焦化厂烟气净化生产中硫回收单元废热锅炉一体化设计

焦化厂烟气净化生产中硫回收单元废热锅炉一体化设计

1废热锅炉设备设计废热锅炉是焦化厂气分、沼气处理生产线硫回收单元的主要设备。为满足系统工艺要求,传统废热锅炉的结构设计均采用前后两套废热锅炉才能实现硫磺的充分回收。合肥通用机械研究院对其系统工艺特点进行了深入研究,在废热锅炉设备设计中采用了在汽包中增设蒸发器的创新型结构,实现了硫回收单元废热锅炉的一体化设计。该新型废热锅炉的设计既满足了系统工艺的要求,达到了节能减排、硫磺资源充分回收,同时又降低了设备一次性投资和减少设备占地等。2硫回收装置的系统工艺进度2.1利用高温过程气,回收利用利用三大废气该工艺可有效脱去焦化厂煤气净化生产中克劳斯炉产生的高温过程气中含有的高浓度S,SO2,H2S等有毒有害气体,使过程气达到排放标准,并回收硫磺资源和获取有用的蒸汽资源,获得显著的社会效益和经济效益。2.2脱硫废水克劳斯炉产生的含硫及硫化物的高温过程气→经过废热锅炉(冷却器Ⅰ)降温→降温的过程气流经硫磺捕集器Ⅰ实现硫磺收集→过程气进入硫反应器反应→经硫反应器反应升温的过程气再次进入废热锅炉(冷却器Ⅱ)降温→降温的过程气流经硫磺捕集器Ⅱ再次实现硫磺收集→达到排放标准的过程气直接排放。2.3创建工艺参数：废弃热锅炉冷却器(1)表1显示了冷却器老年热锅炉的主要技术标准(2)表2显示了冷却器低温湿热锅炉的主要技术标准3全硫回收单元的废热锅炉的总体结构为3.1植物叶片液—硫回收单元传统废热锅炉结构硫回收单元传统废热锅炉总体结构见图1,汽包与废热锅炉本体之间通过4根上升管及2根下降管联结,利用汽水密度差及汽包的高位实现自然循环,使系统安全运行。图1中硫磺捕集器设置在废热锅炉本体出口管箱内,冷却后的过程气流经硫磺捕集器使液态硫磺收集后经冷却后排出并收集。由于传统废热锅炉结构原因,必须在硫反应器前后布置两套废热锅炉才能实现硫磺的充分回收。3.2汽包系统设计要点新型废热锅炉结构上最突出的创新点是减少了低温过程气冷却器Ⅱ(低温废热锅炉)。根据废热锅炉设计工艺参数,取消了低温废热锅炉后,必须在高温废热锅炉本体或汽包中增设能使过程气再次冷却的换热器,以便使经硫反应器反应后的含硫过程气冷却并产生蒸汽和回收硫磺资源。通常废热锅炉主要由废热锅炉本体、汽包及上升管和下降管组成。废热锅炉本体其实质是一台蒸发换热设备,热源为高温过程气,被加热介质为接近饱和的锅炉水;汽包应具有足够的蒸汽容积和水容积,主要作用是使本体中换热管在热负荷作用下能持续得到适当的水量,并由汽包的高位系统及汽水密度差获得一定的循环动力,以满足水循环可靠性的各项要求;汽包内部设置汽水分离装置,使汽水混合物在汽包内充分分离,得到含水及杂质少的蒸汽;锅炉给水在进入废热锅炉本体前在汽包内加热到饱和,提高了循环动力;饱和的锅炉水经下降管流入废热锅炉本体进行加热蒸发,本体中的汽水混合物经上升管流入汽包,如此循环达到废热锅炉系统的安全运行;根据汽包的独特作用,一般汽包内不能设置蒸发换热管,以免影响水循环和废热锅炉本体的安全可靠性。对废热锅炉设计参数作了多种方案进行比较,并通过传热计算、流阻计算及水循环计算,提出了两种一体化设计方案。即在汽包筒体下半部储水部分直接增设一组蒸发器的方案以及在废热锅炉本体中直接增设一组蒸发器的方案。经传热计算、流阻计算及设备强度计算,在废热锅炉本体中直接增设一组蒸发器存在两大缺陷,一方面造成设备结构极为复杂;另一方面废锅本体管板由于两组蒸发器介质温差的不同而引起的管板上下两部分的温差应力较大,管板的设计困难,甚至很难确保废锅运行过程中的安全可靠性。而在汽包筒体下半部储水部分增设一组蒸发器,虽然有别于传统汽包的设计,但根据设计参数进行详细计算,其结果完全可行,并能确保系统水循环正常工作。最终设计的新型废热锅炉系统总体结构见图2。3.3降低设备一次性投资、降低设备非主体工程性投资的要求新型废热锅炉由于创新型的一体化设计,达到了系统工艺要求及节能减排、回收资源、降低设备一次性投资、减少设备占地的要求。其中减少了一套废热锅炉系统,可减少设备占地约80%,节约设备一次性投资60%～70%,同时减少了生产过程中设备的维护费用、缩短了检修周期,使系统设备的布置更为简捷、紧凑,管道布置更为简略。4系统前道对比及计算结果根据表1和表2的设计工艺参数,新型废热锅炉本体(冷却器Ⅰ)选用GB3087—1999中材质为20的换热管,换热管尺寸∅32mm×3mm,正三角形布管,管间距64mm,布管数量240根。传热计算结果为:计算传热面积172.3m2,施工图设计面积179.7m2;汽包蒸发器(冷却器Ⅱ)选用GB3087—1999中材质为20的换热管,换热管尺寸∅32mm×3mm正三角形布管,管间距40mm,布管数量118根。传热计算结果为:计算传热面积82.1m2,施工图设计面积88.6m2。新型废热锅炉本体(冷却器Ⅰ)进出口之间过程气流动阻力计算值(1015Pa)小于允许流动阻力(2000Pa);汽包蒸发器(冷却器Ⅱ)进出口之间过程气流动阻力计算值(1575Pa)小于允许流动阻力(2000Pa)。利用三点法(假设三个循环水量)进行自然水循环回路试算,从试算结果自然循环工作特性曲线可得到真实循环水量约为142000kg/h(下降管入口处水流速约为1.17m/s),循环倍率K(循环水量与本体产生蒸汽量之比)为47.5,满足自然循环安全要求。5新型全热锅炉的结构设计5.1管板及过程气回收工艺设计按工艺参数要求,过程气出口温度为158℃、仍含有较高的硫化物未能达到排放要求,必须再次进入硫反应器进行反应,而硫磺沸点约为444.6℃、熔点约为119℃,因此为了控制废热锅炉本体出口温度在一定范围内,本体设计中设置了用于过程气出口温度调节用的∅219mm×8mm中心旁通管;由于本体管程与壳程之间温差较大,为避免温差应力导致管板失效,设计中前后管板均采用柔性管板,壳体直径DN1400mm,管板材质为16MnR(GB6654—1996)、管板厚度均为18mm,并对管板进行局部应力分析法进行分析校核,以确保管板设计的安全可靠性;由于过程气入口温度达1200℃以上,因此∅32mm×3mm的换热管入口端组焊了∅40mm×3mm过渡管(结构见图3),以便安装刚玉保护套管后不影响过程气的流速、确保过程气的流动阻力不至于有较大增加和提高换热管入口段的换热效率,同时在换热管与刚玉防护套管之间设置了高硅氧纤维布防止换热管端部温度过高避免换热管失效;为使降温后的过程气中的硫磺能尽可能多地回收,设计中在本体出口管箱中专门设置了硫磺捕集器(结构见图4),使过程气全部从捕集器中流过时液态硫磺能尽可能收集,然后经出口管道冷凝后流出并收集;为使系统水循环处于安全范围,经水循环回路计算,本体上设置2个DN150mm的下降管口及4个DN125mm的上升管口。5.2蒸发器最低水位空间为使汽包具有足够的蒸汽容积和水容积,汽包筒体直径作了必要的增大,设计直径为DN1600mm,以确保汽包起到汽水分离等应有的功能。为了保证由硫反应器反应后过程气通过蒸发器时的冷却效果,蒸发器最上部换热管外壁与汽包正常最低水位之间必须具有一定水位空间(本次设计中控制在不小于250mm)。根据以往使用经验,传统硫回收单元低温废热锅炉存在使用寿命较高温废热锅炉本体短的缺点,因此汽包蒸发器的结构设计采用填料函型式(结构见图5),该结构既能很好地满足管壳程温差引起的管束膨胀,又便于管束的清洗和更换,可节约大修成本及便于管束的更换。6高温、耐硫酸、耐磨损性能由于过程气具有很强的腐蚀性,硫回收废热锅炉极其容易发生腐蚀性失效,因此在新型废热锅炉设计中,针对过程气能直接接触的金属材料提出防腐要求。碳钢换热管渗铝在石油化工、冶金、电力等工业中有广泛的应用。碳钢换热管通过渗铝后使其表面形成一定厚度的致密性铝氧保护膜或铝铁合金保护层,从而具有优良的抗高温氧化、耐硫腐蚀、耐磨损性能。本次新型废热锅炉设计中,对废锅本体及汽包蒸发器中采用的换热管内表面提出了渗铝处理的明确要求,即要求表面铝含量≥15%(重量),渗铝层厚度≥0.10mm,并推荐采用热浸渗铝工艺;换热管渗铝后,要求按照JB/T5069—1991《钢铁零件渗金属层金相检验方法》和GB/T4340.1—1999《金属维氏硬度第1部分:试验方法》进行金相试验。对于废锅本体过程气出口管箱及汽包蒸发器进出口管箱内表面、法兰内表面、接管、其它内件等凡是与过程气直接接触的表面均需进行喷铝处理,要求喷铝后零部件表面应均匀,并完成覆盖与过程气可能接触的所有表面,不允许喷