硫磺制酸火管锅炉的选型及结构设计要点

　　硫磷设计与粉体工程硫磺制酸火管锅炉的选型及结构设计要点命向东（南化集团设计院南京市210048）制酸火管锅炉的设计在我国是近几年的事。结合南化集团设计院近年设计的火管锅炉炉型和使用情况，通过分析比较提出适合于大型高参数硫磺制酸火管锅炉的炉型，同时还总结了关键部位的结构设计要点。硫磺制酸余热回收火管锅炉选型结构设计近年来由于国际市场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，新建或由硫铁矿制酸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，所以近几年来火管锅炉在硫磺制酸上的应用有了长足的发展。我院近几年先后设计了十多套硫磺制酸的火管锅炉，分别用于20400kt /a的硫磺制酸装置中，并和国外多家锅炉制造商进行了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。

　　1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c单一的硫酸厂锅炉产汽一般用于发电（包括热电联产），而综合性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匹配，目前我国硫磺制酸装置采用多的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，同时又要考虑锅炉炉气的露点腐蚀问题。

　　尽管国内有些硫磺制酸装置的火管锅炉长期在0.5MPa（对应的饱和蒸汽温度为152D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（对应的饱和蒸汽温度为184t.因为影响露点腐蚀的因素很多，问题也很复杂，所以防止露点腐蚀有效的办法就是提高管壁温度，避免结露。

　　2总体结构设计硫磺制酸装置中火管锅炉的主要作用是将硫磺焚烧后的高温气体冷却下来，满足进人转化器的温度要求c锅炉的炉气进口温度一般为1 1'左右，出口温度为4401：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形式，但常见的有三种，现分析比较如下。

　　2.1火管锅炉炉型之一此种炉型火管锅炉其锅壳内下部布置受热管，正常水位控制在受热管上某一位置，上部为蒸发空间，汽水分离在垂直汽包内进行（见）。这种炉型的优点是结构简单，造价低，但有如下的缺点：受热管布置在下部，管板受力状况较差，需要采用较厚的管板。采用较厚的管板，冷热面的温差大，因此引起的温差应力也较大；由于水位不能低于上面一排换热管，同时水位也不能太高，否则蒸发空间太小，影响蒸汽品程磷设计与粉体工程1期火管锅炉炉型之质，所以这种形式的锅炉水位较难控制；锅炉上部为蒸汽，下部为水，管板对两种介质的传热系数相差很大，管板L：，下存在温差，费板容易变形。

　　由于以上的原因，这种形式的锅炉只能用于小直径的低压锅炉，不能大型化，一般用于小的硫磺制酸装置。

　　此炉型上部设一个汽包，汽水分离在汽包内进行，正常水位控制在汽包中心线附近，汽包与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，另一方而又作为汽包的支座（见）。这种炉型锅壳内充满r水，克服r炉型一中管板温差应力大的问题。但这种炉-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3产汽量较大时管边内容易发生“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塑化，-般只能用于中小型的硫磺制酸装置，这种炉型同炉型二一样，也是由锅壳本体相汽包两部分组成（见），但与炉型二不同的是连接锅壳与汽包的上升管和下降管是分开的。n包与锅壳中间布置上升管，两侧布s下降哲锅壳内生产的汽水混合物由中间的上升管流至汽包，经汽水分离后水从汽包的底部沿两侧的下降管流入锅壳，形成自然循环m路。对中小型的锅炉，上升管和下降管可以作为汽包的支座。但对大型的锅炉，为r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r提汽包的稳定忭，也可w将n包置于笮独的平台丨这种炉型克服r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，。h前国外的大中型硫磺制酸的火管锅炉大多数采用这种形式，这也是我院重点研究和开发的炉型之另外，作为以上三种炉型的派生炉塑，我院还发r一种带炉内中心旁通调节阀的火管锅炉，利丨n锅炉的调节阀可以调节锅炉出「」温度，从而可以取消炉外旁通管上的高温调节w，节竹r占地面积和投资。这种炉型目前已广泛使用在中小朋的硫磺制酸装置中、3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其管子和管板连接失效引起，而管子和管板连接失效与很多因素有关，其中主要的影响因素有：管子和管板的连接形式；换热管气体人口的保护方式。

　　这些部位的设计是火管锅炉设计的关键，下面分加以阐述。

　　3.1管板的设计火管锅炉管板厚度计算的标准很多，但按管板受力单元的选取可分为两类：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f；B151等，按这类标准算出的管板厚度较厚，而且管板厚度与锅壳良径成正比，锅壳直径越大管板厚度越厚；第二类适将管子和允体视为管板的支撑，这类标准有美闽的ASMF：、德闰的AD和我国的（；B/T丨650等，按这一类标准订出的管板厚度很薄，而且管板的厚度与筒体径无关，对大型高参数火管锅炉如果按类称准汁算符板厚度，其结果将非常厚。如直径为2 601）mm的屮K火管锅炉，管板材料为20g，按美H算的管板厚度将超过200mm，这样厚的管板不仪川工困难，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+类标准如美国ASME或德国AD标准计算的管板厚15：不到2（1，这样不仅省材料，而且管板两侧的温笼很小。同时由于薄管板可通过带曲率半径的过渡部分与A体相连接，形成柔性结构，受力状态比管板好很多。所以硫磺制酸火管锅炉的设计，特是尺型高参数硫磺制酸火管锅炉的管板稚本h都是采用第/类标准计算其厚度，荇板厚度的计算值一般小于20mm 3.2管子和管板连接形式火管锅炉中的管子和管板连接接头反复迥受热变形、热冲击、拉脱作用，容岛产生破坏，故管和管板连接形式的确定也是非常重要的。哲子和管板典型的连接形式有胀接、焊接、胀焊并用由于高温时的蠕变会使胀接残余应力松驰而造成接头失效，而硫磺制酸炉气温度很高，所以一般不用单纯的胀接。焊接有两种形式，见中的a和bt其中管子和管板的连接形式是强度焊接结构，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，（b）是全焊透结构，这种结构在管板较薄时用得较多，而当管板较脖时，管间距必须加大，锅壳直径和厚度也会随之加人，N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，常见的如固4中的（c），其中焊接是为了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，同提焊缝的抗疲劳性能。

　　3.3前管板和换热管的热防护前管板和换热管的人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失效，因此必须加以热防护。通常在前管板表面敷设——层特殊的耐火可塑性材料，就能有效地得到保护，免受高温气流的冲击。

　　换热管高温气体人口的保护和管板设汁一作是火管锅炉设计的关键问题，因为，此处有应力集中和疲劳，同时受高温炉气的冲蚀，很容易损坏。在石油化工和合成氨行业中，高温气体人口处的保护方法很多，常见的是采用金属套管。但硫磺制酸屮的火管锅炉，由于炉气温度高，同时炉气中含SC）2和硫，很难找到合适的金属材料，故通常采用特制的非金刚i套管，：保护套管的设计应注意下列两方而的间题：（丨）保护套管和换热管之间不能紧贴，要留2-3mm的间隙供填充绝热材料。这样一方而可以防止仲出在管板外、耐火材料内的保护套管因其比插人换热管内的套管温度高得多，引起刚玉套管受热膨胀而破碎，另一方面还能改善换热管人口的丁作条丨t，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，这主耍足为f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。

　　4结束语以上介绍硫磺制酸火管锅炉设计的几个t耍的问题，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，等等。这些都需要火管锅炉的设计人员认具别待，R存这样才能设计出好的火管锅炉，为锅炉的长周期安全运行创造条件；也只有这样才能尽快使我丨司硫磺制酸火管锅炉的设计水平赶上发达国家的先