硫磺制酸火管锅炉的设计

1、硫磺制酸火管锅炉的设计俞向东（南化集团设计院）内容摘要硫磺制酸的炉气清洁无尘比较适合采用火管锅炉，而高参数硫磺制酸火管锅炉的发展在我 国刚刚起步，仅有短短两三年的历史。本文总结了我院曾设计过的常见的火管锅炉型式，并通过比较得岀适合大 型高参数硫磺制酸火管锅炉发展的炉型，同时还总结了火管锅炉关键部位的结构设计。近年来由于国际硫磺价格的不断下跌，以及环保的要求，我国硫磺制酸发展很快，新建或由 硫铁矿改造而成的硫磺制酸项目很多，规模也越来越大。由于硫磺制酸的炉气清洁无尘比较适合 采用火管锅炉，再加上火管锅炉有结构简单，操作方便，运行可靠，运行费用低，特别是中小型 火管锅炉的投资比水管锅炉省等优点，所

2、以最近几年来火管锅炉在硫磺制酸上的应用有了长足的发展。我院近几年来先后设计了十多套硫磺制酸火管锅炉分别应用于2万吨/年至40万吨/年的硫磺制酸装置中，并和国外多家锅炉制造商进行过硫磺制酸火管锅炉的技术交流，现将火管锅炉 设计的有关问题总结如下，希望能对火管锅炉设计、制造和运行管理者有所帮助。一. 工作压力的确定设计一台火管锅炉首先应确定其工作压力，而锅炉的工作压力又取决于锅炉产汽的用途，单一硫酸厂锅炉产汽一般用于发电（包括热电联产）,而综合化工厂内的硫酸装置，锅炉的产汽一般用于 外供或热电联产。对于产汽用于发电或热电联产的锅炉其工作压力应与所选用的汽轮机压力等级 相配匹，目前我国硫磺制酸装置采

3、用最多的就是中压锅炉配中压汽轮发电机组，也有少数厂采用次中压锅炉配次中压汽轮发电机组，中压锅炉的工作压力为4.0MPa左右，次中压锅炉的工作压力为2.5MPa左右。对于产汽外供的锅炉其工作压力既要考虑管网的压力同时又要考虑锅炉露点腐蚀 的问题。尽管国内有些硫磺制酸装置的火管锅炉长期在0.5MPa（对应的饱和温度为 152 C ）左右的工作压力下运行，也没有发生露点腐蚀，但笔者还是认为设计锅炉时确定的工作压力不应低于 1.0MPa（对应的饱和温度为 184 C ）。因为露点腐蚀问题很复杂，影响因素也很多，而目前防止露点 腐蚀最好的办法就是提高管壁温度，避免结露。二.总体结构设计硫磺制酸装置中火管

4、锅炉的主要作用是将硫磺焚烧后的高温气体冷却下来满足进入转化器 温度的要求，其进口温度一般为1000 C左右，出口温度为 440 C左右。根据装置的规模大小和产汽压力的高低，硫磺制酸火管锅炉有多种结构型式，但最常见的有三种型式，分别见图1-3。下面对三种炉型分别加以比较。=; ; =1 1申-+ -1 1- - - -=_=_ j j _ _r r- - - - - -s sT|1（一）炉型一此种炉型锅壳内下部布置受热管 （见图1），正常水位控制在受热管上某一位置，上部为蒸发 空间，汽水分离装置设在垂直汽包内，这种炉型的优点是结构简单，造价低但有如下的缺点。1.受热管布置在下部，管板受力状况较差

5、，需要采用较厚的管板，而采用较厚的管板，冷 热面温差又较大，由此引起的温差应力也较大。2 由于水位不能低于最上面一排换热管，同时水位也不能太高，否则蒸发空间太小，影响 蒸汽品质，所以这种型式的锅炉水位较难控制。3.锅壳上部为蒸汽下部为水， 管板对两种介质的放热系数相差很大，管板上，下存在温差,管板容易变形。由于以上的原因，这种型式的锅炉只能适用于小直径的低压锅炉，不能大型化，一般用于小 型硫磺制酸装置。（二）炉型二此炉型上部设一个汽包（见图2），汽水分离在汽包内进行，正常水位控制在汽包中心线附近， 汽包和锅壳之间用两根大直径的管道连接，连接管道一方面作为汽和水的上升和下降管，另一方 面又作为汽

6、包的支座。这种炉型锅壳内充满了水，克服了炉型一的管板受力问题，但是这种炉型 有一个明显的缺点，那就是汽水流动不够畅通，因为锅壳和汽包之间的两个大直径连接管既是汽 的上升管同时又是水的下降管，特别是当产汽量较大时管道内容易发生“汽塞”现象，使受热管 得不到充分的冷却，所以这种炉型也不能大型化，一般只能适用于中小型的硫磺制酸装置。（三）炉型三这种炉型同炉型二一样也是由锅壳本体和汽包两部分组成（见图3），但与炉型二不同的是连接锅壳和汽包的上升管和下降管是分开的。汽包和锅壳中间布置上升管，两侧布置下降管。锅壳 内产生的汽水混合物由中间的上升管流至汽包，经汽水分离后水沿两侧的下降管流到汽包的底 部，这样

7、形成自然循环回路。对中小型的锅炉，上升管和下降管可以作为汽包的支座，对大型的 锅炉为了要保证足够的循环倍率，不得不增加汽包和锅壳的高差，同时由于汽包重量的增加，为 了提高汽包的稳定性，也可以将汽包置于单独的平台上。这种炉型克服了炉型一和炉型二的不足之处，管板受力和汽水循环都比较好，能大型化和高 参数化。目前国外的大中型硫磺制酸的火管锅炉大多数采用这种型式，这也是我院重点研究和开 发的炉型之一。另外，作为以上三种炉型的派生炉型我院还开发出了一种带炉内中心旁通调节阀的火管锅 炉，利用锅炉的调节阀可以调节锅炉出口温度，这样可以取消炉外旁通管和旁通管上的高温调节 阀，从而节省占地面积和投资。这种炉型目

8、前已广泛使用在中小型的硫磺制酸装置中。三关键部位的结构设计从国内外火管锅炉运行情况来看，大多数停车事故都是由于管子和管板连接失效引起，而管予-ir图3子和管板连接失效与很多因素有关，其中最主要的影响因素有：1管板的设计，2管子和管板的连接型式，3换热管气体入口的保护方式。所以这些部位的设计是火管锅炉设计的关键，下面分别加以阐述。（一）管板的设计火管锅炉管板厚度计算的标准很多，但按其理论基础可分为两类，第一类是按整块管板受弯曲，管子和筒体不起支撑作用，这一类标准有美国的TEMA和中国的GB151等，按这类标准算出的管板厚度较厚而且管板厚度与直径成正比，直径越大管板厚度越厚。第二类是将管子和壳体

9、视为管板的支撑，这类标准有美国的ASME，德国的AD和我国的GB/T16508 等，按这一类标准算出的管板厚度很薄，而且管板的厚度与筒体直径无关。对大型高参数火管锅炉如果按第一类 标准计算管板厚度，其结果将非常厚。如直径为2600的中压火管锅炉，管板材料为20g，按美国TEMA标准计算出的管板厚度将超过200mm。这样厚的管板不仅加工困难，费材料，而且管板两侧的温差很大，从而会引起很大的温差应力。相比之下按第二类标准如ASME或德国AD标准计算出的管板厚度不到20mm ,这样不仅省材料，而且管板两侧的温差很小，同时由于薄管板可通过带曲率半径的过渡部分与壳体相连接，形成柔性结构，受力状态比厚管板

10、好得多。所以 硫磺制酸火管锅炉的设计，特别是大型高参数硫磺制酸火管锅炉的管板基本上都是采用第二类标准计算其厚度，这样管板厚一般小于20mm。（二）管子和管板连接型式管子和管板连接接头反复遭受热变形、热冲击、拉脱作用，容易产生破坏。故管子和管板连 接型式的确定也是非常重要的。管子和管板典型的连接型式有胀接、焊接、胀焊并用。由于高温 时的蠕变会使胀接残余应力松弛而造成接头失效，而硫磺制酸炉气温度很高，所以一般不用单纯 的胀接。焊接有两种型式，分别见图 4的型式a和型式b.图4型式a是强度焊接结构，由于管子和管板间的间隙会发生间隙腐蚀，所以一般也不采用。型 式b是全焊透结构，这种结构当管板较薄时用得

11、较多，而当管板较厚时，管间距必须加大，管壳 直径和厚度也会增加，同时由于管板刚性大，管子和管板连接处焊缝应力较大，容易发生破坏。 胀焊并用的形式也很多，最常见的形式见图4的型式c,焊接的目的是保证密封性能，和足够的强度，胀接的目的主要是消除间隙腐蚀，同时提高焊缝的抗疲劳性能。（三）前管板和换热管高温气体入口的保护前管板和换热管的入口处由于高温气体的热辐射和热冲击，很容易导致管板开裂和焊接接头的失效，因此必须加以热防护，通常前管板敷设一层特殊的耐火可塑料就能有效的保护前管板， 免受高温气流的冲击。换热管高温气体入口的保护和管板设计一样是火管锅炉设计的关键，因为此处有应力集中和有疲劳，同时受高温炉

12、气的冲蚀，很容易损坏。在石油化工和合成氨行业气体入口的保护方法很 多，最常见的是采用金属套管，但硫磺制酸的火管锅炉，由于炉气温度高，同时炉气中含硫，很 难找到合适的金属材料，故通常采用特制的非金属刚玉套管。保护套管的设计应注意下列两方面 的问题。（1）保护套管和换热管之间不能紧贴， 要留2-3mm 的间隙填充绝热材料， 这样一方面可以防止管板外耐火材料内的保护套管比插入换热管内的套管温度高得多而引起刚玉套管的破碎， 另一方面还能改善换热管入口的工作条件，有效地保护前管板和管子的胀焊结构。（2）保护套管必须插入换热管内足够的长度，这主要是为了使换热管的蒸发起点远离管板，以免管板上覆盖蒸汽，影响管板的冷却效果。四结束语以上介绍硫磺制酸火管锅炉设计的几个最主要的问题，实际上火管锅炉的设计特别是大型高参数火管锅炉的设计还有很多关键的问题，如锅炉的水动力分析，火管内炉气流速的选取，热力分析，管板应力的有限元分析以及管子热膨胀对管板应力的影响等。这些都