龐亮

中國石化工程建設(shè)有限公司配管室

近年來，隨著環(huán)保要求的不斷提高，對環(huán)境中污染物和有害因素的允許含量所作的限制性規(guī)定越來越嚴(yán)格，綠色低碳發(fā)展模式已經(jīng)引入石油化工與天然氣行業(yè)中。另一方面，石油資源趨于重質(zhì)化和劣質(zhì)化，原油中硫含量不斷增加；天然氣資源中需處理的高含硫原料氣量持續(xù)增長，如何處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的硫化物，降低SO2等有害氣體的排放量，避免硫化物對設(shè)備、管道的腐蝕，成為各大煉油廠和天然氣凈化廠的普遍問題。硫磺回收裝置通過處理上游的酸性氣，采用克勞斯分流法硫磺回收、加氫還原吸收尾氣處理等工藝生成液態(tài)硫磺，降低排放氣中的SO2含量[1-3]，是決定全廠環(huán)保能否達標(biāo)的核心裝置。因此，越來越受到重視。硫磺回收裝置的設(shè)備平面布置、硫磺框架的立面布置是該裝置設(shè)計的核心問題，會對施工、檢修和生產(chǎn)運行造成一定的影響。酸性氣和液硫是硫磺回收裝置主要的工藝介質(zhì)，根據(jù)其物理特性進行合理選材和配管設(shè)計，也是裝置長周期安全運行的關(guān)鍵。

1 硫磺回收裝置設(shè)備平面布置

1.1 硫磺回收裝置主要設(shè)備

硫磺回收裝置主要設(shè)備見表1。

1.2 硫磺回收裝置設(shè)備平面布置方案

硫磺回收裝置采用同類設(shè)備相對集中的布置方式，在裝置中間布置直通式管廊，管廊兩側(cè)按流程順序布置設(shè)備。以圖1為例，硫磺回收單元位于主管廊的北側(cè)，其中三級硫冷器布置在構(gòu)架(SS1)的地面，加熱器布置在硫冷器氣體出口的上方，兩個反應(yīng)器布置在構(gòu)架(SS1)頂層，克勞斯反應(yīng)爐布置在構(gòu)架西側(cè)。尾氣單元布置在主管廊的南側(cè)，其中加氫反應(yīng)器布置在構(gòu)架(SS2)頂層，構(gòu)架東側(cè)布置加氫爐，西側(cè)依次布置加氫反應(yīng)器出口冷卻器、急冷塔、吸收塔等設(shè)備。尾氣焚燒爐及煙囪布置在裝置東側(cè)邊緣。

表1 硫磺回收裝置主要設(shè)備編號名稱編號名稱R-301一級反應(yīng)器R-302二級反應(yīng)器F-302克勞斯反應(yīng)爐E-303一級硫冷器E-304一級反應(yīng)進料加熱器E-305二級硫冷器E-306二級反應(yīng)進料加熱器E-307末級硫冷器S-301液硫池S-302一級硫封罐S-303二級硫封罐S-304三級硫封罐K-301A/B克勞斯反應(yīng)爐風(fēng)機R-401加氫反應(yīng)器F-401加氫爐F-403尾氣焚燒爐E-401加氫反應(yīng)器出口冷卻器K-401A/B焚燒爐風(fēng)機C-401急冷塔C-402吸收塔SK-401煙囪

1.3 平面布置特別關(guān)注的幾個問題

1.3.1 克勞斯反應(yīng)爐和加氫爐的布置

根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》第6.3.3條和GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》第5.2.2條的條文解釋[4-5]，硫磺回收裝置的反應(yīng)爐和再熱爐(以下稱為加氫爐)是正壓操作，正常情況下沒有火焰外漏，火災(zāi)危險性??；且液體硫磺的凝點約117 ℃，在生產(chǎn)過程中，硫磺不斷形成、冷凝、捕集，為防止設(shè)備間管道被硫磺堵塞，要求設(shè)備布置緊湊。因此，反應(yīng)爐和再熱爐與其相關(guān)設(shè)備之間的防火距離可不加限制。

1.3.2 風(fēng)機的布置

硫磺回收裝置的反應(yīng)爐和焚燒爐分別設(shè)置風(fēng)機，根據(jù)同類設(shè)備布置在一起的原則，同時考慮到檢維修的便捷，兩種風(fēng)機應(yīng)盡量集中布置。但實際工程設(shè)計中風(fēng)機有分開布置和集中布置兩種方式。

為了減少出口的壓降，風(fēng)機分別靠近焚燒爐和反應(yīng)爐布置，由于焚燒爐和反應(yīng)爐的位置分別在尾氣處理單元和硫磺回收單元，所以不能保證對其進行集中布置。硫磺回收單元的反應(yīng)爐通常情況下布置在裝置中間，風(fēng)機布置于裝置中間時產(chǎn)生的噪音較大，這也是分開布置方式的最大缺點。

集中布置方式是將焚燒爐風(fēng)機和反應(yīng)爐風(fēng)機集中布置于裝置邊界處，這樣布置的不利之處在于風(fēng)機出口到反應(yīng)爐入口管線過長，風(fēng)機出口壓力需滿足整個出口管系的壓降，以保證風(fēng)機和反應(yīng)爐的正常運行。該布置方式可以徹底解決裝置內(nèi)噪音問題，當(dāng)該硫磺回收裝置位于整個廠區(qū)的邊界時，噪音也會對廠區(qū)外造成影響。

無論是集中布置還是分開布置，風(fēng)機噪音問題都是客觀存在的，僅從平面布置上尋求解決辦法并不是問題的關(guān)鍵。要更進一步地解決風(fēng)機噪音問題需要從風(fēng)機本體和進出口管線方面考慮，比如風(fēng)機基礎(chǔ)采用防震措施，對風(fēng)機本體采用隔音處理及在風(fēng)機進出口增加消音器等方法。

另外，焚燒爐和反應(yīng)爐風(fēng)機通常為鼓風(fēng)機，其吸入口位置根據(jù)電氣防爆規(guī)范應(yīng)該布置于防爆區(qū)外，對于下吸風(fēng)式的風(fēng)機更應(yīng)引起重視。

1.3.3 硫磺回收框架、液硫池與硫封罐的布置

根據(jù)工藝流程順序，液硫池應(yīng)盡量靠近硫磺回收框架布置，硫封罐盡量靠近液硫池布置，硫磺回收框架、液硫池及硫封罐的相對位置是布置硫磺回收單元的關(guān)鍵。以下介紹兩種常見的布置方式。

方式一見圖2，液硫池布置于硫磺回收框架與管廊框架之間，硫封罐對應(yīng)每臺硫磺冷卻器進行布置。該方式的優(yōu)點是布置緊湊，縮短了硫封罐入口夾套管線的長度。缺點是硫封罐在框架與管廊之間，硫封罐的吊裝檢修不太方便。另外，硫磺回收框架到管廊框架的管線跨距過大，不利于管線支撐。

方式二見圖3，液硫池布置于硫磺回收框架側(cè)面，硫封罐靠近液硫池并集中布置。該布置方式的優(yōu)點是縮短了硫磺回收框架與管廊之間的管線長度，硫封罐位于檢修區(qū)附近便于檢修。缺點是硫封罐入口夾套管線、液硫池與管廊之間管線長度增加。

以上兩種布置方式各有利弊，根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，方式二的布置方案有利于吊裝和檢修，常作為優(yōu)選方案。

2 硫磺回收框架立面布置

2.1 硫磺回收框架的層高

硫磺回收框架中一級、二級和末級硫冷器均有1%～1.5%的坡度要求，與其相連接的液硫管線同樣有1%～1.5%的坡度要求。該坡度的設(shè)置是為了保證液態(tài)硫最終流向液硫池。硫冷器的高度取決于液硫池入口位置、硫封罐安裝高度和液硫管線走向3方面的因素。同時，硫冷器的高度決定了硫磺回收框架第1層平臺的標(biāo)高(見圖4)。

一、二級反應(yīng)進料加熱器有立式和臥式兩種型式，立式加熱器利用彈簧支撐于硫磺框架內(nèi)，連接在整個酸性氣管系中，與管線一起在垂直方向熱膨脹。立式加熱器型式占用立面空間大，加高了反應(yīng)器高度，因此，決定了整個硫磺回收框架的層高(見圖5)。

采用臥式加熱器時，加熱器與一、二級反應(yīng)器位于同一層高，在整個酸性氣管系中，設(shè)備與管道一起產(chǎn)生水平方向的熱膨脹。該加熱器型式與立式加熱器相比降低了整個硫磺回收框架的層高。但為了吸收水平方向的熱應(yīng)力，加熱器至反應(yīng)器管道需要自然補償，管線長度明顯增加(見圖6)。

兩種加熱器的型式在工程實踐中根據(jù)不同的工藝流程要求都有使用，僅從土建工程量的角度而言，選擇臥式加熱器更為經(jīng)濟。

2.2 框架平臺設(shè)置

以臥式加熱器為例，硫磺回收框架通常采用兩層布置方案，硫冷器、加熱器、反應(yīng)器分別位于框架的兩個層高，并且考慮人孔、閥門操作、設(shè)備檢修以及防火通道等各方面因素，分別在硫冷器頂部、反應(yīng)器側(cè)面和頂面人孔等位置單獨設(shè)置平臺?？蚣軆蓚?cè)分別設(shè)置斜梯。

硫磺回收框架涉及的設(shè)備均需要進行熱處理，在設(shè)備生根的平臺，支架均需要在設(shè)備上預(yù)設(shè)墊板并與設(shè)備進行整體熱處理。為了簡化此部分設(shè)計及制造的工作量，硫磺回收框架平臺均生根于結(jié)構(gòu)柱子上，通過結(jié)構(gòu)梁搭建平臺。但同時必須考慮到設(shè)備管嘴和人孔等開孔問題及設(shè)備加保溫層后與平臺梁的碰撞問題。

框架頂層臥式反應(yīng)器設(shè)備質(zhì)量通常較大，這對整個框架基礎(chǔ)及鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計有很大影響。反應(yīng)器下的平臺梁高通常約為0.8～1.0 m，在配管過程中，必須提前考慮管線的走向，以避開反應(yīng)器基礎(chǔ)下橫梁。

另外，對于立式加熱器所在的硫磺回收框架，為了改善管線及設(shè)備管嘴的受力條件，應(yīng)盡量縮短硫冷器和加熱器之間的距離，加熱器入口位于硫冷器出口的正上方，并盡量縮短管線長度，這樣的支撐方式讓管線的熱脹和加熱器聯(lián)系到了一起。加熱器的平臺受到加熱器自重、管線自重及熱脹等影響，平臺梁高度一般不小于0.6 m，配管設(shè)計過程中必須提前考慮。

3 硫磺回收裝置重要管道設(shè)計

3.1 酸性氣管道

3.1.1 酸性氣管道的布置要點

酸性氣是硫磺回收裝置主要處理的工藝介質(zhì)，酸性氣管道應(yīng)盡量架空或地面敷設(shè)。架空敷設(shè)時，應(yīng)避免由于法蘭、螺紋和填料密封等泄漏造成對人身或設(shè)備的傷害。管道布置應(yīng)避免出現(xiàn)袋形，確保管道中的凝液可自流至分液設(shè)備。如果管道有氮氣吹掃等接口，應(yīng)在管道的最上游端從頂部接入。管道不應(yīng)有下袋形，當(dāng)出現(xiàn)上袋形時，應(yīng)將切斷閥或調(diào)節(jié)閥設(shè)置在最高點，確保凝液自流至所連接的設(shè)備。反應(yīng)器入口管道應(yīng)對稱布置且設(shè)置拆卸法蘭，以方便裝填催化劑。

3.1.2 管道材料選用

酸性氣管道在容易超溫處采用復(fù)合板管件(20R+316L或者20R+316)，例如一級反應(yīng)器出口管道、克勞斯反應(yīng)爐后段余熱鍋爐出口管道和加氫反應(yīng)器出口管道，其他酸性氣管道為碳鋼材質(zhì)。

3.1.3 管道應(yīng)力計算

酸性氣管道根據(jù)裝置規(guī)模的不同，公稱直徑在DN 800～DN 1500之間。設(shè)計溫度約343 ℃，操作溫度約200 ℃。由于管道直徑較大，與爐子、硫冷器、反應(yīng)器等設(shè)備聯(lián)合成為一個管系進行應(yīng)力分析。分析結(jié)果應(yīng)滿足以下要求[6]：

(1) 管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

(2) 管道對設(shè)備的作用力限制在設(shè)備允許范圍之內(nèi)。

管道利用彈簧和設(shè)置自然補償?shù)姆绞綔p小設(shè)備管嘴受力和力矩，同時設(shè)備管嘴盡可能采用焊接形式，以避免因墊片質(zhì)量問題出現(xiàn)泄漏。

3.1.4 管道支架

對于管徑及熱位移較大的管道，支架一般選用非標(biāo)準(zhǔn)支架，選用彈簧配合管托型式，在熱位移較大處采用多個彈簧或者彈簧箱進行支撐，支架下方作用在鋼結(jié)構(gòu)(主梁和柱)及較大平臺梁處，當(dāng)單個平臺梁相對于大型支架而言過于單薄、存在不穩(wěn)定因素時，必須考慮雙梁，或者框架梁預(yù)埋支架底座墊板等方法進行支撐。

管托選用帶墊板大直徑焊接型滑動管托，因管道熱膨脹既有軸向位移也有徑向位移，所以管托底部可能存在多個方向的滑動，一般采用在彈簧箱頂板與管托之間加聚四氟乙烯滑板的方法來滿足此要求。

3.2 液硫管道

3.2.1 液硫特性

液硫在160 ℃時最大黏度為100 cp，當(dāng)溫度高于160 ℃時，黏度迅速上升，當(dāng)溫度低于119 ℃時，容易凝結(jié)。故操作溫度需穩(wěn)定在135～140 ℃，對于這種非常黏稠和局部過熱非常敏感的流體[7]，一般采用低壓蒸汽進行夾套伴熱。

3.2.2 液硫管道的布置要點

根據(jù)液硫黏稠且極容易凝結(jié)的特性，液硫管道的布置以避免其堵塞為前提。

目前國際上不同專利商對于液硫管道有不同的坡度要求，例如：B&V的要求為0.3%～1.5%；Technip的要求為1%～3%。根據(jù)專利商的要求和工程經(jīng)驗的總結(jié)，液硫管道在裝置內(nèi)的主管廊及系統(tǒng)管廊布置時，由于輸送距離較遠(yuǎn)，高差較大，采用0.3%～1%的坡度，在裝置分區(qū)內(nèi)布置時采用1%～3%的坡度，與該管道相連接的相關(guān)設(shè)備例如硫冷器、硫封罐等宜采用1%～1.5%的坡度。

液硫管道每隔4～6 m需要增加1對拆卸法蘭，法蘭處通過蒸汽跨接線進行串接，在轉(zhuǎn)向、分支處，不應(yīng)有死角或U型彎，需要采用四通連接，四通的盲端用法蘭蓋盲死。該設(shè)計主要考慮管道堵塞后可以拆卸，可從不同的方向進行清理。

3.2.3 液硫管道的法蘭和閥門

液硫管道管件依據(jù)夾套管內(nèi)外管的組合尺寸表進行選擇[8]，并應(yīng)考慮內(nèi)管和外管之間的連接和配合。

夾套法蘭根據(jù)內(nèi)管和外管的焊接型式不同，分為內(nèi)管對焊外管對焊法蘭、內(nèi)管對焊外管平焊法蘭、內(nèi)管承插焊外管平焊法蘭等。其中，內(nèi)管承插焊法蘭的焊縫屬于隱蔽型角焊縫，很難進行射線探傷，且液硫中含有微量H2S，應(yīng)避免使用。

夾套法蘭還分為帶蒸汽孔和不帶蒸汽孔的法蘭，帶蒸汽孔夾套法蘭加工精度要求高，蒸汽孔處在加工過程中容易產(chǎn)生裂縫，裂縫處內(nèi)管硫磺介質(zhì)會堵塞蒸汽孔，外管蒸汽也會竄入內(nèi)管硫磺介質(zhì)中。因此，通常采用不帶蒸汽孔的法蘭，法蘭兩側(cè)利用跨線連接。

根據(jù)閥門型式的不同，夾套閥門分為夾套球閥和夾套旋塞閥兩種，夾套閥門閥體上帶有進氣孔和回水孔。當(dāng)閥門手輪水平布置時，進氣孔和回水孔應(yīng)位于閥體中心；當(dāng)閥門手輪垂直布置時，進氣孔和回水孔應(yīng)位于閥體底部。

3.2.4 液硫管道的夾套伴熱

由于蒸汽夾套伴熱有效接觸面積比伴熱管的接觸面積大很多，依據(jù)SH/T 3040-2017《石油化工管道伴熱和夾套管設(shè)計規(guī)范》的有效伴熱長度進行設(shè)計時[8]，管道末端存在伴熱效果不佳的情況。蒸汽夾套伴熱的有效長度通常為24～36 m，根據(jù)伴熱管管徑大小可進行適當(dāng)調(diào)整。

液硫在管線末端極易發(fā)生凝結(jié)，例如壓力表和溫度計末端、四通末端。因此，在管線末端處應(yīng)考慮單獨設(shè)置伴熱蒸汽點和回水點。

液硫管線的夾套伴熱需要按照分支劃分蒸汽點和回水點，即每個分支的伴熱保證1個蒸汽點對應(yīng)1個回水點，也可以采用2個或2個以上的蒸汽點對應(yīng)1個回水點，但蒸汽點的個數(shù)不宜超過3個。

4 結(jié)語

硫磺回收裝置由于要求的壓降小，加之液硫的特殊性質(zhì)，需要緊湊布置，且過程氣中含有H2S、SO2、H2O等介質(zhì)，會對硫冷器、加熱器等冷換設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，在平面和立面布置中要充分考慮檢維修空間，必要時可考慮整體吊裝。對于處理規(guī)模較小的裝置，必要時可考慮撬裝，硫冷器可采用一、二、三級同殼程結(jié)構(gòu)，液硫儲槽可代替混凝土結(jié)構(gòu)液硫池?？傊?，硫磺回收裝置的平(立)面布置和管道設(shè)計應(yīng)根據(jù)裝置酸性氣中H2S含量和裝置規(guī)模等具體情況進行調(diào)整，合理的平面布置和優(yōu)化的管道設(shè)計還有待進行不斷的研究和探索。