液体硫磺储罐设计要点

赵 凯

(中国恩菲工程技术有限公司化工事业部，北京 100038)

液体硫磺储罐设计要点

赵 凯

(中国恩菲工程技术有限公司化工事业部，北京 100038)

介绍了液硫储罐几种腐蚀机理和防护措施；探讨了储罐加热系统的设计要点；提出了储罐平台、盘梯设计的注意事项。

液硫储罐； 防腐蚀； 加热盘管； 盘梯

0 前言

目前，生产硫酸的主要方法有硫磺制酸、冶炼烟气制酸和硫铁矿制酸。对于硫磺制酸工艺流程，随着产能要求的提升，需要装置和设备的规模越做越大，液体硫磺的储存就显得非常重要。液体硫磺储罐一般为大型立式圆筒型常压储罐，设计温度在130～145 ℃之间，由于液体硫磺具有独特的特性，决定了液硫储罐非同一般大型储罐的设计思路。规范合理的设计液硫储罐是保证安全生产的关键和源头。

1 液硫储罐防腐蚀设计

1.1 腐蚀机理

液硫储罐的内部和外部有着不同的腐蚀工况，内部主要是介质产生的一系列反应腐蚀，且内部腐蚀是造成储罐破坏的关键原因，外部主要是大气与挥发物共同作用进行的腐蚀。[1]

(1)高温硫腐蚀

由于液硫储罐的操作温度在130～145 ℃之间，在液体硫磺与储罐顶盖之间区域，水蒸气，硫蒸气与铁发生复杂反应，随着温度的不同，铁被腐蚀的情况也不同，所以温度控制是关键因素，100 ℃是个临界点，如果高于此温度，硫蒸气与反应生成的硫化亚铁膜具有较好的保护性能，如果低于这个温度，生成的硫铁化合物无保护作用，根据这个原理来控制壁板温度就是非常重要的。

(2)大气腐蚀

液硫储罐顶部一般设置通气孔，防止负压过大引起设备变形。由于与大气直接相同，不可避免地产生大气腐蚀，生成一定量的铁锈，进一步在H2S作用下生成FeS。硫蒸气通过排气孔排出，随温度下降后冷凝积聚在排气孔周围，慢慢渗入保温层，如雨水进入后就会发生腐蚀反应，使顶盖变薄。

(3)低温湿硫化氢腐蚀

液硫储罐内的储存温度与输送液体硫磺时的温度存在一定的不同，如果经过非常长的距离输送后，会向外界挥发产生一定的硫化氢，同时，在液硫中还夹带有一定的水分，水分在输送过程中会蒸发，当罐顶、罐壁伴热和保温存在缺陷时，水蒸气就会在稍低温度处积聚，会出现凝结水，从而造成有水分存在下的低温硫化氢腐蚀。

1.2 防腐蚀措施的选择

经过以上腐蚀原因的分析，了解到温度控制、与大气隔离和壁面防腐保温等是主要措施，在工程实践中主要有以下几种方法：

(1)氮封装置

氮封装置，即在设计储罐时，在储罐顶部通气孔处安装安装氮封装置，通过压力调节，及氮气比硫蒸气轻，所以出口处氮气浮在硫蒸气上面，达到控制外排硫蒸气的目的。特点是：安全系数高，有一定的局限性，生产成本高。

(2)防腐蚀衬里

在实际工程中，国内外多采用防腐蚀内衬保护层的方法，常见的防腐蚀涂层有：耐酸胶泥涂层、玻璃鳞片涂层和丁基橡胶涂层。特点是：成本低，安装操作方便；涂层在气液接触部位容易老化脱落而腐蚀严重。

(3)喷涂防腐蚀涂料

经过多年实践，发现热喷涂技术在液硫储罐的实际运用中有最好的防腐蚀效果，运用最安全。常用的技术主要有热镀锌工艺、热喷涂锌、铝及其合金等工艺。特点是：投资较小，施工简单，减少罐内硫化亚铁的产生，避免发生自燃事故。

2 加热与保温设计

通过对腐蚀原理的分析，发现温度控制是至关重要的；与此同时，液体硫磺具有独特的粘度特性，即当温度为120～158 ℃时，液硫的粘度最小，其流动性能最好，故一般液硫储罐设计时，要确保液硫温度在130～145 ℃范围内，避免硫磺在储罐内壁和放空管处凝固沉积。根据温度控制的需要，设计时需要考虑在哪些部位设置测温装置，用来检测储罐内不同区域的温度，以便及时调节蒸气用量。

前面提到，储罐内液硫温度应保持在130～145 ℃，首先，加热盘管需浸没安装在液体硫磺内部；其次，储罐外壁贴衬保温层，储罐顶部设置保温盘管，这样加热和保温措施共同作用，能够弥补从设备与外部热交换损失的热量，确保了温度在可控制的范围内。[2]

2.1 传热面积的计算

储罐内加热盘管内介质，多用0.4～0.5 MPa(绝压)的饱和蒸汽，由于克服热损失所需的传热面积要比熔硫部分小，一般采用传热面积理论计算公式如下：

F=QT/(3.6KΔtm)，m2

(1)

式中F—传热面积，m2；QT—设备散热损失，kJ/h；K—传热系数，W/(m2·K)； Δtm—蒸汽和液硫的温度差，K。

参数的确定：

(1)传热系数的确定：管内蒸汽，管外熔融硫自然流动时，K=110～200 W/(m2·K)。

(2)储罐的散热损失组成：设备内部液体硫磺与气相之间的传热，设备底部与外界土建之间的热交换，大气与设备外表面之间的热交换。更多的时候我们还需考虑具体工程所处的当地实际情况以及工艺配置因素的不同等。

通过以上分析，计算表面散热是一项非常繁琐的工程。在工程实践中往往根据以往经验和实际工程的应用效果得出的数据，即传热面积与散热面积的比值数据作为参数来确定传热面积。

在历史的数据对比中，液硫储槽所需传热面积一般为0.2～0.4 m2/m2(罐壁和顶盖面积)或0.12～0.2 m2/m3(设备容积)就足够了。然后根据计算出的传热面积，选择适当直径的盘管。

2.2 罐内加热盘管的布置

一般情况下，设备底板不设置保温层，底板损失热量较大，这样就要尽量地把加热盘管布置在设备底板区域。在设备底板上每隔一段距离设置支架，把盘管用U型螺栓固定在支架上，均匀地布置盘管组，让每组盘管进出口伸出壁板后都连接到一根母管上，每根支管与母管间安装调节阀单独控制蒸气流量，一旦有支管发生泄漏或其他故障，可以关掉阀门进行屏蔽。

2.3 罐顶外部蒸气盘管的布置

由于防止热应力影响，罐顶蒸气盘管不能直接焊接在罐顶部，否则容易拉裂产生漏气现象。一般的解决办法是用尺寸稍大角钢每隔一段距离盖住盘管后焊接在顶盖上，为了能够更多的布置蒸气盘管，在罐顶边缘一进一出蒸气，然后向中心逐渐螺旋线形布置，可以根据制造和施工方便，可以把整组面积的盘管拆分为相同规格的机组，在工厂预制后，到现场直接安装焊接。

3 平台与盘梯设计

设备顶部设有多个工艺管道管口、仪表测口以及保温用的蒸汽盘管设施，操作人员需到储罐顶部进行定期检查，由于高温操作，这样安全措施必须做到充分无误。

储罐顶部平台与护栏的设置要求。液硫储罐的直径一般较大，罐顶多采用自支撑固定顶的球型顶结构，球顶坡度较大，所以必须设置到经常检查处的平台，顶盖上的护栏高度需根据球顶角度调整到至少满足人员站在边缘处高度的要求。

储罐盘梯的设置。对于大型立式圆筒型钢制储罐，螺旋形盘梯的设计通常采用两种形式。一种方法是盘梯焊接成整体一组，同时在罐壁上焊接一定数量支架，然后盘梯与支架相焊接。这种方法盘梯应该设有内、外侧板，整个盘梯可以在工厂预制。另一种方法是螺旋形盘梯的每个踏步与罐壁直接焊接，踏步之间还需要有栏杆立柱互连，这样才能形成一个整体。对于液硫储罐，由于设备外壁温度较高，热膨胀是主要问题，常用的解决办法是在采用螺栓连接盘梯与罐壁，这样第二种盘梯的设计是不适合应用在液硫储罐上的。此外，连接板应与设备外壁完全焊接焊透，焊缝应打磨光滑，以减少热应力的影响。对于小型储罐，可以在设备旁设置土建的钢梯来代替螺旋形盘梯。

4 结束语

液硫储罐是硫磺制酸流程中的重要设备，数量多，危险性高，设计阶段应全面考虑，正确选材，从源头上精细设计，注重每个细节，这样能够延长储罐的使用寿命。

[1] 陈刚.大型液硫储罐的内壁防腐技术[J].河南化工，2012，29(2)：20-23.

[2] 黄崇顺.800 kt/a硫磺制酸装置液硫储罐区及硫酸罐区设计探讨[J].山东化工，2011，40(8)：61-64.

Key Points of Liquid Sulphur Storage Tank Design

ZHAO Kai

This paper introduces the mechanism and anti-corrosion technology of liquid sulphur storage tank, discusses the key points of the heating system for storage tank design, and some matters needed attention on platform and spiral ladder.

liquid sulphur storage tank； anti-corrosion； heating coils； spiral ladder

2015-01-26

赵凯(1980-)，男，辽宁台安人，工程师，硕士研究生，主要从事化工设备设计工作。

TQ111.1

B

1003-8884(2015)02-0033-02