武俊瑞，王 斌，魏振軍

(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014010)

硫磺回收裝置余熱鍋爐泄漏原因分析及整改措施

武俊瑞，王 斌，魏振軍

(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014010)

介紹了硫磺回收裝置工藝流程及運(yùn)行情況，對(duì)其余熱鍋爐的運(yùn)行條件和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述。分析了余熱鍋爐前管板與換熱管焊縫處腐蝕泄漏的原因，并提出了相應(yīng)的整改措施，要從源頭上把控好鍋爐制造安裝質(zhì)量。改造后，鍋爐運(yùn)行周期增加了1倍，不僅提高了鍋爐的使用壽命，延長(zhǎng)了檢修周期，而且為以后硫磺回收余熱鍋爐的檢修維護(hù)工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，保證裝置的安全、長(zhǎng)期、平穩(wěn)運(yùn)行。

硫磺回收 余熱鍋爐 管板泄漏 腐蝕 原因 整改

隨著煤化工技術(shù)的成熟和快速發(fā)展，煤炭正以新型的能源方式進(jìn)入人們的視線，煤制烯烴、煤制氣、煤制油等世界先進(jìn)的煤炭深加工技術(shù)正在悄然改變著人們對(duì)煤炭固有的認(rèn)知。煤炭可以作為新能源儲(chǔ)備，減少了國(guó)家出現(xiàn)資源短缺的隱患，同時(shí)優(yōu)化了國(guó)內(nèi)自身資源的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)家自主調(diào)控能源的戰(zhàn)略目標(biāo)。但煤化工行業(yè)的發(fā)展會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。伴隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益重視，同時(shí)隨著《環(huán)境保護(hù)法》的實(shí)施，國(guó)家對(duì)企業(yè)排放的各類環(huán)境污染廢氣的指標(biāo)也日趨嚴(yán)格。而硫磺回收作為煤化工企業(yè)的環(huán)保裝置，不僅保證了企業(yè)排放的廢氣能夠達(dá)到國(guó)家規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且大大減少了企業(yè)對(duì)環(huán)境帶來(lái)的影響。因此硫磺回收裝置的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行情況對(duì)企業(yè)的正常生產(chǎn)變得尤為重要。而硫磺回收裝置的余熱鍋爐作為一臺(tái)高溫高壓的換熱設(shè)備，十分關(guān)鍵，其運(yùn)行情況直接影響裝置的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 硫磺回收裝置簡(jiǎn)介

1.1 主裝置

某公司的煤制甲醇項(xiàng)目采用水煤漿氣化、低溫甲醇洗和低壓甲醇合成技術(shù)。硫磺回收是系統(tǒng)的環(huán)保配套裝置，主要處理來(lái)自上游低溫甲醇洗單元來(lái)的酸性氣、變換單元來(lái)的尾氣及氣化裝置閃蒸氣。本裝置采用的是山東三維石化股份有限公司的SSR 工藝技術(shù)。硫磺產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力為22 kt/a，裝置設(shè)計(jì)的操作彈性為30%～110%，總硫轉(zhuǎn)化率為99.9%，裝置凈化后的排放廢氣符合國(guó)標(biāo)GB 16297—1996《大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.2 硫磺回收系統(tǒng)

該裝置的硫磺回收部分采用分流式部分燃燒法、兩級(jí)催化轉(zhuǎn)化的克勞斯工藝。在1 250 ℃以上溫度下，將變換汽提酸性氣中的NH3全部轉(zhuǎn)化為N2和H2O。

來(lái)自低溫甲醇洗單元的酸性氣經(jīng)酸性氣預(yù)熱器預(yù)熱后與尾氣處理單元的再生酸性氣混合后分兩路進(jìn)入制硫燃燒爐；一路與變換汽提尾氣混合后從制硫燃燒爐火嘴進(jìn)入，另一路從制硫燃燒爐側(cè)面進(jìn)入爐內(nèi)。自制硫爐排出的高溫過(guò)程氣，溫度為1 000～1 100 ℃，小部分通過(guò)高溫?fù)胶祥y調(diào)節(jié)一級(jí)制硫反應(yīng)器的入口溫度, 其余部分進(jìn)入制硫余熱鍋爐，用余熱發(fā)生的4.1 MPa飽和蒸汽經(jīng)蒸汽過(guò)熱器過(guò)熱至420 ℃后外輸至4.1 MPa管網(wǎng)；過(guò)程氣溫度降至300～400 ℃進(jìn)入一級(jí)冷凝冷卻器冷卻至150～160 ℃，

在

管程出口冷凝下來(lái)的液體硫磺與過(guò)程氣分離，自底部流出進(jìn)入硫封罐A。

一級(jí)冷凝冷卻器管程出口150～160 ℃的過(guò)程氣，通過(guò)高溫?fù)胶祥y與1 000～1 100 ℃的高溫過(guò)程氣混合后，溫度達(dá)到210～230 ℃進(jìn)入一級(jí)制硫反應(yīng)器，在催化劑的作用下，過(guò)程氣中的H2S和SO2轉(zhuǎn)化為元素硫。反應(yīng)后的氣體溫度300～320 ℃，進(jìn)入過(guò)程氣換熱器管程，再經(jīng)二級(jí)冷凝冷卻器換熱至150～160 ℃。 二級(jí)冷凝冷卻器冷凝下來(lái)的液體硫磺，在管程出口與過(guò)程氣分離，自底部流出進(jìn)入硫封罐D(zhuǎn)。分離后的過(guò)程氣再返回過(guò)程氣換熱器殼程，至220～240 ℃進(jìn)入二級(jí)制硫反應(yīng)器。在催化劑的作用下，過(guò)程氣中剩余的H2S和SO2進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為元素硫。反應(yīng)后的過(guò)程氣進(jìn)入三級(jí)冷凝冷卻器冷卻至150～160 ℃。三級(jí)冷凝冷卻器冷凝下來(lái)的液體硫磺，在管程出口與過(guò)程氣分離，自底部流出進(jìn)入硫封罐B。頂部出來(lái)的制硫尾氣經(jīng)尾氣分液罐分液后進(jìn)入尾氣處理部分,尾氣分液罐冷凝下來(lái)的液體硫磺自底部流出進(jìn)入硫封罐E。硫磺回收系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 硫磺回收系統(tǒng)工藝流程

2 硫磺回收裝置余熱鍋爐

2.1 余熱鍋爐概況

硫磺回收裝置余熱鍋爐是以生產(chǎn)過(guò)程工藝氣及尾氣的余熱為熱源的熱動(dòng)設(shè)備，不僅可以產(chǎn)生蒸汽，還可有效地回收余熱。余熱鍋爐作為硫磺回收裝置中最重要的高溫高壓設(shè)備，不僅僅能夠利用過(guò)程氣的余熱產(chǎn)4.1 MPa飽和蒸汽，而且能夠冷卻高溫過(guò)程氣體，使其達(dá)到工藝所需溫度，從而滿足工藝生產(chǎn)

要求。但是由于余熱鍋爐安裝位置的特殊性，與制硫爐連接處的進(jìn)氣側(cè)管板長(zhǎng)期處于高溫、強(qiáng)腐蝕的酸性環(huán)境下，因此該余熱鍋爐在長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷的運(yùn)行情況下極易發(fā)生泄漏。

2.2 余熱鍋爐運(yùn)行條件

余熱鍋爐的設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表1。

2.3 余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)

硫磺回收余熱鍋爐采用普通列管式火管鍋爐，臥式安裝。由一個(gè)鍋筒和一個(gè)外置汽包的結(jié)構(gòu)組合而成，鍋筒與汽包之間由上升管和降液管連接構(gòu)成鍋爐水自然循環(huán)系統(tǒng)，汽包上面設(shè)有遠(yuǎn)傳液位計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)、壓力表、安全閥以及現(xiàn)場(chǎng)放空等安全附件。鍋筒前端直接與制硫爐焊接連接，鍋筒前端管板處襯里與制硫爐的襯里一起施工完成，鍋筒前后端管板均采用撓性管板，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析與溫度場(chǎng)計(jì)算，并進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。硫磺回收裝置余熱鍋爐結(jié)構(gòu)如圖2。

表1 余熱鍋爐設(shè)計(jì)條件

圖2 硫磺回收裝置余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

為了避免高溫過(guò)程氣對(duì)管板的沖刷，在高溫管板管程側(cè)表面澆筑耐高溫、耐火隔熱澆注料。同時(shí)在換熱管管頭處設(shè)置了陶瓷材料的保護(hù)內(nèi)套管，保護(hù)套管插入換熱器管內(nèi)100 mm。換熱管內(nèi)壁和保護(hù)套管外壁之間填塞高鋁型耐火陶瓷纖維紙，以確保高溫氣流不會(huì)與管板或靠近管板端的換熱管接觸。由于高溫的陶瓷管套與相對(duì)低溫的管套接觸，容易造成陶瓷管套碎裂，在耐火澆注料與換熱管管頭之間又增加了陶瓷保護(hù)外套環(huán)，起緩沖作用。鍋筒的保溫材質(zhì)為硅酸鋁纖維，鍋筒、汽包、管板本體材質(zhì)均選用16MnR鋼。管板及管頭高溫保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3。

3 余熱鍋爐泄漏問(wèn)題及原因分析

3.1 余熱鍋爐泄漏

某公司煤制甲醇項(xiàng)目中心的硫磺回收裝置于2013年6月進(jìn)行計(jì)劃性停工檢修工作。裝置全面停車后對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)其前管板側(cè)的耐高溫澆注料及陶瓷保護(hù)套管均有裂紋和燒壞脫落的跡象。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)管板側(cè)的澆注料表面貼附著黑褐色的灰分及部分硫磺，初步判斷前管板及管頭應(yīng)有泄漏。進(jìn)一步對(duì)余熱鍋爐全面試壓查漏后確認(rèn)前管板靠下面有2根換熱管的焊縫接口處泄漏，其中一根換熱管的陶瓷保護(hù)套已經(jīng)完全損壞，而且泄漏處表面的耐火澆注料也已經(jīng)完全被腐蝕燒壞。

圖3 管板及管頭高溫保護(hù)結(jié)構(gòu)

通過(guò)清理管板以及換熱管表面的塵垢及殘留硫磺污物，然后對(duì)換熱管的泄漏處進(jìn)行了補(bǔ)焊以及耐火澆注料的修補(bǔ)工作，最后經(jīng)試壓確認(rèn)無(wú)泄漏后才投入使用。換熱管泄漏情況如圖4所示。

圖4 換熱管泄漏情況

3.2 原因分析

1)未按升降溫曲線進(jìn)行操作。通過(guò)查看裝置開停工的烘爐升溫歷史曲線記錄發(fā)現(xiàn)，其升降溫并未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)升降溫曲線圖進(jìn)行操作，具有一定的偏差，升降溫速率不均勻，恒溫時(shí)間段不夠。并且升降溫的時(shí)候爐溫波動(dòng)較大，造成管板前的耐火澆注料未能充分燒結(jié)。爐溫的急劇升高會(huì)使水分急劇蒸發(fā)，導(dǎo)致澆注料膨脹產(chǎn)生裂縫，從而降低了余熱鍋爐前管板的使用壽命。

4)二氧化碳腐蝕[4]。由于來(lái)自上游的原料氣中含有大量的二氧化碳，而處于游離狀態(tài)或化合態(tài)的二氧化碳都可能發(fā)生腐蝕，尤其在高溫或水環(huán)境中。二氧化碳和鐵在有水的情況下發(fā)生反應(yīng)，生成較為疏松的腐蝕產(chǎn)物FeCO3和Fe(HCO3)2，在工藝氣不斷沖刷的作用下逐漸脫落，露出新的部位繼續(xù)腐蝕，形成惡性循環(huán)，直到把設(shè)備腐蝕穿孔或者泄漏。在換熱管與管板的泄漏處發(fā)現(xiàn)了類似二氧化碳腐蝕后的產(chǎn)物，可以看出二氧化碳對(duì)設(shè)備的腐蝕性也不容小視。

5)應(yīng)力腐蝕[4-5]。由于前管板側(cè)受到較大的熱負(fù)荷，如果爐內(nèi)的部分花墻存在有塌陷，那么管板就會(huì)受熱不均勻，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。再加上管板在高溫度、高負(fù)荷、高濃度的酸性工況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使其更易發(fā)生腐蝕。

6)換熱管結(jié)垢。此次管板與換熱管的泄漏位置為整個(gè)管板的偏下方向，此處的換熱管管頭離鍋爐的排污口較遠(yuǎn)，鍋爐產(chǎn)生的污垢匯集在此不能及時(shí)排除，使此換熱管的換熱能力下降，在長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行的條件下，管板和換熱管焊縫處的熱量不能及時(shí)交換，溫度逐漸升高，焊縫處的強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，從而發(fā)生泄漏。

7)鍋爐的制造缺陷。在鍋爐的制造生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)材質(zhì)不符、機(jī)械損傷、焊接缺陷、高溫氧化、磨損、疲勞等自身制造缺陷。

3.3 整改措施

1)裝置在開停車的時(shí)候，必須嚴(yán)格按照升降溫曲線進(jìn)行操作，使耐火澆注料得到充分的燒結(jié)，對(duì)前管板及換熱管形成有效的保護(hù)作用。正常生產(chǎn)操作時(shí)，防止?fàn)t溫波動(dòng)太大，造成耐火澆注料及陶瓷保護(hù)套的的脹裂。

2)針對(duì)高溫硫腐蝕應(yīng)加強(qiáng)制硫爐爐溫的控制。由于受到工藝條件的限制，難以將溫度降低，因此只能在滿足工藝條件的前提下盡量將溫度控制在下限范圍，雖然不能完全避免高溫硫腐蝕但可以完全避免露點(diǎn)腐蝕。因此，在正常操作中控制好爐溫的平穩(wěn)性有利于減弱對(duì)設(shè)備的腐蝕性，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期。

3)低溫露點(diǎn)腐蝕一般發(fā)生在裝置停車期間，由于配風(fēng)不能及時(shí)跟上，致使工藝氣中的氧含量過(guò)量，并且隨著制硫爐爐溫的不斷降低易發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕。對(duì)此，在停車時(shí)一定要加強(qiáng)工藝控制，穩(wěn)定操作，及時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，避免低溫露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生。對(duì)于硫磺回收裝置來(lái)說(shuō)，進(jìn)行設(shè)備外部保溫是必要的，設(shè)備的壁溫一般要求為150～250 ℃，否則就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的低溫露點(diǎn)腐蝕。

4)上游來(lái)的酸性氣中含有大量的二氧化碳也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。應(yīng)加強(qiáng)與上游裝置的溝通，及時(shí)調(diào)整酸性氣中二氧化碳的含量，在保證滿足工藝的前提下盡量降低酸性氣中的二氧化碳含量，降低其對(duì)設(shè)備的腐蝕。

5)避免應(yīng)力腐蝕的方法就是使前管板的受熱面受熱均勻。在開工前要將爐內(nèi)的花墻按要求放置，保證其在工藝氣的沖刷下不會(huì)出現(xiàn)塌陷的現(xiàn)象，從而保證管板能夠均勻受熱，降低應(yīng)力腐蝕。

6)鍋爐的結(jié)垢現(xiàn)象是不可避免的，只有加強(qiáng)定期的排污，加強(qiáng)對(duì)除氧水水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)，及時(shí)根據(jù)爐水及蒸汽的采樣結(jié)果對(duì)鍋爐爐水進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少鍋爐結(jié)垢的范圍，從而增加換熱面積，提高鍋爐工作效率，降低管板焊接處泄漏的可能性。另一方面要在檢修期間及時(shí)清除積灰，防止積灰對(duì)設(shè)備造成腐蝕。

7)針對(duì)鍋爐的制造缺陷，應(yīng)該從制造工藝、質(zhì)量控制、質(zhì)量檢測(cè)、質(zhì)量監(jiān)督、原材料檢驗(yàn)、成品檢驗(yàn)、安裝檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)入手，從源頭上把控好鍋爐制造安裝質(zhì)量，避免由于設(shè)備制造缺陷造成設(shè)備的泄漏或生產(chǎn)事故。

4 整改后運(yùn)行效果

整改之前由于對(duì)造成制硫余熱鍋爐泄漏的原因了解比較淺薄，未能在生產(chǎn)使用的過(guò)程中意識(shí)到會(huì)有如此多的因素導(dǎo)致設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。所幸此次泄漏程度較小且正好處于檢修期間，

能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)

題并對(duì)泄漏處進(jìn)行處理，避免了泄漏的進(jìn)一步擴(kuò)大。整改后，制硫余熱鍋爐的使用周期增加了一倍多，不僅提高了鍋爐的使用壽命，延長(zhǎng)了檢修周期，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益做出了貢獻(xiàn)；而且通過(guò)整改為日后的制硫余熱鍋爐檢修維護(hù)工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，有效避免了重大泄漏生產(chǎn)事故的發(fā)生，保障了生產(chǎn)和人身安全。

5 結(jié)語(yǔ)

由于硫磺回收裝置的余熱鍋爐長(zhǎng)期處于高溫、高負(fù)荷、高腐蝕性的酸性環(huán)境下運(yùn)行，不可能完全避免腐蝕，只有認(rèn)識(shí)到腐蝕的機(jī)理，提高應(yīng)對(duì)腐蝕的技能，對(duì)其進(jìn)行定期的檢修、檢測(cè)，加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)水平，合理的控制工藝參數(shù)，才能從源頭上將腐蝕降到最低，從而保證硫磺回收裝置的安全、長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 王斌,武俊瑞.硫封罐堵塞的原因分析及解決措施[J].硫酸工業(yè),2016(1):41-45.

[2] 郝忠義.10×104t/a硫磺回收裝置廢熱鍋爐設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備,2007,36(3):34-37.

[3] 梁曉樂(lè),張海燕.硫磺回收裝置腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2011(2):30-32.

[4] 劉福.淺談硫磺回收裝置中主要的腐蝕與防護(hù)[J].石油和化工設(shè)備,2013(7):55-57.

[5] 曾燁,馬少鵬.淺析硫磺回收裝置工藝設(shè)備腐蝕原因及其防護(hù)措施[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012(6):16-17.

The leakage root cause analysis and retrofitted measures for the sulphur recovery waste heat boiler

WUJunrui,WANGBin,WEIZhenjun

(Shenhua Baotou Coal Chemical Co., Ltd., Baotou, Inner Mongolia, 014010, China)

The overview of the sulphur recovery process and unit operation is introduced. The operating conditions and the configuration design of the sulphur recovery waste heat boiler are described. The reasons for the corrosion leakage between the welding point of the front pipe and the heat exchange pipe of the waste heat boiler are analyzed and the corresponding retrofitted measures are proposed. The quality of the installation is the key control step to avoid leakage. After the correction, the operation period of the boiler has been double. Both the boiler service life and the maintenance interval have been extended. This also provides valuable experience for the maintenance of the sulphur recovery waste heat boiler and ensures the safe, long-term and stable operation of the boiler.

sulphur recovery； waste heat boiler； tube plate leakage； corrosion; root casue; retrofit technology

2017-04-12。

武俊瑞，男，神華包頭煤化工有限責(zé)任公司助理工程師，主要從事化工生產(chǎn)管理工作。電話：18547265216；E-mail：767645205@qq.com。

TQ111.16；TQ0515

B

1002-1507(2017)06-0029-05