焚硫炉结构设计及材质选择.doc

38 1999年硫醣工业技术交流会论文集一一一-_一焚硫炉结构设计及材质选择夏毓芳(南化集团设计院2i0048)摘要筇合实例介缁了走型焚硫炉的设计，弗对耐火砌体材质的选择、膨胀的留设、机械雾化磺枪的选用、设备内籀墙和鑫赢装置的建置等进行r详述。关键词 焚硫炉 结构设计材质接触燃烧。炉内设置几道挡墙，以强化硫磺与空1引言气混合均匀。为防止其燃烧不够完全，常设二次焚硫炉是硫磺制酸装置中的关键设备。目前 风，用于补充氧量及调节炉膛温度，促使反应完 使用较多的为喷雾式焚硫炉，其结构简单、容积强 全，不致产生升华硫。 度大。炉型为卧式，一般均为钢制圆筒内衬保温现以某300 kta硫磺制酸装置中D4 200 砖和耐火砖。硫磺通过喷枪喷入炉内，空气由端mm焚硫炉(见图1)为例，介绍设备结构的设计和 部进气口进人，经旋jjif装置与雾化后的硫磺充分 主要部件的选材。工UnUHI， 。da 。d弋 态7。 f，。一iI一 II油、1l 曼奠椅_-_dL 虽Iiilj_一视镜 笔li；iQ、- 支鏖 Il ，妻；i 墨丁 7 J下 L甲I147图1焚硫妒结构 其主要工艺参数及特性如下： 液硫温度135145物料名称含S02、S03气体混台物设备外壳温度50(无钋保温) 炉膛操作温度1 1002炉墙设计炉膛操作压力0035 MPa雾化方式机械雾化 21炉墙结构喷硫量68 n，h 耐火砌体是构成焚硫炉的主要部分根据工 空气温度100 艺要求，没备不设外保温钢壳在操作时的温度不 空气流量70 638m3h 高于50，因此，炉体隔热保温是靠钢壳内部的夏毓芳 砖硫炉结构设计及材质选择保温砖和耐火砖。 的保温性能。但由于牿土质隔热耐火砖气孔率较 筑炉前，先在钢壳内表面涂刷石墨粉水玻璃大，组织疏松，抗渣性能较差，熔渣易侵入砖体气 防腐涂料两遍，El的是为防止钢壳制成后至筑炉7L内，使之破坏。而且机械强度低耐磨性能和热 这一段时间内大气的氧化腐蚀。筑炉时，自先衬震稳定性不好。所以一般仅作为隔热保温层，不一层3mm厚的石棉板用水玻璃粘贴在钢壳和 直接用于迎火面。 砌体之问起衬垫作用：其次，砌保温砖厚度230 牯土质隔热耐火砖的理化指标和尺寸允差应 mm；再砌耐火砖两层，厚度分别为114 mm和230 符合国家标准GB399483粘上质隔热耐火砖。 mm。筑炉后，在耐火砖体表面涂刷两层磷酸盐 设计中，选用牌号为NG一04。 防磨涂料，以减缓气流和火焰对耐火砖墙的冲刷 23钢壳温度校核和磨蚀，延长炉体使用寿命。 较低的炉外壁温度，可以减少炉子的热损失，22炉墙材料7提高炉子的热效率，从而减低生产费用。钢壳温221耐火砖 度低，还使其热膨胀量大大缩小，无疑对壳体本 粘土质耐火砖是A12鸥含量为3048身、支座及相连接管的受力情况有利。根据钢壳 的硅酸铝质耐热制品，它是以熟料作瘠化剂，以软的操作温度，设计时选用普通碳钢Q235一A为钢质粘土作结合剂，在1 3001 400温度下烧成 壳材料。的，最高使用温度为1 250，并具有良好的热震计算时忽略钢壳及石棉板的热阻，根据多层 稳定性。粘土质耐火砖属弱酸性耐火材料，具有圆筒壁导热计算公式(参见图2)进行计算。 较强的抗酸性渣侵蚀能力，抗熔渣渗透性也好。I=16上述特性能够满足焚硫炉操作工况的要求。而且该材质价格低廉，可降低筑炉成本。所以，焚硫炉耐火砖全部采用粘土质耐火砖。 本炉砌体所用耐火砖，大部分均为矩形砖和楔形砖。根据国家标准GB4415 84粘土质耐火 砖，选用牌号为Nl的耐火砖，其物理指标最 佳，耐火度高达1 750常温耐压强度大于30MPa。耐火砖形状尺寸偏差须严格按照国家标准的规定，这是方便砌筑、保证砌体质量的前提。图2砌体导热示意222保温砖2M(fl一。)每种保温材料都有它的适用温度，在选用时Q不能超过其范围，否则达不到保温效果，甚至会造寿-唁+忐n尘r2+去成事故。以往焚硫炉保温砖多采用硅藻土砖，一式中：Q传热量，W；般钢壳温度为70100。但本设计要求钢壳温卜一圆筒长度，m；度不大于50，这就对保温砖的要求提高了。rl、r2、，耐火砖层和保温砖层的内外经传热计算，保温砖与耐火砖接触面温度高径，m； 达917。而硅藻土砖的最高使用温度为900l、A2耐火砖、保温砖的导热系数，W，不能满足要求。(m)； 粘土质隔热耐火砖属轻质砖是在制砖时加。o一炉外墙与空气问的给热系数，W(in2入某些特殊物质后烧成的。具有气孔率高、密度 )，由下式计算： 小、热导率低的特点。其多孔结构使其具有较好a0116+7w40I 999年硫酸工业技术交漉含论文集风速，n1s；材料的性f盖和工作温度。 t耐火砖内表画温度，；热膨般量线性关系式为“。： t。捷硫炉外环境温度，、，AL=口L(ttn) (7) 由(1)式求得多层圆筒壁的传热量，即可计算式申：上L一一热膨胀量，mm；出耐火砖与保温砖接触面温度以及保温砖外侧表a平均线膨胀系数，l；面温度，即钢壳表面温度： j，冷态温度下的砌体长度，mm；砌体最高工作温度，；(3、f2=tlz州Q-鱼-，In rr-z，。冷态温度，1C。t3=2-罴In鲁(4)本设计选用的耐火砖和保温砖的平均线膨胀系数分别为610“厂c和S210“，。耐火式中：r2耐火砖与保温砖接触面温度，5砖的设计长度为13 600 mrfl，保温砖的设计长度t，保温砖外侧表面温度，。为14 070 nlm。在操作状态下，由(7)式得内层耐对于设计所选用的耐火砖和保温砖，其导热火砖、外层耐火砖和保温砖的热膨胀量分别为88系数关系式分别为：fom、78 ITlrrl和66 ITIlII。粘土质耐火砖：因此，设计时在简体炉墙与前端墙和后端墙1=084+05810。，。(5) 之间均分别留设了2025 mm的膨胀缝。对内 粘土质隔热耐火砖：层耐火砖而言，由于挡墙被砌人内屡耐火砖，每堵2=009+01610f。 (6)挡墙两侧分别留设了10 nm的膨胀缝，可以保证 式中：t。耐火砖或保温砖平均泓j=，t、， 其总的膨胀量。对外层耐火砖厦保温砖而言，除由于焚硫炉散热损失相对较小筻琉炉内耐两端所留膨胀缝外，还在砌筑时基本等间距设置 火砖表面温度就等于炉气土添盘瞧，郜“=1 OO 10mm膨胀缝若干条，以保证总的膨胀量。大气温度以年平均温度计，910 f。=161：c。设计风速取当地年平均风速3 ms，由武(2)得，a。 3挡墙设计=237W(m12)。 焚硫炉内折流挡墙的设置，可增强炉气湍动 初设t 2=9t5、t 3：45，由5 J式得粘土 的程度，增加炉气流动速度，改善炉气在焚硫炉内 质耐火砖的导热系数2，=142 w(n1-)：由 的分布和延长停留时间，促使硫磺在炉内充分燃 (6)式得粘土质隔热砖的导热系数，=O17W烧，减小炉气流动过程中的死匠。根据本炉的出 (1312)。通过迭代计算，得到t，=917、，= 气i21方位，第一、三堵挡墙开口位于上部，第二堵42，即钢壳表面温度为42 谈算结果表明，挡墙开口位于下部。该炉墙结构已满足设汁对温度的要求。 由于挡墙直接受到炉气气流的冲击和挡墙前24膨胀缝设置 后的温差，挡墙往往会逐渐倾斜倒塌。为避免发 砌体在谍帆岳，内于温度升高体积会发生生上述觋象，挡墙设计为嵌入内层耐火砖砌体内， 膨胀，产生内R? 其膨胀量与泥浆收缩或砖的 并在四周设置了膨胀缝。另外，还要求挡墙必须残余变形7、毛全徊导。若炉砌体没有留设膨胀 错缝砌筑，以提高抗冲击能力。缝，由于应力争-系会使炉子变形，或使砌体挤碎、对整个炉墙而言，挡墙位置的载荷为集中载 拱起。蟛胀缝：内作用，就是消际砌体受热膨胀所荷，由罔1可见，在每堵挡墙位置均垃计了支座 产生的内应匀膨胀缝留设的原则是：不减弱砌考虑到保温砖的耐压强度较低不能用于承重结 体的强鹰不鸽f：lIc山炉气流谣二匀缝隙。同时，还应 构。需将保温层下部120。范围内的5圈保温砖用 均匀地分j溜设膨胀缝的大小主要取决于耐火耐火砖替代。该替代将使此范围内的钢壳温度刃夏毓芳 焚硫炉结构设计及材质选扦高。根据(1)式，此时式中的l、x2均为耐火砖的经迭代计算得到：耐火砖与保温砖接触面温 导热系数，经迭代计算后得此处钢壳表面温度为度为962，保温砖与硅酸铝纤维毡接触面温度93。 为544，硅酸铝纤维毡外表面，即钢壳表面温度 为45，与焚硫炉主体钢壳温度接近，满足设计4炉气出口要求。根据工艺要求，出气isl内径为2 ooomm，由 由于粘土隔热耐火砖不能直接接触炉料，所 于温度高，出气口与工艺管道的连接采用简易的 以在迎火面砌一层耐火砖。 环板式膨胀节连接结构，详见图3。5旋流装置旋流装置安装在炉墙端部空气人口位置，起 导流作用，从现已运行的硫磺制酸装置发现，焚硫 炉人口若不加空气导流叶片，炉内靠近气体人口 下部细炭灰聚积，可见炉内气流死角很大，炉膛利 用率不高，空气与液硫混合不佳，对接管本身而亩，希望设计温度接近壳体温摹气流I圉3妒气出口结构1l度，以防止其因热胀冷缩而产生较大的温差应力。A但接管部位不宜采用同瓣墙等厚的隔热保温层，气藏因此需要选择一种保温性能好的材质，以减薄隔 乡夕热保温层的厚度。囤4 旋流装置硅酸铝纤维是种人造无机非金属纤维材由图4可见，气流是分两部分进入旋流装置料，是新型的轻质耐火隔热材料。它的主要优点的：一部分从切向进口管进人圆筒，从小圆锥筒内是耐高温热导率小，化学稳定性好，而且具有良旋转而出；而另一部分则穿过内外圆锥筒之间的好的热震稳定性能；缺点是强度低，易受气流冲空隙，空隙内装有几条螺旋叶片，气流进入后分别刷、物料摩擦作用而损坏。硅酸铝纤维毡则是将 沿各槽道作螺旋运动。通过旋流装置后，可加强耐火纤维放入古结合剂的水溶液内均匀混合，然 早期混合过程，使气体在炉内剧烈旋转j造成切向后将混和液注在规定的滤网上，直至纤维层达要扰动，有利于消除死角。该装置结构简单，制作方求的厚度。常用纤维毡的规格为400 nlm600便，阻力小，且效果明显。mm，厚度为1040 mm。 考虑到焚硫炉内l 100的高温，旋流装置 考虑到本设备工况，硅酸铝纤维毡不宜作为材料选用耐热钢2Cr25Ni20。该材料有良好的抗 热面层材料，接管部位的保温结构设计由内至外氧化、抗热疲劳性能，最高使用温度达1 150为：耐火砖230 inill，保温砖114 mm硅酸铝纤维 能满足焚硫炉操作工况的要求。毡40mmo由于随着密度的增大硅酸铝纤维毡 导热系数逐渐增大，且其价格也相应提高，因此，6鞍座设计选择中有个最佳值的问题。设计选用了密度为 鞍座是由垫板、腹扳、肋板和底板构成的见200ktm3的硅酸铝纤维毡，其导热系数：图5。通过垫板、鞍座接受容器载荷，肋板的作用3=005+00710“f。2(8)是将垫板、腹板和底板连成一体，加大刚性一起-421t199年硫酸1：业技术交流会仑文集有效地传递压缩力和抵抗外弯矩 液硫雾化；另一类是空气雾化，即靠加压空气使液 硫雾化和夺气雾化喷枪相比机械雾化喷枪是有其优 越性的：(1)由于机械雾化喷枪是靠液硫离心力雾 化，小需加压风机，简化了流程。(2)由于流体压 力大不易堵塞，故结构相对简单，加工容易，操作 方便。因而、设计选用机械雾化的硫磺喷枪。根据本设备的生产能力，采用两支喷枪喷枪图5鞍座压力0510MPa，容积强度667104 kl(m3鞍座分成两种型式，一种为固定鞍座，另种h)，喷雾角度90。为话动鞍座。设备受热要伸长，如果不让设备有8结束语自由伸长的可能性则器壁中将产生热应力。钢制容器每l温升将产生约25 MPa的应力。本 以上简单介捃了袭硫炉设计结构及选材方面设备壳体16到操作状态的42，其热应力为 的一些特点，可以概括为：机械雾化磺枪的选用和653 MPa。 设备内挡墙、旋流装置的设置可使硫磺充分燃烧， 由(7)式得，操作状态下的焚硫炉受热后伸缩保证了工艺操作的正常进行；耐火砌体材质的合 位移为47 mm。因此，在设计时量热波#的鞍 理选择可以减小设备的热损失，膨胀缝的留设消 座总是仅将一个鞍座做成固定，其余做戌町活动除了砌体受热膨胀产生的应力；固定鞍座和滑动 的，保证设备在温度变化时自由仲纬。本设备6鞍座的合理安排则保证了设备在温度变化时能自 个鞍座，每个鞍座下安装基础垫板，基