硫磺回收装置布置及管道设计特点
Outline:
庞亮
收稿日期：2019-08-24
作者简介：庞亮(1979-)，高级工程师，毕业于辽宁石油化工大学，现就职于中国石化工程建设有限公司，从事管道设计专业，已发表论文两篇，获省、部级优秀工程设计一等奖。E-mail：
5859330@qq.com.
摘要：硫磺回收装置工艺流程的处理单元大致分为硫磺回收、尾气处理、硫磺储运和成型等几部分。以克劳斯分流法硫磺回收、加氢还原吸收尾气处理的工艺流程为例，以工艺流程顺序作为总的布置原则，介绍了反应器、反应炉、尾气焚烧炉、硫冷器、液硫池和风机等关键工艺设备的布置方法，以及装置中硫磺回收框架的设计方式。在满足大型管线应力计算要求和选用合适管道材料的前提下，根据各种工况的酸性气、液硫等工艺介质特性，对管道选材和在不同处理单元、设备之间的设计方案进行了优化。
关键词：酸气 硫磺回收 硫磺 尾气处理 平面布置
Characteristics of layout and piping design of the sulfur recovery unit
Outline:
Pang Liang
Sinopec Engineering Incorporation Piping, Beijing, China
Abstract: The process flow of sulfur recovery unit is normally divided by sulfur recovery, tail gas treatment, sulfur storage and solidification. Take the Split-Claus sulfur recovery, hydrogenation reduction and absorption tail gas treating process technology as examples, the layout ways of the key process equipment including Claus reactor, thermal reactor, tail gas incinerator, sulfur condenser, liquid sulfur pit and Claus blower were described and the sulfur recovery structure design was discussed according to the sequence of process flow. By the premise of meeting the requirements of stress calculation of large-scale pipe and choosing applicable pipe materials, pipeline material selection and design scheme in different process units and equipments were optimized according to the characteristics of different process mediums such as acid gas and liquid sulfur.
Key words:
acid gas sulfur recovery sulfur tail gas treating plot plan
近年来，随着环保要求的不断提高，对环境中污染物和有害因素的允许含量所作的限制性规定越来越严格，绿色低碳发展模式已经引入石油化工与天然气行业中。另一方面，石油资源趋于重质化和劣质化，原油中硫含量不断增加；天然气资源中需处理的高含硫原料气量持续增长，如何处理生产过程中产生的硫化物，降低SO2等有害气体的排放量，避免硫化物对设备、管道的腐蚀，成为各大炼油厂和天然气净化厂的普遍问题。硫磺回收装置通过处理上游的酸性气，采用克劳斯分流法硫磺回收、加氢还原吸收尾气处理等工艺生成液态硫磺，降低排放气中的SO2含量[1-3]，是决定全厂环保能否达标的核心装置。因此，越来越受到重视。硫磺回收装置的设备平面布置、硫磺框架的立面布置是该装置设计的核心问题，会对施工、检修和生产运行造成一定的影响。酸性气和液硫是硫磺回收装置主要的工艺介质，根据其物理特性进行合理选材和配管设计，也是装置长周期安全运行的关键。
1 硫磺回收装置设备平面布置
1.1 硫磺回收装置主要设备
硫磺回收装置主要设备见表 1。
表 1
表 1 硫磺回收装置主要设备
| 编号 |
名称 |
| R-301 |
一级反应器 |
| R-302 |
二级反应器 |
| F-302 |
克劳斯反应炉 |
| E-303 |
一级硫冷器 |
| E-304 |
一级反应进料加热器 |
| E-305 |
二级硫冷器 |
| E-306 |
二级反应进料加热器 |
| E-307 |
末级硫冷器 |
| S-301 |
液硫池 |
| S-302 |
一级硫封罐 |
| S-303 |
二级硫封罐 |
| S-304 |
三级硫封罐 |
| K-301A/B |
克劳斯反应炉风机 |
| R-401 |
加氢反应器 |
| F-401 |
加氢炉 |
| F-403 |
尾气焚烧炉 |
| E-401 |
加氢反应器出口冷却器 |
| K-401A/B |
焚烧炉风机 |
| C-401 |
急冷塔 |
| C-402 |
吸收塔 |
| SK-401 |
烟囱 |
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表 1 硫磺回收装置主要设备
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1.2 硫磺回收装置设备平面布置方案
硫磺回收装置采用同类设备相对集中的布置方式，在装置中间布置直通式管廊，管廊两侧按流程顺序布置设备。以图 1为例，硫磺回收单元位于主管廊的北侧，其中三级硫冷器布置在构架(SS1)的地面，加热器布置在硫冷器气体出口的上方，两个反应器布置在构架(SS1)顶层，克劳斯反应炉布置在构架西侧。尾气单元布置在主管廊的南侧，其中加氢反应器布置在构架(SS2)顶层，构架东侧布置加氢炉，西侧依次布置加氢反应器出口冷却器、急冷塔、吸收塔等设备。尾气焚烧炉及烟囱布置在装置东侧边缘。
1.3 平面布置特别关注的几个问题
1.3.1 克劳斯反应炉和加氢炉的布置
根据GB 50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》第6.3.3条和GB 50160-2008《石油化工企业设计防火规范(2018年版)》第5.2.2条的条文解释[4-5]，硫磺回收装置的反应炉和再热炉(以下称为加氢炉)是正压操作，正常情况下没有火焰外漏，火灾危险性小；且液体硫磺的凝点约117 ℃，在生产过程中，硫磺不断形成、冷凝、捕集，为防止设备间管道被硫磺堵塞，要求设备布置紧凑。因此，反应炉和再热炉与其相关设备之间的防火距离可不加限制。
1.3.2 风机的布置
硫磺回收装置的反应炉和焚烧炉分别设置风机，根据同类设备布置在一起的原则，同时考虑到检维修的便捷，两种风机应尽量集中布置。但实际工程设计中风机有分开布置和集中布置两种方式。
为了减少出口的压降，风机分别靠近焚烧炉和反应炉布置，由于焚烧炉和反应炉的位置分别在尾气处理单元和硫磺回收单元，所以不能保证对其进行集中布置。硫磺回收单元的反应炉通常情况下布置在装置中间，风机布置于装置中间时产生的噪音较大，这也是分开布置方式的最大缺点。
集中布置方式是将焚烧炉风机和反应炉风机集中布置于装置边界处，这样布置的不利之处在于风机出口到反应炉入口管线过长，风机出口压力需满足整个出口管系的压降，以保证风机和反应炉的正常运行。该布置方式可以彻底解决装置内噪音问题，当该硫磺回收装置位于整个厂区的边界时，噪音也会对厂区外造成影响。
无论是集中布置还是分开布置，风机噪音问题都是客观存在的，仅从平面布置上寻求解决办法并不是问题的关键。要更进一步地解决风机噪音问题需要从风机本体和进出口管线方面考虑，比如风机基础采用防震措施，对风机本体采用隔音处理及在风机进出口增加消音器等方法。
另外，焚烧炉和反应炉风机通常为鼓风机，其吸入口位置根据电气防爆规范应该布置于防爆区外，对于下吸风式的风机更应引起重视。
1.3.3 硫磺回收框架、液硫池与硫封罐的布置
根据工艺流程顺序，液硫池应尽量靠近硫磺回收框架布置，硫封罐尽量靠近液硫池布置，硫磺回收框架、液硫池及硫封罐的相对位置是布置硫磺回收单元的关键。以下介绍两种常见的布置方式。
方式一见图 2，液硫池布置于硫磺回收框架与管廊框架之间，硫封罐对应每台硫磺冷却器进行布置。该方式的优点是布置紧凑，缩短了硫封罐入口夹套管线的长度。缺点是硫封罐在框架与管廊之间，硫封罐的吊装检修不太方便。另外，硫磺回收框架到管廊框架的管线跨距过大，不利于管线支撑。
方式二见图 3，液硫池布置于硫磺回收框架侧面，硫封罐靠近液硫池并集中布置。该布置方式的优点是缩短了硫磺回收框架与管廊之间的管线长度，硫封罐位于检修区附近便于检修。缺点是硫封罐入口夹套管线、液硫池与管廊之间管线长度增加。
以上两种布置方式各有利弊，根据以往的设计经验，方式二的布置方案有利于吊装和检修，常作为优选方案。
2 硫磺回收框架立面布置
2.1 硫磺回收框架的层高
硫磺回收框架中一级、二级和末级硫冷器均有1%~1.5%的坡度要求，与其相连接的液硫管线同样有1%~1.5%的坡度要求。该坡度的设置是为了保证液态硫最终流向液硫池。硫冷器的高度取决于液硫池入口位置、硫封罐安装高度和液硫管线走向3方面的因素。同时，硫冷器的高度决定了硫磺回收框架第1层平台的标高(见图 4)。
一二级反应进料加热器有立式和卧式两种型式，立式加热器利用弹簧支撑于硫磺框架内，连接在整个酸性气管系中，与管线一起在垂直方向热膨胀。立式加热器型式占用立面空间大，加高了反应器高度，因此，决定了整个硫磺回收框架的层高(见图 5)。
采用卧式加热器时，加热器与一、二级反应器位于同一层高，在整个酸性气管系中，设备与管道一起产生水平方向的热膨胀。该加热器型式与立式加热器相比降低了整个硫磺回收框架的层高。但为了吸收水平方向的热应力，加热器至反应器管道需要自然补偿，管线长度明显增加(见图 6)。
两种加热器的型式在工程实践中根据不同的工艺流程要求都有使用，仅从土建工程量的角度而言，选择卧式加热器更为经济。
2.2 框架平台设置
以卧式加热器为例，硫磺回收框架通常采用两层布置方案，硫冷器、加热器、反应器分别位于框架的两个层高，并且考虑人孔、阀门操作、设备检修以及防火通道等各方面因素，分别在硫冷器顶部、反应器侧面和顶面人孔等位置单独设置平台。框架两侧分别设置斜梯。
硫磺回收框架涉及的设备均需要进行热处理，在设备生根的平台，支架均需要在设备上预设垫板并与设备进行整体热处理。为了简化此部分设计及制造的工作量，硫磺回收框架平台均生根于结构柱子上，通过结构梁搭建平台。但同时必须考虑到设备管嘴和人孔等开孔问题及设备加保温层后与平台梁的碰撞问题。
框架顶层卧式反应器设备质量通常较大，这对整个框架基础及钢结构的设计有很大影响。反应器下的平台梁高通常约为0.8~1.0 m，在配管过程中，必须提前考虑管线的走向，以避开反应器基础下横梁。
另外，对于立式加热器所在的硫磺回收框架，为了改善管线及设备管嘴的受力条件，应尽量缩短硫冷器和加热器之间的距离，加热器入口位于硫冷器出口的正上方，并尽量缩短管线长度，这样的支撑方式让管线的热胀和加热器联系到了一起。加热器的平台受到加热器自重、管线自重及热胀等影响，平台梁高度一般不小于0.6 m，配管设计过程中必须提前考虑。
3 硫磺回收装置重要管道设计
3.1 酸性气管道
3.1.1 酸性气管道的布置要点
酸性气是硫磺回收装置主要处理的工艺介质，酸性气管道应尽量架空或地面敷设。架空敷设时，应避免由于法兰、螺纹和填料密封等泄漏造成对人身或设备的伤害。管道布置应避免出现袋形，确保管道中的凝液可自流至分液设备。如果管道有氮气吹扫等接口，应在管道的最上游端从顶部接入。管道不应有下袋形，当出现上袋形时，应将切断阀或调节阀设置在最高点，确保凝液自流至所连接的设备。反应器入口管道应对称布置且设置拆卸法兰，以方便装填催化剂。
3.1.2 管道材料选用
酸性气管道在容易超温处采用复合板管件(20R+316L或者20R+316)，例如一级反应器出口管道、克劳斯反应炉后段余热锅炉出口管道和加氢反应器出口管道，其他酸性气管道为碳钢材质。
3.1.3 管道应力计算
酸性气管道根据装置规模的不同，公称直径在DN 800~DN 1500之间。设计温度约343 ℃，操作温度约200 ℃。由于管道直径较大，与炉子、硫冷器、反应器等设备联合成为一个管系进行应力分析。分析结果应满足以下要求[6]：
(1) 管道一次应力和二次应力满足标准规范的要求。
(2) 管道对设备的作用力限制在设备允许范围之内。
管道利用弹簧和设置自然补偿的方式减小设备管嘴受力和力矩，同时设备管嘴尽可能采用焊接形式，以避免因垫片质量问题出现泄漏。
3.1.4 管道支架
对于管径及热位移较大的管道，支架一般选用非标准支架，选用弹簧配合管托型式，在热位移较大处采用多个弹簧或者弹簧箱进行支撑，支架下方作用在钢结构(主梁和柱)及较大平台梁处，当单个平台梁相对于大型支架而言过于单薄、存在不稳定因素时，必须考虑双梁，或者框架梁预埋支架底座垫板等方法进行支撑。
管托选用带垫板大直径焊接型滑动管托，因管道热膨胀既有轴向位移也有径向位移，所以管托底部可能存在多个方向的滑动，一般采用在弹簧箱顶板与管托之间加聚四氟乙烯滑板的方法来满足此要求。
3.2 液硫管道
3.2.1 液硫特性
液硫在160 ℃时最大黏度为100 cp，当温度高于160 ℃时，黏度迅速上升，当温度低于119 ℃时，容易凝结。故操作温度需稳定在135~140 ℃，对于这种非常黏稠和局部过热非常敏感的流体[7]，一般采用低压蒸汽进行夹套伴热。
3.2.2 液硫管道的布置要点
根据液硫黏稠且极容易凝结的特性，液硫管道的布置以避免其堵塞为前提。
目前国际上不同专利商对于液硫管道有不同的坡度要求，例如：B&V的要求为0.3%~1.5%；Technip的要求为1%~3%。根据专利商的要求和工程经验的总结，液硫管道在装置内的主管廊及系统管廊布置时，由于输送距离较远，高差较大，采用0.3%~1%的坡度，在装置分区内布置时采用1%~3%的坡度，与该管道相连接的相关设备例如硫冷器、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对拆卸法兰，法兰处通过蒸汽跨接线进行串接，在转向、分支处，不应有死角或U型弯，需要采用四通连接，四通的盲端用法兰盖盲死。该设计主要考虑管道堵塞后可以拆卸，可从不同的方向进行清理。
3.2.3 液硫管道的法兰和阀门
液硫管道管件依据夹套管内外管的组合尺寸表进行选择[8]，并应考虑内管和外管之间的连接和配合。
夹套法兰根据内管和外管的焊接型式不同，分为内管对焊外管对焊法兰、内管对焊外管平焊法兰、内管承插焊外管平焊法兰等。其中，内管承插焊法兰的焊缝属于隐蔽型角焊缝，很难进行射线探伤，且液硫中含有微量H2S，应避免使用。
夹套法兰还分为带蒸汽孔和不带蒸汽孔的法兰，带蒸汽孔夹套法兰加工精度要求高，蒸汽孔处在加工过程中容易产生裂缝，裂缝处内管硫磺介质会堵塞蒸汽孔，外管蒸汽也会窜入内管硫磺介质中。因此，通常采用不带蒸汽孔的法兰，法兰两侧利用跨线连接。
根据阀门型式的不同，夹套阀门分为夹套球阀和夹套旋塞阀两种，夹套阀门阀体上带有进气孔和回水孔。当阀门手轮水平布置时，进气孔和回水孔应位于阀体中心；当阀门手轮垂直布置时，进气孔和回水孔应位于阀体底部。
3.2.4 液硫管道的夹套伴热
由于蒸汽夹套伴热有效接触面积比伴热管的接触面积大很多，依据SH/T 3040-2017《石油化工管道伴热和夹套管设计规范》的有效伴热长度进行设计时[8]，管道末端存在伴热效果不佳的情况。蒸汽夹套伴热的有效长度通常为24~36 m，根据伴热管管径大小可进行适当调整。
液硫在管线末端极易发生凝结，例如压力表和温度计末端、四通末端。因此，在管线末端处应考虑单独设置伴热蒸汽点和回水点。
液硫管线的夹套伴热需要按照分支划分蒸汽点和回水点，即每个分支的伴热保证1个蒸汽点对应1个回水点，也可以采用2个或2个以上的蒸汽点对应1个回水点，但蒸汽点的个数不宜超过3个。
4 结语
硫磺回收装置由于要求的压降小，加之液硫的特殊性质，需要紧凑布置，且过程气中含有H2S、SO2、H2O等介质，会对硫冷器、加热器等冷换设备产生腐蚀，在平面和立面布置中要充分考虑检维修空间，必要时可考虑整体吊装。对于处理规模较小的装置，必要时可考虑撬装，硫冷器可采用一、二、三级同壳程结构，液硫储槽可代替混凝土结构液硫池。总之，硫磺回收装置的平(立)面布置和管道设计应根据装置酸性气中H2S含量和装置规模等具体情况进行调整，合理的平面布置和优化的管道设计还有待进行不断的研究和探索。
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中国石油天然气股份有限公司规划总院.石油天然气工程设计防火规范: GB 50183-2004[S].北京: 中国计划出版社, 2005.
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中国石油化工总公司洛阳石油化工工程公司. GB 50160-2008《石油化工企业设计防火规范》(2018年版)[S].北京: 中国计划出版社, 2004.
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| [6] |
唐永进. 压力管道应力分析[M]. 2版. 北京: 中国石化出版社, 2010: 79.
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| [7] |
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| [8] |
中石化上海工程有限公司.石油化工管道伴热和夹套管设计规范: SH/T 3040-2017[S].北京: 中国石化出版社, 2017.
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2020, Vol. 49