大型硫磺制酸裝置熱力系統(tǒng)的幾點技術(shù)探討

李若松，普紅英

（云南化工設(shè)計院有限公司，云南 昆明 650041）

大型硫磺制酸裝置熱力系統(tǒng)的幾點技術(shù)探討

李若松，普紅英

（云南化工設(shè)計院有限公司，云南 昆明 650041）

根據(jù)我公司設(shè)計及工程總承包的大型硫磺制酸裝置熱力系統(tǒng)的設(shè)備選型、運行情況，對熱力系統(tǒng)的主要設(shè)備廢熱鍋爐、過熱器及省煤器進行技術(shù)探討。

硫酸；硫磺；熱力系統(tǒng)；大型

硫酸是重要的基礎(chǔ)化工原料之一，目前我國70%左右的硫酸用于化肥生產(chǎn)，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，形成了以硫磺、硫金屬礦和冶煉煙氣為主的原料結(jié)構(gòu)。

硫酸生產(chǎn)裝置的大型化、國產(chǎn)化一直是我國硫酸工作者研究的課題，我公司開展硫酸裝置設(shè)計業(yè)務(wù)已有近40 a，設(shè)計和總承包建成的硫磺制酸裝置共計30多套，規(guī)模為4萬～80萬t／a。大型裝置如云南云天化國際化工股份有限公司紅磷分公司節(jié)能降耗技改項目800 kt／a硫磺制酸總承包工程、宜都興發(fā)化工有限公司60萬t／a磷銨項目配套80萬t／a硫磺制酸項目、云南三環(huán)中化化肥有限公司120萬t／a磷銨工程Ⅱ期80萬t／a硫酸EPC工程。

隨著硫酸裝置向大型化發(fā)展，對裝置長周期連續(xù)穩(wěn)定運行提出了更高的要求，特別對系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的要求越來越高。熱力系統(tǒng)作為硫磺制酸裝置的關(guān)鍵設(shè)備設(shè)置于焚硫轉(zhuǎn)化工段用于回收高、中溫位熱能，其穩(wěn)定性和可靠性是裝置能否長周期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

根據(jù)近年來我公司設(shè)計及EPC工程的幾套大型硫磺制酸裝置熱力系統(tǒng)的實際使用情況來看，熱力系統(tǒng)的主要設(shè)備廢熱鍋爐、過熱器及省煤器成熟可靠，能滿足裝置大型化及長周期穩(wěn)定運行的要求，但也存在一些問題尚待解決。

1 熱力系統(tǒng)蒸汽運行參數(shù)的選擇

目前國內(nèi)硫磺制酸裝置的熱力系統(tǒng)一般以副產(chǎn)3.82 MPa、450℃的過熱蒸汽為主流，中壓過熱蒸汽用于驅(qū)動空氣風(fēng)機及用于發(fā)電。隨著裝置向大型化發(fā)展，提高熱力系統(tǒng)的參數(shù)副產(chǎn)次高壓（5.3 MPa、475℃）或高壓（9.8 MPa、540℃）過熱蒸汽，可以獲得更高的蒸汽循環(huán)熱功效率，可多做功、多發(fā)電，裝置的規(guī)模效益顯得更為明顯。國內(nèi)引進MECS技術(shù)建造的雙獅100萬t／a硫磺制酸裝置采用了6.4 MPa、492℃的蒸汽參數(shù)，宜化60萬t／a硫磺制酸裝置采用了5.3 MPa、485℃的蒸汽參數(shù)，雖然由于蒸汽參數(shù)的提高會導(dǎo)致熱力系統(tǒng)的設(shè)備造價、運行費用提高，但可以大幅提高發(fā)電量，經(jīng)生產(chǎn)實踐檢驗，經(jīng)濟效益較好。在今后新建大型硫磺制酸裝置時，預(yù)計熱力系統(tǒng)蒸汽運行參數(shù)將會向次高壓或高壓發(fā)展。

2 廢熱鍋爐

2.1 爐型的選擇

2.2 鍋爐副線方案的選擇

目前國內(nèi)大型硫磺制酸裝置火管鍋爐副線的設(shè)置有兩種方式，分別為：①采用高溫副線配鐘罩閥調(diào)節(jié)進轉(zhuǎn)化器一段進口溫度；②采用高低溫兩段式鍋筒并從中間抽出部分氣體設(shè)置高溫蝶閥調(diào)節(jié)進轉(zhuǎn)化器一段進口溫度。

設(shè)置高溫副線采用鐘罩閥調(diào)節(jié)一段進口溫度經(jīng)我公司設(shè)計、總包的幾套80萬t／a硫磺制酸裝置應(yīng)用情況來看是可行的，采用電動鐘罩閥調(diào)節(jié)具有操作方便、溫度控制容易的特點，低負荷工況也能保證一段進口溫度達到催化劑要求的最佳溫度，經(jīng)過近年來對細節(jié)設(shè)計的不斷完善，鐘罩閥已能滿足大型裝置長周期穩(wěn)定運行的要求。

采用高低溫兩段式鍋筒并從中間抽出部分氣體設(shè)置高溫蝶閥調(diào)節(jié)進轉(zhuǎn)化器一段進口溫度的副線方案，將副線煙氣溫度從1 100～1 000℃降低到600℃左右，可延長副線高溫蝶閥的壽命，保證裝置長周期穩(wěn)定運行，此副線調(diào)節(jié)方案在貴州開磷集團的60～80萬t／a硫磺制酸裝置中得到應(yīng)用，并取得很好的效果。

以上兩種方案都是成熟、可靠的鍋爐出口溫度調(diào)節(jié)方案，如今后裝置規(guī)模進一步向大型化發(fā)展，估計采用兩段鍋筒的方案運輸可能受到限制，而采用鐘罩閥的方案不會受到裝置大型化的影響，是大型化裝置的首選副線調(diào)節(jié)方案。

3 高溫過熱器

國內(nèi)有幾套80萬t／a硫磺制酸裝置采用混凝土框架支撐高溫過熱器，由于轉(zhuǎn)化器一段出口溫度較高達到610℃左右，與冷態(tài)時相比熱膨脹量很大，轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣管道對高溫過熱器的推力很大，經(jīng)常出現(xiàn)煙氣管道泄漏，影響正常生產(chǎn)的情況發(fā)生。大型硫磺制酸裝置煙氣管道直徑較大，一旦設(shè)備布置確定后，煙氣管道的走向也就基本確定，膨脹節(jié)的選用方案也就基本確定，高溫過熱器煙氣進口溫度高達610℃左右，熱膨脹量大，對設(shè)備的推力很大，要解決好高溫過熱器煙氣進口管道的泄漏問題，在設(shè)計之初就要對設(shè)備布置、管道布置及管道應(yīng)力等問題進行綜合考慮。近年來我公司設(shè)計、EPC總包的幾套80萬t／a硫磺制酸裝置高溫過熱器均采用不銹鋼下箱體結(jié)構(gòu)，高溫過熱器坐落在下箱體上，轉(zhuǎn)化器一段出口至高溫過熱器煙氣管道為一段直管，采用軸向型膨脹節(jié)就能很好的解決熱膨脹問題，取得了很好的效果。

硫磺制酸裝置運行中，高溫過熱器煙氣進口溫度在610℃左右，過熱蒸汽出口溫度達到450℃，設(shè)備殼體與翅片管有160℃的溫差，目前采用雙頭浮動管板使翅片管可以自由滑動，取得了一定效果。

4 省煤器

大型硫磺制酸裝置省煤器為增加換熱面積強化傳熱多采用翅片管，分高溫、低溫兩段，為提高換熱管壁溫防止露點腐蝕，低溫段多采用煙氣與水并流的換熱流程并采用熱管；在近年的工程應(yīng)用中，還有以下問題需要注意。

1.3.1 課前準備 兩班均按前期成績及性別搭配分組，保證各組成員的性別、成績優(yōu)劣比例一致，每組選組長一名，負責(zé)組內(nèi)人員的協(xié)調(diào)及合作工作。于實驗課前一周告知TBL班學(xué)生實驗內(nèi)容，強調(diào)實驗?zāi)康闹行枰煜ず驼莆盏牟糠郑舫鲋攸c概念要求學(xué)生預(yù)習(xí)，簡要介紹實驗關(guān)鍵步驟。隨后學(xué)生以團隊形式根據(jù)實驗?zāi)康暮徒處熞?，結(jié)合理論課學(xué)習(xí)內(nèi)容及查閱文獻，理清所涉及的概念與知識點，理解實驗原理，設(shè)計制劑處方并熟悉操作步驟及流程，預(yù)判實驗結(jié)果，指出注意事項。課前準備由各組組長組織組員進行，自行分工，共同討論，時間長短不做要求。對照班同樣指出實驗內(nèi)容，但不做其他要求。

1）省煤器的煙氣流向

由于省煤器換熱管是翅片管，容易積灰堵塞，影響換熱效果并增加阻力，煙氣在省煤器中的流向應(yīng)設(shè)計成向下流動，與重力方向一致以利于灰塵下降而不粘附在翅片管上，而如果煙氣自下向上流動，與重力相反，灰塵易形成懸浮狀附著于翅片管上。

2）省煤器換熱面積富余量

省煤器煙氣側(cè)不設(shè)副線調(diào)節(jié)，在管內(nèi)水側(cè)設(shè)有副線，通過調(diào)節(jié)進入省煤器的水量來控制出省煤器的煙氣溫度，這要求省煤器的傳熱系數(shù)計算準確，換熱器面積富余量取值合理，換熱面積不能富余過大。我公司總承包的云南云天化國際化工股份有限公司紅磷分公司節(jié)能降耗技改項目800 kt／a硫磺制酸裝置四段出口省煤器高溫段內(nèi)部發(fā)出異常響聲，究其原因，是換熱器面積富余過大，從省煤器調(diào)節(jié)副線走的水過多，而進入省煤器管內(nèi)參與換熱水量過少，造成省煤器換熱管內(nèi)水超溫沸騰，引起水擊而發(fā)出異響。

3）省煤器下氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計

近年來，省煤器也采用下箱體結(jié)構(gòu)，由下箱體作為結(jié)構(gòu)支撐的設(shè)計推廣開來，下箱體的設(shè)計除考慮結(jié)構(gòu)外還應(yīng)考慮氣流沖擊引起振動問題；我公司總承包的云南云天化國際化工股份有限公司紅磷分公司節(jié)能降耗技改項目800 kt／a硫磺制酸裝置兩臺省煤器采用了下煙箱支撐的結(jié)構(gòu)，開到滿負荷后，省煤器發(fā)出異常響聲，經(jīng)專業(yè)公司振動測量，分析是氣流沖擊下氣室引起共振而發(fā)出響聲，需要對下氣室結(jié)構(gòu)作處理以消除響聲。

4）省煤器下氣室底板防腐

我公司在云南三環(huán)中化Ⅱ期80萬t／a硫酸總承包工程中，兩臺省煤器底板曾澆筑耐酸混凝土作防腐，但運行兩年后停車檢查，發(fā)現(xiàn)混凝土有裂縫，未起防腐作用。我們認為省煤器底板在氣流沖擊下有振動，不適合用混凝土防腐。如果需要防腐應(yīng)用其它方法，同時發(fā)現(xiàn)省煤器底部并沒有冷凝酸，只要煙氣溫度控制合理不會出現(xiàn)冷凝酸，此處不需要做防腐層。

5）省煤器出口煙氣溫度

目前很多企業(yè)通常一吸塔進口溫度控制在170～180℃，二吸塔進口溫度控制在160～170℃，溫度過低會引起省煤器露點腐蝕，溫度控制過高省煤器回收熱量減少，不利于節(jié)能，根據(jù)計算一吸塔進口的煙氣的露點在115℃左右，二吸塔進口的煙氣露點在105℃左右，一般控制煙氣溫度高于露點30℃已很安全，而目前企業(yè)控制的溫度普遍過于保守。我公司在云南云天化國際化工股份有限公司紅磷分公司節(jié)能降耗技改項目800 kt／a硫磺制酸項目中，一吸塔進口溫度控制170℃，二吸塔控制在140℃，已運行多年沒有發(fā)生設(shè)備損壞。

5 總結(jié)

熱力系統(tǒng)是大型硫磺制酸裝置長周期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，在此希望與業(yè)內(nèi)專家共同探討，使我國的大型硫磺制酸裝置設(shè)計、EPC工程水平再上新臺階，在提高熱能回收效率和熱能回收質(zhì)量的同時，不斷提高設(shè)備的可靠性，使裝置能長周期穩(wěn)定運行，減少開停車及檢修帶來的損失，從而降低企業(yè)生產(chǎn)成本、增強市場競爭力。

Several Techniques of Thermodynamic System in Large－scale Sulfuric Acid Plants

LI Ruo－song，PU Hong－ying

（Chemical Design Institute Co.，Ltd.，Kunming 650041，China）

According to equipment selection and operation conditioin of the thermodynamic system of the large sulfuric acid plants designed by our company or contracted by Engineering，the operation of the main equipment of the thermal system and waste heat boiler，superheater and economizer were technically discussed.

sulfuric acid；sulfur；thermal system；large

TQ111.1

A

1004-275X（2014）05-0041-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.05.010

收稿：2014-08-06

李若松（1969-），男，云南昆明人，高級工程師，中國硫磷技術(shù)委員，主要從事化工建設(shè)項目的總承包工作。