化工论文：高含硫天然气净化厂克劳斯炉酸气管道碳化原因分析及其处

　　化工论文：高含硫天然气净化厂克劳斯炉酸气管道碳化原因分析及其处理（一）

　　0 背景

　　中石化广元天然气净化有限公司，是元坝大型气田主要的天然气净化厂（以下简称元坝净化厂）。其设计年处理高含硫酸性气40亿方，年产净化气34亿方，年产硫磺30万吨。元坝气田原料气成分复杂，包括H2S、CO2、COS、甲硫醇等11种成份，其中H2S含量高于60000ppm，人体生命不可逆转浓度为1000ppm，同时天然气脱硫及溶剂还原等工艺存在的高温及高压特点，使得净化厂联合装置运行工况风险极高，尤其是原料气过滤器、脱硫塔、克劳斯炉酸性气管道等处，过程介质中H2S体积含量高达40%，一旦泄露，后果不堪设想，不但对现场操作人员，甚至对整个厂区工作人员、周边村民的生命安全构成重大威胁。

　　克劳斯（Claus）法是目前天然气净化广泛应用的硫回收工艺，其工艺过程为含有H2S的酸性气体在克劳斯炉内燃烧，使部分H2S氧化成SO2，然后SO2再与剩余的未反应的H2S在催化剂的作用下反应生成硫磺。

　　克劳斯反应方程式：

　　H2S + 3/2 O2 → SO2 + H2O （1）

　　2 H2S + SO2 → 3/X Sx + 2 H2O （2）

　　故：当量燃烧时，应有1/3的H2S转换为SO2。

　　通常根据酸性气其中H2S含量的高低，分别采用直流法（H2S>50%，炉内硫回收率可达60%以上，但需保证燃烧炉内火焰稳定，温度较高，对耐火衬里要求高）、常规分流法（15%< H2S<50%，硫全在催化反应阶段生成，催化反应阶段负荷高，且易积碳）、直接氧化法（H2S<15%）。

　　常规克劳斯非常规分流法（30%<H2S<50%）：

　　该方法是化工论文发表元坝净化厂首次在国内采用的具有自主知识产权的克劳斯工艺。

　　元坝净化厂再生塔中解析出来的酸性气H2S含量在41% ～48%。

　　将酸性气分为两股通入克劳斯炉，第一股（一区酸性气H2S>1/3）进入炉头与当量空气燃烧生成SO2，多余的H2S在炉头起到了降温的作用，既保证了产生较高热量在炉内进行克劳斯反应，又降低了对耐火衬里的要求。第二股H2S（二区酸性气）进行炉体中部，与炉头过来的SO2进行高温克劳斯反应，这样在燃烧炉内硫回收率即可达到60%以上，降低了催化反应阶段的负荷，及积碳风险。

　　1 问题发现

　　1.1弯头漏水

　　2015年3月，净化车间在对第一联合装置的例行巡检过程中发现，硫磺回收单元克劳斯炉二区酸性气（非常规分流法中小于酸性气总量2/3的部分酸性气直接进入催化反应区）进料管道弯头下部地面有水渍，怀疑弯头伴热管线（图 1）泄漏，拆除保温发现，该处酸性气进料管道90°弯头外表面存在大面积严重烧黑现象，如图 2所示。

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　　1.2壁厚检测

　　车间立即将该情况上报，并在第一时间对现场进行了隔离，对该部位进行测漏检测，防止H2S气体泄漏造成人员伤亡，如图 3。同时组织维保人员对该弯头部位进行测厚检测，并对一联合西侧、二联合东西两侧弯头相同部位进行检查。

　检查发现，该处弯头碳化表皮脱落严重，如图 4。最后经质量监督总站测厚表明：一联合装置的克劳斯炉东侧酸性气进料管道壁厚由12mm减薄（最薄处仅2.1mm），如图 5，存在巨大的高浓度H2S泄漏风险！

　　2 原因分析

　　从弯头破坏形态来看，主要原因是超温导致的钢材高温碳化，同时伴随化学及电化学腐蚀，导致表层脱皮减薄。

　　由基础设计可知，进料处弯头管线材质为20#钢，壁厚为13mm，运行温度40~60℃，而该处弯头直接接入F-302反应炉，设计温度350℃，它的作用是通过化学反应处理含有H2S的酸性气体，实现单元硫回收。

　　可以判断，是反应炉内高温气流回窜至弯头处导致弯头高温碳化。

　　2.1装置开停工

　　2015年第一、二联合停工检修次数较多，在此期间，点炉烘炉时酸性气流量极低甚至为零，此时在进料管线处极易引起回火，进而导致管线的超温状况，引起高温碳化。

　　2.2常规克劳斯非常规分流工艺

　　净化厂采用常规克劳斯非常规分流法，通过控制进入一区燃烧的酸性气量为总酸性气量的1/3来控制炉温，导致进入二区催化反应部分的酸性气量低于总量的2/3。当处理量较低时，为了保证燃烧炉内不超温，进入二区的酸性气量相应减小。当二区酸性气流量较低，存在反应炉气流回窜的风险。

　　2.2蒸汽泄漏潮湿环境

　　蒸汽伴热管焊接质量问题。焊口泄漏蒸汽产生水汽，保温棉吸水导致管道长期处于潮湿环境，发生化学腐蚀及电化学腐蚀，同时高温环境大大加快腐蚀速度。

　　综合作用下，导致了弯头处腐蚀严重，管道减薄，表皮脱落。

　　3 现场处理

　　由于净化厂连续生产的特殊性，不能立即停产进行处理，故处理过程分为临时应急处置和停工整改两个过程。

　　3.1临时应急修复

　　根据缺陷的大小和类型，制定出管道碳纤维复合材料补强方案，使其恢复或达到无缺陷管道的强度水平。“管道补强”是通过某种手段对管道进行修复，如复合材料修复技术，以起到增加管道强度、恢复管道安全运行的目的。