性能。對燃燒器的基本要求是火焰短、穩(wěn)定，且具有強(qiáng)力混合和攪拌功能。

此外，從爐子操作的安全角度考慮，燃燒器須配火焰檢測系統(tǒng)，火檢系統(tǒng)通常配兩套紫外火檢，若有一套火檢檢測到爐膛無火焰時(shí)報(bào)警，若兩套火檢均未檢測到無火焰時(shí)，則立刻連鎖切斷燃料氣源。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的燃燒器在燒氨方面還不過關(guān)，導(dǎo)致氨分解不完全，嚴(yán)重影響了下游設(shè)備的正常運(yùn)行，現(xiàn)在通常采用國外引進(jìn)的譬如荷蘭Duiker和加拿大AECOMETRIC公司的燃燒器就徹底解決了氨焚燒不完全的問題。

6　結(jié)語

在硫磺回收裝置中，作為核心設(shè)備的反應(yīng)爐，在滿足單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，還必須確保將酸性氣中的氨氣及烴類雜質(zhì)徹底焚燒掉，避免銨鹽對下游設(shè)備的堵塞。

爐膛溫度是燒氨的基本保證，只有在1 250℃以上時(shí)，才能將氨完全徹底地分解掉；其次是反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和燃燒器優(yōu)良的性能，既能保證達(dá)到完全分解氨的目的，又能加深爐內(nèi)目標(biāo)反應(yīng)的程度，降低NOx的排放，滿足環(huán)保的要求。

［1］中國石油化工總公司石油化工規(guī)劃院.煉油廠設(shè)備加熱爐設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國石化出版社，1986.

［2］中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司.煉油技術(shù)與工程［M］.北京：中國石化出版社，2008.

Design of Ammonia Burning Reaction Furnace for Sulfur Recovery Unit

SONG Fenglai
（East-China Design Branch of CPECC，Qingdao 266071，China）

The reaction furnace is the core equipment of sulfur recovery unit.As the improving of refinery integrated refining ability，reaction furnace is also facing the problem of ammonia burning.The reaction mechanism of ammonia combustion is analyzed，the key designs of ammonia burning reaction furnace are introduced，and the selection of furnace shell material，lining material and the design form of lining structure are given.It is presented that selecting ammonia burning burner with excellent performance is the key equipment for completely decomposition of ammonia.

sulfur recovery unit；reaction furnace；ammonia burning；lining；burner

TE963

B

1001-6988（2016）02-0033-02

2015-11-12；

2015-11-23

宋豐來（1966—），男，高級工程師，主要從事煉油廠加熱爐的設(shè)計(jì)工作.